蔡 煜,張 偉,戴敏明,葛 強(qiáng)

(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司,常州 ２１３２００)

    摘 要:在鍋爐廠的產(chǎn)品驗(yàn)收工作中,鍋爐和過熱器用 SA２１０C 無縫中碳鋼管帶狀組織的評(píng)定比較重要.但 GB/T１３２９９－１９９１中對(duì)帶狀組織評(píng)級(jí)的描述比較模糊,實(shí)際應(yīng)用存在困難,試驗(yàn)結(jié)果為界限值時(shí)易出現(xiàn)爭議.而 ASTM E１２６８－０１(２０１６)的方法盡管計(jì)算復(fù)雜,但能夠定量評(píng)定材料的帶狀程度,在遇到爭議時(shí)使用該方法可有效減少誤判.SA２１０C為 ASME(美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì))鋼種,在實(shí)際工作中選用 ASTM E１２６８－０１(２０１６)作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確.但考慮到推廣困難,可在日常工作中采用先依據(jù) GB/T１３２９９－１９９１ 對(duì)帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí),遇到爭議時(shí)再依據(jù)ASMEE１２６８－０１(２０１６)進(jìn)行驗(yàn)證的方法.

    關(guān)鍵詞:SA２１０C鋼管;帶狀組織;評(píng)定方法;GB/T１３２９９－１９９１;ASTM E１２６８－０１(２０１６)

    中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３２２Ｇ０３

EvaluationMethodsforBandingStructureofSA２１０CSeamless

MediumCarbonSteelTubes

CAIYu,ZHANG Wei,DAIMinming,GEQiang

(JiangsuChangbaoPrecisionSteelTubeCo．,Ltd．,Changzhou２１３２００,China)

   Abstract:Intheproductacceptanceworkofboilerfactories,theevaluationofbandingstructureofSA２１０C

seamlessmedium carbonsteeltubesusedforboilersandsuperheaters wasrelativelyimportant．Butin GB/T

１３２９９－１９９１,thedescription ofbandingevaluation wasambiguous,and difficultiesexistedinthe practicalapplication．Thecontroversywaspronetooccurwhenthetestresultswereboundaryvalues．ButinASTM E１２６８－０１(２０１６),althoughthecalculation wascomplex,the methodcouldevaluatethebandingdegreeof materialsquantitatively．Itcouldreducethemisjudgmentinthefaceofcontroversy．SA２１０C wasonetypeof ASME(AmericanSocietyof MechanicalEngineers)steels,thusselecting ASTM E１２６８－０１(２０１６)asaninspectionstandardwasmoreaccurateintheactualworkButinconsiderationofdifficultiesinpopularization,GB/T１３２９９－１９９１couldbeusedtoevaluatethebandingstructureindailywork,andASMEE１２６８－０１(２０１６)couldbeusedtoverifytheresultsinfaceofcontroversy．

    Keywords:SA２１０Csteeltube;bandingstructure;evaluationmethod;GB/T１３２９９－１９１;ASTME１２６８－０１(２０１６)

    在鍋爐和過熱器用 SA２１０C 無縫中碳鋼管中,帶狀組織是一種常見的顯微組織,表現(xiàn)為鐵素體與珠光體沿變形方向交替成條帶分布.帶狀組織的存在會(huì)使鋼的組織不均勻,形成各向異性,降低鋼材的塑性和韌性.因此鍋爐廠在技術(shù)條件中規(guī)定了帶狀組織級(jí)別,按照 GB/T１３２９９－１９９１«鋼的顯微組織評(píng)定方法»[１](以下簡稱國標(biāo)),選取最嚴(yán)重的視場采用與標(biāo)準(zhǔn)圖片比對(duì)的方法進(jìn)行評(píng)級(jí),但這種方法受人員主觀影響較大,重復(fù)性與再現(xiàn)性大于１級(jí),容易出現(xiàn)爭議,尤其是當(dāng)評(píng)定結(jié)果在界限值的時(shí)候.ASTM E１２６８－０１(２０１６)Standard Practicefor Assessing the Degree of Banding orOrientationof Microstructures[２](以下 簡 稱 美 標(biāo))也對(duì)帶狀組織的評(píng)級(jí)方法進(jìn)行了規(guī)定,該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用類似晶粒度評(píng)定中的截點(diǎn)法及數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,來實(shí)現(xiàn)鋼中帶狀組織級(jí)別的定量評(píng)級(jí).筆者依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA２１０C熱軋無縫中碳鋼管中的帶狀組織級(jí)別進(jìn)行了評(píng)定,并與使用國標(biāo)評(píng)定的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,以此給鍋爐廠的驗(yàn)收工作提供參考.

