里氏硬度是一种新型的动态硬度试验方法 ,具有测试精度高 ,设备体积小、 操作容易、 携带方便 ,测量范围宽的特点 ,常被应用于现场大型构件的硬度测定。前人的研究表明 ,里氏硬度与其他硬度以及强度等力学性能指标之间存在一定的规律,并得到了多种材料的硬度与强度换算关系式,同时国家标准中也有硬度与强度换算表 ,如 GB/ T 1172 -1999、 GB/ T 17394 - 1998。然而由于材料种类的不同以及不同硬度测量原理的不同 ,许多研究报道对不同材料的换算关系式并不统一 ,而实际使用时选择适用的关系式十分重要。

奥氏体不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性能而被广泛应用于核电站中。目前 ,有关奥氏体不锈钢硬度与强度之间换算关系的研究还很少见 ,国家标准提供的换算表中也缺乏此类的换算表。因此 ,检测了若干国家核电站用奥氏体不锈钢的里氏硬度、 维氏硬度和强度 ,在此基础上研究了该类材料里氏硬度、 维氏硬度以及强度之间的换算关系。

一、试样制备与试验方法                                                        

试验用材料核电站用奥氏体不锈钢有我国现正在使用的 304N G核级不锈钢 ,日本的 304L、 316L不锈钢以及印度的316LN 超低碳控氮不锈钢 ,其化学成分见表 1。另外 ,为了模拟在核电站服役条件下的加工硬化以及辐照敏化对材料力学性能的影响 ,对部分不锈钢试样进行了敏化处理(以钢号后加S表示。其中 ,304L S的敏化工艺为650 ℃× 100 h空冷 + 550 ℃×200 h 空冷 ,316L S 的敏化工艺为700 ℃×30 h 空冷 + 620 ℃× 400 h 空冷)或加工变形处理(以 WR 表示温轧 , CW 表示冷轧) 。牌号304L WR750 表示在 200～250 ℃温轧使抗拉强度达到 750 MPa ,304L CW900 为室温冷轧抗拉强度为900 MPa ,304L CW1000 为室温冷轧抗拉强度为1 000 MPa ,316L WR750 为 200～250 ℃温轧抗拉强度为 750 MPa。工厂的固溶退火工艺为 1 100 ℃加热 ,水冷。

表 1 　 试验用奥氏体不锈钢的化学成分(质量分数)

      日本核电用采用 MYB 型拉伸试验机 ,试样尺寸为标距长度 20 mm的短比例拉伸试样 ,试验前先将标距部分用砂纸打磨到 4 号砂纸 ,最后一道砂纸的打磨方向为轴向 ,以避免环向划痕而影响试验结果。采用 W360L里氏硬度计 ,依据 GB/ T17394 - 1998 采用适用于绝大多数场合的D 型冲击装置进行里氏硬度( HL )检测;采用 Zwick/ Roell 压痕硬度仪 ,依据 GB/ T 4340. 1 - 1999 进行维氏硬度( HV )检测 ,载荷为 98 N ,保载时间为 10 s。用锯床切割后的里氏硬度和维氏硬度试样厚度符合国家标准要求 ,依次经过 150 #和 500 #水砂纸打磨、 机械抛光、 电化学抛光等处理工序 ,试验测试了 500 #水砂纸打磨、 机械抛光、 电化学抛光等表面状态下的硬度值 ,每个试样在不同表面状态下测试 9 个点的里氏硬度和5 个点的维氏硬度 ,并分别求平均值作为该表面状态下的里氏硬度和维氏硬度 ,取点间距符合相应国家标准。

由于奥氏体不锈钢的拉伸曲线中未出现明显的屈服平台 ,所以用规定非比例拉伸强度 Rp0. 2来表征材料的屈服强度。

二、试验结果和讨论                                                           

2. 1 里氏硬度与维氏硬度的换算关系

表2 中括号前数据为电化学抛光后的硬度值 ,括号内数据依次为 500 #水砂纸打磨、 机械抛光处理后的硬度值。从表 2 可以看出 ,里氏硬度( HL )与维氏硬度( HV )和强度( Rp0. 2 , Rm )的变化有一定的规律 ,当里氏硬度值增加时 ,对应的维氏硬度值和强度同时增加。

表 2 　 试验用奥氏体不锈钢的硬度值和强度值

对不同材料在不同表面处理状态下得到的里氏硬度与对应的维氏硬度进行拟合 ,并将 GB/ T17394 - 1998 中的碳钢、 低合金钢和铸钢的里氏与维氏硬度换算表绘制成曲线 ,将两者曲线放在同一张图上进行对比。可以看出 ,奥氏体不锈钢的试验数据及拟合曲线位于碳钢、 低合金钢和铸钢曲线的上方 ,即在相同里氏硬度的情况下 ,奥氏体不锈钢的维氏硬度较高。

GB/ T 17394 - 1998 中碳钢、 低合金钢和铸钢的里氏硬度与对应的维氏硬度换算表数据呈近似线性关系或幂函数关系。若拟合成幂函数形式: HV =A 3 ( HL )B,求得 A = 0. 000 02 ,B = 2. 61 ,按照数理统计的方法回归分析了变量之间的相关系数 R,得到 R = 0. 996 ;如果采用线性拟合 ,关系式为 HV= A 3 HL + B ,求得 A = 1. 42 , B = - 457. 60 , R =01968。通常 R > 0. 75 时认为拟合结果有一定规律 , R值越接近1 说明拟合程度越高。比较碳钢、 低合金钢和铸钢的线性拟合与幂函数关系拟合的 R值 ,可知幂函数关系拟合优于线性拟合 ,也就是说里氏硬度与维氏硬度更接近幂函数关系 ,而且幂函数关系可通过原点 ,因而显得比线性拟合结果更合理。

