奥氏体不锈钢里氏硬度、维氏硬度与强度的换算关系 陈兵川，李光福，杨武 （上海材料研究所，上海） 摘要：为了通过硬度计算材料的强度，在不同条件下测试了核电站使用的几种奥氏体不锈钢的里氏硬度、维氏硬度、屈服强度和抗拉强度。对数据进行曲线拟合分析，得到它们之间的回归关系。结果表明：奥氏体不锈钢的里氏硬度HL与维氏硬度HV之间符合幂函数关系或直线关系；硬度与屈服强度、抗拉强度之间符合线性关系。 关键词：奥氏体不锈钢；里氏硬度；维氏硬度；强度；回归关系 中图分类号：TB938.2 文献标识码：A 文章编号：(2009) ess,,, (,, China):,,,died..,.:teel;;;;引言核电站所用材料的屈服强度和抗拉强度是关键的设计指标。此外，这些参数还有助于预测材料加工硬化部位的应力腐蚀开裂敏感性[1-2]。
但实际构件在经过弯曲、矫直、磨削等加工之后，用常规的破坏性拉伸试验已经无法获得局部的这些强度值。因此，采用简便、快速、几乎无损的硬度试验获取硬度值，再利用相对可靠的换算公式估算实际构件材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能，具有现实意义。收稿日期：；修回日期：资助项目：国家重点基础研究专项基金项目()；上海市科委国际合作基金项目()作者简介：陈冰川(1985-)，男，江西九江人，硕士生。导师：**傅教授里氏硬度计是一种新型的动态硬度测试方法，具有测试精度高、设备体积小、操作简便、携带方便、测量范围广等特点，常用于现场大型构件的硬度测定。前期研究表明，里氏硬度与硬度、强度等力学性能之间存在一定的规律性，并得到了多种材料的硬度与强度的换算公式[3-8]。同时，国家标准中也有硬度与强度的换算表，如GB/T1172-1999、GB/T1172-1998等。但由于材料种类、硬度测量原理的差异，很多研究报告并没有针对不同材料给出统一的换算公式，在实际使用中，选择合适的公式非常重要。
奥氏体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能而在核电站中得到广泛的应用。目前，关于奥氏体不锈钢硬度与强度的换算关系研究很少，国家标准提供的换算表中也缺少这种换算表。因此，作者对几个国家核电站用奥氏体不锈钢的里氏硬度、维氏硬度和强度进行了测试，并在此基础上研究了该类材料的里氏硬度、维氏硬度与强度的换算关系。1 试样制备与试验方法试验材料核电站用的奥氏体不锈钢包括我国目前使用的304NG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。化学成分如表1所示。另外，为了模拟核电站服役条件下加工硬化和辐射敏化对材料力学性能的影响，部分不锈钢试样进行了敏化处理（在钢号后加S表示，其中304LS的敏化工艺为650℃×100h空冷+550℃×200h空冷，316LS的敏化工艺为700℃×30h空冷+620℃×400h空冷）或加工变形处理（WR表示温轧，CW表示冷轧）。牌号表示抗拉强度达到200-250℃温轧，室温冷轧抗拉强度为，室温冷轧抗拉强度为，200-250℃温轧抗拉强度为。
该厂固溶退火工艺为1100℃加热,水冷。表1 实验所用奥氏体不锈钢化学成分(质量分数)表。(质量)%材料.012 0.69 1.46 0.005 0.006 18.55 12.08 --.024 0.46 1.45 0.009 0.001 19.53 9.90 -0。 0. 025 0. 25 1. 83 0. 032 0. 009 18. 02 11. 99 2. 44 0. 0. 012 0. 69 1. 39 0. 013 0. 005 16. 43 13. 86 2. 18 -日本核电使用的304L和316L强度数据来源于文献[9]；304NG和316LN钢的屈服强度和抗拉强度由作者采用MYB拉伸试验机测定。试样尺寸为短比例拉伸试样，标距长度为20 mm。试验前将标距部分用4号砂纸打磨，最后一张砂纸沿轴向打磨，避免出现影响试验结果的周向划痕。采用里氏硬度计。按照GB/T 4340.1-1998，采用适用于大多数场合的D型冲击装置测试里氏硬度（HL）；采用Zwick/Roell压痕硬度计。按照GB/T 4340.1-1999，进行维氏硬度（HV）试验。载荷为98 N，保持时间为10 s。
锯床切割的里氏硬度、维氏硬度试件厚度符合国家标准要求，经过150#、500#水砂纸打磨、机械抛光、电化学抛光等加工工序，测试500#水砂纸打磨、机械抛光、电化学抛光等表面条件下的硬度值。每个试件在不同表面条件下测试9点里氏硬度、5点维氏硬度，取平均值作为该表面条件下的里氏硬度、维氏硬度。点间距符合相应国家标准。由于奥氏体不锈钢拉伸曲线中无明显屈服平台，因此采用非比例拉伸强度Rp0.2来表征材料的屈服强度。 2 试验结果与讨论 2.1 里氏硬度与维氏硬度的换算关系表2中括号前的数据为电化学抛光后的硬度值，括号内的数据为500#水砂纸磨削、机械抛光后的硬度值。带3的数据均来自文献[9]。从表2可以看出，里氏硬度（HL）、维氏硬度（HV）和强度（Rp0.2、Rm）的变化有一定的规律，当里氏硬度值增大时，对应的维氏硬度值和强度同时增大。 294 (312, 316) 530 (521, 539) 340 (326, 342) 95131 346 (354, 339) 133 (140, 137) 277 MA 366 (390, 358) 146 (167, 138) S 352 (355, 351) 140 (138, 139) WR750 518 (523, 514) 285 (291, 287) CW900 553 (554, 547) 315 (294, 312) 530 (521, 539) 340 (326, 342) 95131 346 （354，339） 133（140，137） 277 MA 358（350，358） 149（143，143） S 356（357，355） 140（131，141） WR750 493（480，500） 284（285，280） 将不同材料在不同表面处理条件下的里氏硬度与对应的维氏硬度进行拟合，并根据GB/T1-1998中碳钢、低合金钢、铸钢的里氏、维氏硬度换算表绘制成曲线，将两条曲线放在同一张图上进行比较，如图1所示。
可以看出，奥氏体不锈钢的试验数据及拟合曲线均在碳钢、低合金钢和铸钢的曲线上方，即在相同的里氏硬度下，奥氏体不锈钢的维氏硬度较高。· 8 3 ·陈冰川，等：奥氏体不锈钢里氏硬度、维氏硬度与强度的换算关系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近似为线性或幂函数关系，若拟合为幂函数形式：HV=A3（HL）B，得A=0.000 02，B=2.61。按照数理统计的方法，对变量间的相关系数R进行回归分析[10]，得R=0.996；若采用直线拟合，则关系式为HV=A3HL+B，且A=1.42，B=-457.60，R=01968。通常当R>0.75时，认为拟合结果具有一定的规律性，R值越接近1，拟合程度越高。对比碳钢、低合金钢、铸钢的直线拟合与幂函数关系拟合的R值，可以看出幂函数关系拟合效果优于直线拟合，即里氏硬度与维氏硬度更接近幂函数关系，且幂函数关系能够过原点，因此显得比直线拟合结果更加合理。图1 不同材料里氏硬度与维氏硬度的拟合曲线将实验得到的奥氏体不锈钢里氏硬度与维氏硬度拟合成幂函数形式HV=A3(HL)B时，A=0.0015，B=1.95，相关系数R=0.955；若线性