１ 美標(biāo)評(píng)定帶狀組織級(jí)別

１．１ 視場及網(wǎng)格線的選擇

    在實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),SA２１０C 鋼管內(nèi)壁的帶狀組織比較嚴(yán)重,因此在視場選擇過程中可以在內(nèi)壁選擇５~６個(gè)視場.以 SA２１０C 鋼管內(nèi)壁的其中一個(gè)視場進(jìn)行分析,如圖１所示,可以看出鐵素體(白亮區(qū))與珠光體兩相呈明顯的帶狀分布.

    圖１中的網(wǎng)格是利用ZEISSImager．A２M 型金相顯微鏡的晶粒度評(píng)級(jí)軟件功能得到的,平行線與垂直 線 的 間 距 一 致,長 度 均 為 ７８０ μm ×１３＝１０１４０μm,即實(shí)際測試線的總長度為 ２０．２８ mm.

顯微形貌 放 大 倍 數(shù) 為 １００ 倍,即 測 試 線 的 長 度 為２０２８mm,滿 足 標(biāo) 準(zhǔn) 中 網(wǎng) 格 線 總 長 度 不 小 于５００mm的要求.可根據(jù)試樣的實(shí)際情況改變放大倍數(shù),對(duì)于較細(xì)的晶粒建議可在放大２００倍下進(jìn)行分析,但不建議使用更高的放大倍數(shù),會(huì)導(dǎo)致測量線穿過的晶粒或塊狀物數(shù)量偏少,而加大測量誤差.

１．２ 計(jì)數(shù)規(guī)則

    ASTM E１２６８－０１(２０１６)中使用測試線截取顯微組織的特征物數(shù)(N,即網(wǎng)格線所截取的獨(dú)立顆粒、晶粒或碎片的個(gè)數(shù))和特征物交點(diǎn)數(shù)(P,即網(wǎng)格線所截取的異相邊界和連續(xù)邊界的交點(diǎn)數(shù))的示意圖如圖２所示,圖２(a)代表垂直于變形方向,圖２(b)代表平行于變形方向.T 代表網(wǎng)格線與特征物相切,E代表網(wǎng)格線結(jié)束于網(wǎng)格內(nèi).由于實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算交點(diǎn)數(shù)的工作量很大,失誤也會(huì)很多,因此該分析以計(jì)數(shù) N 為例.N 的計(jì)數(shù)規(guī)則有以下４點(diǎn):①如果測試網(wǎng)格線。

    穿過兩個(gè)或多個(gè)連續(xù)的顆粒、晶粒或相(穿過的顆粒間無任何其他的相或組分),則將它們計(jì)為一個(gè)特征物(N＝１);②當(dāng)測試線與顆粒、晶粒相切時(shí),N 計(jì)為０．５;③當(dāng)測試線末端在特征物內(nèi)時(shí),N 計(jì)為０．５;④當(dāng)測試線完全在特征物內(nèi)時(shí)(此情況經(jīng)常發(fā)生在嚴(yán)重帶狀材料中),N 計(jì)為０．５.

