分享：ZG230－450铸钢基尔试块断后伸长率不合格原因

基尔试块用于同熔炼炉浇注、同炉热处理后铸件的力学性能测试,试样通常是在每包钢液开始浇注至浇注到25%之间制取。ZG230－450是铸造碳钢,具有较好的铸造性能和焊接性能,且成本低,是机车车辆结构件生产中的常用材料。某熔炼炉浇注的ZG230－450铸钢基尔试样是在铸件浇注完成后,由剩余钢液浇注而成。该基尔试样随铸件正火后,将其制备成原始直径d0为10 mm的拉伸试样,用于测试该批次铸件的力学性能。 

对ZG230－450铸钢试样进行力学性能测试,结果如表1所示。由表1可知：试样的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率均符合TB/T 2942.1—2020 《机车车辆用铸钢件 第1部分：技术要求及检验》的要求,而试样的断后伸长率不符合标准要求。 

笔者采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、扫描电镜(SEM)与能谱分析、金相检验等方法对其断后伸长率不合格原因进行分析。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

ZG230－450铸钢试样断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：试样在拉伸载荷作用下,裂纹起源于心部,形成小面积的纤维区；裂纹扩展区断面凹凸不平,呈粗大晶粒状形貌,无金属光泽,呈典型的石状断口特征,说明裂纹沿初生奥氏体晶界扩展,直至试样断裂。 

图  1  ZG230－450铸钢试样断口的宏观形貌

1.2   化学成分分析

截取拉伸试样夹持端,对其进行化学成分分析,结果如表2所示。由表2可知：ZG230－450铸钢试样的化学成分符合企业标准要求。 

1.3   扫描电镜及能谱分析

对ZG230－450铸钢试样断口进行SEM分析,结果如图2所示。由图2可知：裂纹源区呈穿晶韧窝特征；裂纹扩展区呈沿晶特征,晶粒粗大,为毫米级,晶面上可观察到较浅的韧窝；扩展区沿晶韧窝底部可观察到第二相质点。 

图  2  ZG230－450铸钢试样断口的SEM形貌

对沿晶韧窝底部的第二相质点进行能谱面扫描分析,结果如图3所示。由图3可知：第二相质点主要含S、Mn元素,因此沿晶韧窝底部的第二相质点为MnS夹杂物。 

图  3  第二相质点能谱面扫描分析结果

1.4   金相检验

在ZG230－450铸钢试样断口附近取样,将其置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：该试样的非金属夹杂物为Ⅰ、Ⅲ型细系1级,Ⅳ型1.5级,符合TB/T 2942.1—2020附录B的要求；试样的显微组织为8级晶粒度铁素体＋细小块状珠光体,符合TB/T 2942.2—2018 《机车车辆用铸钢件 第2部分：金相组织检验图谱》第4评级图正火4级要求。 

图  4  ZG230－450铸钢试样断口微观形貌

2.   综合分析

由上述理化检验分析结果可知：ZG230－450铸钢基尔试块的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、化学成分以及显微组织均符合标准要求,而断后伸长率为19%,不符合标准要求；在拉伸试验过程中,试样承受轴向拉伸应力,裂纹起源于断口心部,形成小面积的纤维区,随后裂纹沿初生奥氏体晶界扩展、断裂,最终形成穿晶韧窝＋沿晶韧窝混合型石状断口,造成拉伸试样断后伸长率不合格。细小点状的MnS夹杂物沿初生奥氏体晶界析出,弱化了晶界结合力,是形成石状断口的根本原因[1]。 

铸钢中MnS为Ⅱ型夹杂物,一般呈点条状或点网状分布于初生奥氏体晶界中,对铸钢基体起割裂作用。在对ZG230－450铸钢试样的非金属夹杂物进行检测时,仅观察到Ⅰ、Ⅲ型球状氧化物和Ⅳ型Al2O3树枝晶形夹杂物,并且夹杂物级别不高,符合标准要求；用光学显微镜观察整个受检面,均未观察到点条状或点网状的MnS,在断口中却观察到MnS偏聚于初生奥氏体晶界,这说明MnS呈极细小的点状,沿初生晶界弥散析出。铸件由液态开始冷却时,首先形成粗大的奥氏体Fe枝晶,随着凝固过程不断进行,Mn、S元素将不断在枝晶间富集、偏聚,当达到一定过饱和度时,MnS开始形核并不断长大[2]。MnS夹杂物的形态、数量、尺寸、分布受铸件冷却速率的影响较大。当冷却速率较慢时,MnS聚集、粗化,形成沿晶界分布的点条状,即Ⅱ型MnS；当冷却速率较快时,由于元素偏析程度低,MnS可在其他氧化物表面发生异质形核并长大,呈点状分布于晶内,来不及在晶界析出,形成Ⅰ型MnS[3]。Ⅰ型和Ⅱ型MnS虽然对材料的力学性能产生不利影响,但不会形成石状断口。只有当铸件中S元素含量与冷却速率达到某一临界值时,细小的MnS质点才会沿初生奥氏体晶界析出。在力学性能测试过程中,沿初生奥氏体晶界弥散析出的MnS弱化了晶界结合力,使晶界强度低于晶内强度,裂纹沿初生奥氏体晶界扩展,最终形成石状断口。由上述分析可知,试样的化学成分满足企业标准要求,MnS沿初生晶界析出与冷却速率有关,而基尔试块的冷却速率直接受浇注温度的影响。 

文献[4]指出,MnS夹杂物的固溶温度一般为1 320 ℃,用热处理的方法难以消除石状断口。大型铸件的本体冷却速率较慢,MnS通常以点条状分布于铸件中,因此可对最后浇注的铸件本体进行检测,以评价该批次铸件的力学性能。 

3.   结论与建议

由于浇注温度偏低,细小点状MnS夹杂物沿初生奥氏体晶界弥散析出,弱化了晶界结合力,在拉伸应力的作用下,形成了大面积的沿晶韧窝型石状断口,造成ZG230－450铸钢基尔试块断后伸长率不合格。 

在生产中可通过降低钢液中S元素含量、提高基尔试块的浇注温度、制定合理规范的操作制度等措施来改善ZG230－450铸钢基尔试块的力学性能。 

文章来源——材料与测试网