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)

試驗(yàn)技術(shù)與方法

SA210C無(wú)縫中碳鋼管帶狀組織的評(píng)定方法

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)

在鍋爐廠的產(chǎn)品驗(yàn)收工作中，鍋爐和過(guò)熱器用SA210C無(wú)縫中碳鋼管帶狀組織的評(píng)定比較重要。但GB/T 13299-1991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(zhēng)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(zhēng)議時(shí)使用該方法可有效減少誤判。SA210C為ASME(美國(guó)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/T 13299-1991對(duì)帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，遇到爭(zhēng)議時(shí)再依據(jù)ASME E1268-01(2016)進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

SA210C鋼管；帶狀組織；評(píng)定方法；GB/T 13299-1991；ASTM E1268-01(2016)

在鍋爐和過(guò)熱器用SA210C無(wú)縫中碳鋼管中，帶狀組織是一種常見(jiàn)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/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)標(biāo))，選取最嚴(yán)重的視場(chǎng)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(zhēng)議，尤其是當(dāng)評(píng)定結(jié)果在界限值的時(shí)候。

ASTM E1268-01(2016)StandardPracticeforAssessingtheDegreeofBandingorOrientationofMicrostructures[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)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(lái)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(wú)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)選擇過(guò)程中可以在內(nèi)壁選擇5～6個(gè)視場(chǎng)。以SA210C鋼管內(nèi)壁的其中一個(gè)視場(chǎng)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ZEISS Imager.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(zhǎng)度均為780 μm×13=10 140 μm，即實(shí)際測(cè)試線的總長(zhǎng)度為20.28 mm。顯微形貌放大倍數(shù)為100倍，即測(cè)試線的長(zhǎng)度為2 028 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)格線總長(zhǎng)度不小于500 mm的要求?？筛鶕?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(cè)量線穿過(guò)的晶?；驂K狀物數(shù)量偏少，而加大測(cè)量誤差。

圖1 SA210C鋼管內(nèi)壁的帶狀組織形貌Fig.1 Morphology of banding structure of the inner wall of the SA210C steel tube

1.2 計(jì)數(shù)規(guī)則

ASTM E1268-01(2016)中使用測(cè)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?；蛩槠膫€(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。

圖2 顯微組織的特征物數(shù)(N)和特征物交點(diǎn)數(shù)(P)計(jì)算示意圖Fig.2 Illustration of the counting of particle interceptions (N) and boundary intersections (P) for the microstructure: (a) particle interceptions (N) ; (b) boundary intersections (P)

N的計(jì)數(shù)規(guī)則有以下4點(diǎn)：①如果測(cè)試網(wǎng)格線穿過(guò)兩個(gè)或多個(gè)連續(xù)的顆粒、晶?；蛳?穿過(guò)的顆粒間無(wú)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(cè)試線與顆粒、晶粒相切時(shí)，N計(jì)為0.5；③當(dāng)測(cè)試線末端在特征物內(nèi)時(shí)，N計(jì)為0.5；④當(dāng)測(cè)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(zhǎng)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(cè)試線長(zhǎng)度10.14 mm，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(chǎng)(共選擇5個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量)計(jì)算同上，相應(yīng)參數(shù)如表1所示，其中S為n次測(cè)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(jiàn)式(1)～(3)。相對(duì)精度RA是對(duì)受視場(chǎng)影響的數(shù)值每次測(cè)量誤差的評(píng)價(jià)，RA≤30%為適當(dāng)值，否則需要增加測(cè)量次數(shù)來(lái)降低RA。

(1)

式中：t為與測(cè)試次數(shù)相關(guān)的參數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

(2)

(3)

表1 使用美標(biāo)評(píng)定的SA210C鋼管帶狀級(jí)別

表2 計(jì)算95%置信區(qū)間的t值

2 美標(biāo)與國(guó)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(chǎng)與國(guó)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(chǎng)的鐵素體-珠光體條帶較多，但鐵素體并沒(méi)有變形，說(shuō)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(guò)程中鐵素體沿變形方向呈方向性排列，按照國(guó)標(biāo)根據(jù)變形鐵素體的含量以及貫穿視場(chǎng)的程度來(lái)評(píng)級(jí)，沒(méi)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(chǎng)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(gòu)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(zhēng)議，造成產(chǎn)品不合格，不能及時(shí)流轉(zhuǎn)。

圖3 實(shí)際帶狀組織與標(biāo)準(zhǔn)圖譜的比對(duì)Fig.3 Comparison of the actual banding structure and the standard map:(a) actual banding structure; (b) standard map (level 3)

從上述分析可看出,國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(jué)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(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，降低了國(guó)標(biāo)中人為評(píng)定引入的誤差，得到的結(jié)果較國(guó)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(chǎng)的帶狀級(jí)別為3.2，且最終5個(gè)視場(chǎng)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(gòu)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(guó)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(jiàn)使用美標(biāo)計(jì)算帶狀級(jí)別的準(zhǔn)確性較高。

表3 使用國(guó)標(biāo)評(píng)定的SA210C鋼管帶狀級(jí)別

4 結(jié)論

(1) 國(guó)標(biāo)中評(píng)定帶狀組織的方法雖然方便快捷，但少了定量分析作為支撐，在實(shí)際檢驗(yàn)遇到界限值時(shí)容易產(chǎn)生爭(zhēng)議，而美標(biāo)中的方法雖然操作復(fù)雜，但可以進(jìn)行定量分析，在解決爭(zhēng)議問(wèn)題時(shí)起到關(guān)鍵作用。

(2) SA210C鋼管為ASME(美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì))鋼種，在實(shí)際工作中選用美標(biāo)作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。但該標(biāo)準(zhǔn)方法相對(duì)比較復(fù)雜，在實(shí)際工作中推廣存在困難，因此可以采用先依據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，遇到爭(zhēng)議時(shí)再依據(jù)美標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

[1] GB/T 13299-1991 鋼的顯微組織評(píng)定方法[S].

[2] ASTM E1268-01(2016) Standard practice for assessing the degree of banding or orientation of microstructures[S]

Evaluation Methods for Banding Structure of SA210C Seamless Medium Carbon Steel Tubes

CAI Yu, ZHANG Wei, DAI Minming, GE Qiang

(Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co., Ltd., Changzhou 213200, China)

In the product acceptance work of boiler factories, the evaluation of banding structure of SA210C seamless medium carbon steel tubes used for boilers and superheaters was relatively important. But in GB/T 13299-1991, the description of banding evaluation was ambiguous, and difficulties existed in the practical application. The controversy was prone to occur when the test results were boundary values. But in ASTM E1268-01(2016), although the calculation was complex, the method could evaluate the banding degree of materials quantitatively. It could reduce the misjudgment in the face of controversy. SA210C was one type of ASME (American Society of Mechanical Engineers) steels, thus selecting ASTM E1268-01(2016) as an inspection standard was more accurate in the actual work. But in consideration of difficulties in popularization, GB/T 13299-1991 could be used to evaluate the banding structure in daily work, and ASME E1268-01(2016) could be used to verify the results in face of controversy.

SA210C steel tube; banding structure; evaluation method; GB/T 13299-1991; ASTM E1268-01(2016)

10.11973/lhjy-wl201705005

2016-09-05

蔡 煜(1984-)，女，工程師，主要從事金相化學(xué)分析工作，cai_caiyu2001@163.com

TG115.2

A

1001-4012(2017)05-0322-03