１．３ 計(jì)算結(jié)果

    根據(jù)上述規(guī)則對(duì)圖１中的特征物珠光體進(jìn)行計(jì)數(shù),選擇珠光體為特征物的主要原因是珠光體比鐵素體少,計(jì)數(shù)方便.垂直線截取特征物(珠光體)的截段數(shù)總和 N⊥ ＝５０６個(gè),平行線截取特征物(珠光體)的截段數(shù)總和 N∥ ＝１６０個(gè),計(jì)算垂直和平行方向 單 位 長 度 上 的 特 征 物 數(shù) 量 NL⊥ 及 NL∥ ,即NL⊥ ＝N⊥/Lt＝５０６/１０．１４＝４９．９０個(gè)/mm,NL∥ ＝N∥/Lt＝１６０/１０．１４＝１５．７８個(gè)/mm,Lt 為實(shí)際測試線長度１０．１４mm,從而計(jì)算出各向異性指數(shù)(帶狀級(jí)別)AI＝NL⊥/NL∥ ＝４９．９０/１５．７８＝３．１６.其余視場(共選擇５個(gè)視場進(jìn)行測量)計(jì)算同上,相應(yīng)參數(shù)如表 １ 所 示,其 中 S 為n 次 測 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) 偏 差,９５％CI 為９５％置信區(qū)間,RA 為相對(duì)精度,SB⊥ 為帶狀或趨向性相的平均帶寬,計(jì)算方法見式(１)~(３).相對(duì)精度RA 是對(duì)受視場影響的數(shù)值每次測量誤差的評(píng)價(jià),RA ≤３０％為適當(dāng)值,否則需要增加測量次數(shù)來降低RA.

    ２ 美標(biāo)與國標(biāo)評(píng)定結(jié)果的對(duì)比

    對(duì)于圖１,選取最嚴(yán)重的視場與國標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對(duì),如圖３所示.從圖３可以看出,貫穿視場的鐵素體 珠光體條帶較多,但鐵素體并沒有變形,說明該樣品的帶狀級(jí)別小于４級(jí),其珠光體為連續(xù)析出.在鋼管軋制過程中鐵素體沿變形方向呈方向性排列,按照國標(biāo)根據(jù)變形鐵素體的含量以及貫穿視場的程度來評(píng)級(jí),沒有變形鐵素體則可以評(píng)為３級(jí).但如果與標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對(duì),可直觀看出該視場的帶狀組織比３級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖譜中的嚴(yán)重,也可判定為３．５級(jí).如果某采購規(guī)程要求帶狀≤３．０級(jí),則０．５級(jí)的差別就會(huì)引起爭議,造成產(chǎn)品不合格,不能及時(shí)流轉(zhuǎn).從上述分析可看出,國標(biāo)是對(duì)帶狀組織進(jìn)行定

性分析,主要考慮帶狀貫穿視場的程度,３級(jí)的描述為等軸晶粒組成幾條連續(xù)的、貫穿視場的鐵素體 珠光體交替帶.在標(biāo)準(zhǔn)圖片的闡述方面比較含糊,并且實(shí)際試樣的鐵素體與珠光體含量與圖譜的并不完全相同,會(huì)導(dǎo)致視覺誤差,從而影響判斷.引入美標(biāo)可進(jìn)行輔助判定,是一種定量判斷.美標(biāo)經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,降低了國標(biāo)中人為評(píng)定引入的誤差,得到的結(jié)果較國標(biāo)的要精確,具有較高的科學(xué)性,尤其對(duì)于評(píng)定處于界限值的帶狀組織很有幫助.但該方法的計(jì)算量較大,比較耗時(shí).上述案例根據(jù)美標(biāo)進(jìn)行評(píng)定,該試樣其中一個(gè)視場的帶狀級(jí)別為３．２,且最終５個(gè)視場的平均級(jí)別為 ３．１６ 級(jí),由于結(jié)果大于３．０級(jí),最終按照采購規(guī)程可判定該批產(chǎn)品不合格.

３ 美標(biāo)評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性

    為了驗(yàn)證美標(biāo)評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取國標(biāo)中的４級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖譜按照上述方法進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果如表３所示,可見使用美標(biāo)計(jì)算帶狀級(jí)別的準(zhǔn)確性較高.

