基爾試塊用于同熔煉爐澆注、同爐熱處理后鑄件的力學性能測試，試樣通常是在每包鋼液開始澆注至澆注到25%之間制取。ZG230-450是鑄造碳鋼，具有較好的鑄造性能和焊接性能，且成本低，是機車車輛結構件生產中的常用材料。某熔煉爐澆注的ZG230-450鑄鋼基爾試樣是在鑄件澆注完成后，由剩余鋼液澆注而成。該基爾試樣隨鑄件正火后，將其制備成原始直徑d0為10mm的拉伸試樣，用于測試該批次鑄件的力學性能。
對ZG230-450鑄鋼試樣進行力學性能測試，結果如表1所示。由表1可知：試樣的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率均符合TB/T 2942.1—2020《機車車輛用鑄鋼件 第1部分：技術要求及檢驗》的要求，而試樣的斷后伸長率不符合標準要求。
圖片
研究人員采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、掃描電鏡(SEM)與能譜分析、金相檢驗等方法對其斷后伸長率不合格原因進行分析。
1、理化檢驗
1.1 宏觀觀察
ZG230-450鑄鋼試樣斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：試樣在拉伸載荷作用下，裂紋起源于心部，形成小面積的纖維區；裂紋擴展區斷面凹凸不平，呈粗大晶粒狀形貌，無金屬光澤，呈典型的石狀斷口特征，說明裂紋沿初生奧氏體晶界擴展，直至試樣斷裂。
1.2 化學成分分析
截取拉伸試樣夾持端，對其進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：ZG230-450鑄鋼試樣的化學成分符合企業標準要求。
1.3 掃描電鏡及能譜分析
對ZG230-450鑄鋼試樣斷口進行SEM分析，結果如圖2所示。由圖2可知：裂紋源區呈穿晶韌窩特征；裂紋擴展區呈沿晶特征，晶粒粗大，為毫米級，晶面上可觀察到較淺的韌窩；擴展區沿晶韌窩底部可觀察到第二相質點。
對沿晶韌窩底部的第二相質點進行能譜面掃描分析，結果如圖3所示。由圖3可知：第二相質點主要含S、Mn元素，因此沿晶韌窩底部的第二相質點為MnS夾雜物。
1.4 金相檢驗
在ZG230-450鑄鋼試樣斷口附近取樣，將其置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：該試樣的非金屬夾雜物為Ⅰ、Ⅲ型細系1級，Ⅳ型1.5級，符合TB/T 2942.1—2020附錄B的要求；試樣的顯微組織為8級晶粒度鐵素體+細小塊狀珠光體，符合 TB/T 2942.2—2018《機車車輛用鑄鋼件 第2部分：金相組織檢驗圖譜》第4評級圖正火4級要求。
2、綜合分析
由上述理化檢驗分析結果可知：ZG230-450鑄鋼基爾試塊的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、化學成分以及顯微組織均符合標準要求，而斷后伸長率為19%，不符合標準要求；在拉伸試驗過程中，試樣承受軸向拉伸應力，裂紋起源于斷口心部，形成小面積的纖維區，隨后裂紋沿初生奧氏體晶界擴展、斷裂，最終形成穿晶韌窩+沿晶韌窩混合型石狀斷口，造成拉伸試樣斷后伸長率不合格。細小點狀的MnS夾雜物沿初生奧氏體晶界析出，弱化了晶界結合力，是形成石狀斷口的根本原因。
鑄鋼中MnS為Ⅱ型夾雜物，一般呈點條狀或點網狀分布于初生奧氏體晶界中，對鑄鋼基體起割裂作用。在對 ZG230-450鑄鋼試樣的非金屬夾雜物進行檢測時,僅觀察到Ⅰ、Ⅲ型球狀氧化物和Ⅳ型Al2O3樹枝晶形夾雜物，并且夾雜物級別不高，符合標準要求；用光學顯微鏡觀察整個受檢面，均未觀察到點條狀或點網狀的MnS，在斷口中卻觀察到MnS偏聚于初生奧氏體晶界，這說明 MnS呈極細小的點狀，沿初生晶界彌散析出。鑄件由液態開始冷卻時，首先形成粗大的奧氏體Fe枝晶，隨著凝固過程不斷進行,Mn、S元素將不斷在枝晶間富集、偏聚，當達到一定過飽和度時，MnS開始形核并不斷長大。MnS夾雜物的形態、數量、尺寸、分布受鑄件冷卻速率的影響較大。當冷卻速率較慢時，MnS聚集、粗化，形成沿晶界分布的點條狀，即Ⅱ型MnS；當冷卻速率較快時，由于元素偏析程度低，MnS可在其他氧化物表面發生異質形核并長大，呈點狀分布于晶內，來不及在晶界析出，形成Ⅰ型MnS。Ⅰ型和Ⅱ型MnS雖然對材料的力學性能產生不利影響,但不會形成石狀斷口。只有當鑄件中S元素含量與冷卻速率達到某一臨界值時，細小的 MnS質點才會沿初生奧氏體晶界析出。在力學性能測試過程中，沿初生奧氏體晶界彌散析出的MnS弱化了晶界結合力，使晶界強度低于晶內強度，裂紋沿初生奧氏體晶界擴展，最終形成石狀斷口。由上述分析可知，試樣的化學成分滿足企業標準要求，MnS沿初生晶界析出與冷卻速率有關，而基爾試塊的冷卻速率直接受澆注溫度的影響。
文獻指出，MnS夾雜物的固溶溫度一般為1320℃，用熱處理的方法難以消除石狀斷口。大型鑄件的本體冷卻速率較慢，MnS通常以點條狀分布于鑄件中，因此可對最后澆注的鑄件本體進行檢測，以評價該批次鑄件的力學性能。
3、結論與建議
由于澆注溫度偏低，細小點狀MnS夾雜物沿初生奧氏體晶界彌散析出，弱化了晶界結合力，在拉伸應力的作用下，形成了大面積的沿晶韌窩型石狀斷口，造成ZG230-450鑄鋼基爾試塊斷后伸長率不合格。
在生產中可通過降低鋼液中S元素含量、提高基爾試塊的澆注溫度、制定合理規范的操作制度等措施來改善ZG230-450鑄鋼基爾試塊的力學性能。
作者：李明
單位：錦州捷通鐵路機械股份有限公司 檢測中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第2期