                图1         不同材料里氏硬度与维氏硬度的拟合曲线

      将试验获得的奥氏体不锈钢的里氏硬度与维氏硬度拟合成幂函数形式 HV = A 3 ( HL )B时 ,得 A =0. 001 5 ,B = 1. 95 ,相关系数 R = 0. 955 ;如采用线性拟合 HV = A 3 HL + B ,则 A = 0. 96 ,B = - 200. 78 ,相关系数 R = 0. 980。由于试验所得到的奥氏体不锈钢硬度主要分布在曲线的两端而缺少中间值 ,且样本数(数据点)不够多 ,所以导致了回归关系式的相关系数 R降低 ,但仍然远大于 0. 75。在这里幂函数拟合和线性拟合各有利弊 ,幂函数拟合的曲线过原点 ,但相关系数稍低 ,而线性拟合相关系数稍高但不通过原点。

2. 2 　 里氏硬度与强度的换算关系

从图 2 可以看出 ,奥氏体不锈钢的里氏硬度与强度的数据点在一定程度上符合线性关系 ,所以对试验获得的经电化学抛光处理后的里氏硬度与强度进行线性拟合,分别获得了里氏硬度 HL 与屈服强度RP0. 2和抗拉强度 Rm 的回归关系式。里氏硬度与屈服强度的关系为 RP0. 2 = A 3 HL + B , A = 3. 38 ,B =- 941. 16 ,相关系数 R = 0. 981 ;里氏硬度与抗拉强度的关系为 Rm = A 3 HL + B , A = 2. 06 , B =116101 ,相关系数 R = 0. 938。本试验结果与在对碳钢 和低合金钢 ( Q215A , Q215B ,Q235A , Q235B , Q235C , 16Mn , 15MnV) 以及船板钢、 管线钢、 军用钢等材料研究时得到的线性拟合关系式 Rm = 2. 083 3 HL - 2. 97 相比 ,两直线的斜率接近 ,但截距相差较大。

由于本试验所得到奥氏体不锈钢的里氏硬度分布在拟合直线两端 ,而中间值较少 ,所以表现在曲线上有一定的分散 ,但这不影响总的规律 ,即里氏硬度与屈服强度和抗拉强度都呈线性关系。

                    图2 　 试验钢里氏硬度与强度的拟合曲线

2. 3 　 维氏硬度与强度的换算关系

按照里氏硬度与强度之间的拟合方法对本试验奥氏体不锈钢经电化学抛光处理后的维氏硬度与强度进行了拟合 ,结果见图 3 ,并将 GB/ T 1172 - 1999中不锈钢(材料种类和钢号不详)的维氏硬度与仅有的抗拉强度的换算数据也放入图中作为参考。从图 3 可见 ,GB/ T 1172 - 1999 中的数据间符合线性关系 ,进行线性拟合得到 Rm = A 3 HV + B ,其中 A = 3. 30 , B = - 9. 52 ,相关系数 R = 0. 998。本试验奥氏体不锈钢的维氏硬度和对应的抗拉强度数据也大致符合线性关系分布 ,进行线性拟合 ,得到维氏硬度与抗拉强度的关系式为 Rm = A 3 HV + B ,A = 2. 10 , B = 252. 46 ,相关系数 R = 0. 956 ;维氏硬度与屈服强度的关系式为: RP0. 2 = A 3 HV + B ,其中A = 3. 40 , B = - 212. 90 ,相关系数 R = 0. 988。

                       图3 　  不同材料维氏硬度与强度的拟合曲线

      比较 GB/ T 1172 - 1999 中有关维氏硬度和抗拉强度数据换算的回归关系式和本试验数据的回归关系式,发现前者的斜率( A = 3. 30)要大于后者的( A = 2. 10) ,在国家标准中硬度换算范围的下限为226 HV ,而本试验中最低硬度值为 129 HV。还应该说明的是 ,硬度与强度是性质不同的两个物理量 ,两者之间不一定存在必然的一一对应关系 ,但研究得到的经验性换算关系式可以对工程应用做出重要贡献。

三、结论                                                                            

3.1 奥氏体不锈钢的里氏硬度与维氏硬度的拟合结果可表达为幂函数关系 ,也可表述为线性关系;幂函数式为 HV = 0. 001 5 3 HL- 1. 95,相关系数 R =0. 955 ;线性关系式为 HV = 0. 96 3 HL - 200. 78 ,相关系数 R = 0. 980。

3.2 奥氏体不锈钢的里氏硬度与屈服强度和抗拉强度之间符合线性关系 ,其回归关系式为 RP0. 2 =3. 38 3 HL - 941. 16 ,相关系数 R = 0. 981 ; Rm =2106 3 HL + 116. 01 ,相关系数 R = 0. 938。

3.3 奥氏体不锈钢的维氏硬度与屈服强度和抗拉强度之间符合线性关系 ,其回归关系式为RP0. 2 =3. 40 3 HV - 212. 90 ,相关系数 R = 0. 988 ; Rm =2110 3 HV + 252. 46 ,相关系数 R = 0. 956。