３．２ 皮下夾雜的危害

    皮下夾雜對(duì)軸承鋼的危害主要體現(xiàn)在使軸承滾動(dòng)體出現(xiàn)接觸疲勞繼而失效.接觸疲勞的破壞過程為疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展直至剝落[３].鋼材內(nèi)部存在皮下夾雜,處于表層下的最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力處,就會(huì)成為疲勞裂紋的起源而形成裂紋,繼而擴(kuò)展至表面,形成剝落.疲勞裂紋的擴(kuò)展一般可分為３個(gè)階段:第一階段,從裂紋的萌生到形成可以自由擴(kuò)展的裂紋尺寸;

第二階段,裂紋擴(kuò)展到可以形成剝落源;第三階段,裂紋迅速擴(kuò)展,第一個(gè)剝落產(chǎn)生.而皮下夾雜缺陷在應(yīng)力作用下,已形成裂紋源,在滾動(dòng)體工作時(shí)受到切應(yīng)力的作用將會(huì)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展,后續(xù)形成剝落失效.因而皮下夾雜缺陷直接影響著軸承的使用壽命,存在該缺陷的軸承滾動(dòng)體,使用壽命將會(huì)大幅降低.

３．３ 皮下夾雜的控制

    從化學(xué)成分已判定出該模鑄軸承鋼的皮下夾雜缺陷是由模鑄保護(hù)渣引起的.保護(hù)渣在澆鑄過程中與鋼液直接接觸,通常由于保護(hù)渣的質(zhì)量較輕,應(yīng)浮在鋼液的表面上.而皮下夾雜缺陷是由于保護(hù)渣被卷入至鋼液中,未能有效排出引起,因此需控制保護(hù)渣與鋼液的接觸過程,以避免卷渣.

在鋼錠模底部進(jìn)行鋪渣操作,在鋼液與保護(hù)渣接觸的初期,由于澆鑄過程流場非常不穩(wěn),噴射、飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重[４],易造成保護(hù)渣卷入鋼液中.因而應(yīng)改用吊渣操作代替鋪渣操作,以防止?jié)茶T初期由于流場不穩(wěn)定使保護(hù)渣卷入鋼液中.

    此外,該爐鋼生產(chǎn)時(shí)為雨季,保護(hù)渣容易吸收空氣中的水分形成局部塊狀,在鋼液與保護(hù)渣接觸后,塊狀保護(hù)渣被卷入鋼液中,而未能有效排出.基于上述分析,制作具有自動(dòng)攪拌功能的保護(hù)渣烘烤裝置,該裝置使用后,可有效保證保護(hù)渣中的水分含量滿足使用要求,同時(shí)消除保護(hù)渣因水分超標(biāo)形成塊狀的可能,使用的保護(hù)渣生產(chǎn)時(shí)均為粉面狀.由此解決了模鑄軸承鋼的皮下夾雜問題,使模鑄軸承鋼的質(zhì)量穩(wěn)定性提高,滿足了重載、高速軸承滾動(dòng)體的質(zhì)量穩(wěn)定性要求.

４ 結(jié)論及建議

    在水浸自動(dòng)超聲波檢測某模鑄軸承鋼時(shí),出現(xiàn)了連續(xù)橫波報(bào)警,經(jīng)綜合分析確認(rèn)為皮下夾雜缺陷.該軸承鋼中的皮下夾雜是以硅、鋁、鈣的氧化物為主,并含有少量的鈉、鉀等氧化物,經(jīng)過對(duì)煉鋼過程及原輔材料分析,確認(rèn)皮下夾雜是由模鑄保護(hù)渣引起的.

通過吊渣代替鋪渣操作及自動(dòng)攪拌式保護(hù)渣烘烤裝置的應(yīng)用,可消除皮下夾雜缺陷,使軸承鋼的質(zhì)量更加穩(wěn)定.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)）