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10mm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。
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研究人员采用宏观观察、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。
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。
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。
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。
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。
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。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。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。
文献指出，MnS夹杂物的固溶温度一般为1320℃，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。
作者：李明
单位：锦州捷通铁路机械股份有限公司 检测中心
来源：《理化检验-物理分册》2024年第2期
