SA210C無縫中碳鋼管帶狀組織的評定方法

蔡 煜, 張 偉, 戴敏明, 葛 強

(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司, 常州 213200)

試驗技術(shù)與方法

SA210C無縫中碳鋼管帶狀組織的評定方法

蔡 煜, 張 偉, 戴敏明, 葛 強

(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司, 常州 213200)

在鍋爐廠的產(chǎn)品驗收工作中，鍋爐和過熱器用SA210C無縫中碳鋼管帶狀組織的評定比較重要。但GB/T 13299-1991中對帶狀組織評級的描述比較模糊，實際應(yīng)用存在困難，試驗結(jié)果為界限值時易出現(xiàn)爭議。而ASTM E1268-01(2016)的方法盡管計算復(fù)雜，但能夠定量評定材料的帶狀程度，在遇到爭議時使用該方法可有效減少誤判。SA210C為ASME(美國機械工程師學(xué)會)鋼種，在實際工作中選用ASTM E1268-01(2016)作為檢驗標準更為準確。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對帶狀組織進行評級，遇到爭議時再依據(jù)ASME E1268-01(2016)進行驗證的方法。

SA210C鋼管；帶狀組織；評定方法；GB/T 13299-1991；ASTM E1268-01(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)定了帶狀組織級別，按照GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》[1](以下簡稱國標)，選取最嚴重的視場采用與標準圖片比對的方法進行評級，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，容易出現(xiàn)爭議，尤其是當(dāng)評定結(jié)果在界限值的時候。

ASTM E1268-01(2016)StandardPracticeforAssessingtheDegreeofBandingorOrientationofMicrostructures[2](以下簡稱美標)也對帶狀組織的評級方法進行了規(guī)定，該標準運用類似晶粒度評定中的截點法及數(shù)理統(tǒng)計的方法，來實現(xiàn)鋼中帶狀組織級別的定量評級。筆者依據(jù)該標準對SA210C熱軋無縫中碳鋼管中的帶狀組織級別進行了評定，并與使用國標評定的結(jié)果進行了對比，以此給鍋爐廠的驗收工作提供參考。

1 美標評定帶狀組織級別

1.1 視場及網(wǎng)格線的選擇

在實際檢驗中發(fā)現(xiàn)，SA210C鋼管內(nèi)壁的帶狀組織比較嚴重，因此在視場選擇過程中可以在內(nèi)壁選擇5～6個視場。以SA210C鋼管內(nèi)壁的其中一個視場進行分析，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級軟件功能得到的，平行線與垂直線的間距一致，長度均為780 μm×13=10 140 μm，即實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2 028 mm，滿足標準中網(wǎng)格線總長度不小于500 mm的要求?？筛鶕?jù)試樣的實際情況改變放大倍數(shù)，對于較細的晶粒建議可在放大200倍下進行分析，但不建議使用更高的放大倍數(shù)，會導(dǎo)致測量線穿過的晶?；驂K狀物數(shù)量偏少，而加大測量誤差。

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)格線所截取的獨立顆粒、晶?；蛩槠膫€數(shù))和特征物交點數(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)。由于實際應(yīng)用中計算交點數(shù)的工作量很大，失誤也會很多，因此該分析以計數(shù)N為例。

圖2 顯微組織的特征物數(shù)(N)和特征物交點數(shù)(P)計算示意圖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的計數(shù)規(guī)則有以下4點：①如果測試網(wǎng)格線穿過兩個或多個連續(xù)的顆粒、晶?；蛳?穿過的顆粒間無任何其他的相或組分)，則將它們計為一個特征物(N=1)；②當(dāng)測試線與顆粒、晶粒相切時，N計為0.5；③當(dāng)測試線末端在特征物內(nèi)時，N計為0.5；④當(dāng)測試線完全在特征物內(nèi)時(此情況經(jīng)常發(fā)生在嚴重帶狀材料中)，N計為0.5。

1.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述規(guī)則對圖1中的特征物珠光體進行計數(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，平行線截取特征物(珠光體)的截段數(shù)總和N∥=160個，計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/mm，NL∥=N∥/Lt=160/10.14=15.78個/mm，Lt為實際測試線長度10.14 mm，從而計算出各向異性指數(shù)(帶狀級別)AI=NL⊥/NL∥=49.90/15.78=3.16。其余視場(共選擇5個視場進行測量)計算同上，相應(yīng)參數(shù)如表1所示，其中S為n次測量的標準偏差，95%CI為95%置信區(qū)間，RA為相對精度，SB⊥為帶狀或趨向性相的平均帶寬，計算方法見式(1)～(3)。相對精度RA是對受視場影響的數(shù)值每次測量誤差的評價，RA≤30%為適當(dāng)值，否則需要增加測量次數(shù)來降低RA。

(1)

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

(2)

(3)

表1 使用美標評定的SA210C鋼管帶狀級別

表2 計算95%置信區(qū)間的t值

2 美標與國標評定結(jié)果的對比

對于圖1，選取最嚴重的視場與國標中的標準圖譜進行比對，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別小于4級，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，按照國標根據(jù)變形鐵素體的含量以及貫穿視場的程度來評級，沒有變形鐵素體則可以評為3級。但如果與標準圖譜比對，可直觀看出該視場的帶狀組織比3級標準圖譜中的嚴重，也可判定為3.5級。如果某采購規(guī)程要求帶狀≤3.0級，則0.5級的差別就會引起爭議，造成產(chǎn)品不合格，不能及時流轉(zhuǎn)。

圖3 實際帶狀組織與標準圖譜的比對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,國標是對帶狀組織進行定性分析，主要考慮帶狀貫穿視場的程度，3級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。在標準圖片的闡述方面比較含糊，并且實際試樣的鐵素體與珠光體含量與圖譜的并不完全相同，會導(dǎo)致視覺誤差，從而影響判斷。引入美標可進行輔助判定，是一種定量判斷。美標經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計分析，降低了國標中人為評定引入的誤差，得到的結(jié)果較國標的要精確，具有較高的科學(xué)性，尤其對于評定處于界限值的帶狀組織很有幫助。但該方法的計算量較大，比較耗時。上述案例根據(jù)美標進行評定，該試樣其中一個視場的帶狀級別為3.2，且最終5個視場的平均級別為3.16級，由于結(jié)果大于3.0級，最終按照采購規(guī)程可判定該批產(chǎn)品不合格。

3 美標評定結(jié)果的準確性

為了驗證美標評定結(jié)果的準確性，選取國標中的4級標準圖譜按照上述方法進行評定，結(jié)果如表3所示，可見使用美標計算帶狀級別的準確性較高。

表3 使用國標評定的SA210C鋼管帶狀級別

4 結(jié)論

(1) 國標中評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，在實際檢驗遇到界限值時容易產(chǎn)生爭議，而美標中的方法雖然操作復(fù)雜，但可以進行定量分析，在解決爭議問題時起到關(guān)鍵作用。

(2) SA210C鋼管為ASME(美國機械工程師學(xué)會)鋼種，在實際工作中選用美標作為檢驗標準更為準確。但該標準方法相對比較復(fù)雜，在實際工作中推廣存在困難，因此可以采用先依據(jù)國標對帶狀組織進行評級，遇到爭議時再依據(jù)美標進行驗證的方法。

[1] GB/T 13299-1991 鋼的顯微組織評定方法[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