錳對厚大斷面球鐵力學性能和斷裂韌性的影響

郭二軍　王麗萍　宋良　劉東戎

摘要：研究了錳對厚大斷面球鐵的力學性能及斷裂韌性的影響。研究結果表明，錳含量的增加導致試塊心部的珠光體含量相對較高，在一定程度上緩解了由石墨形態惡化所造成的抗拉強度下降。隨著冷卻凝固速度的降低和錳含量的增加，沖擊斷口形貌和斷裂韌性斷口形貌由韌-脆混合型斷口裂轉變為脆性斷口。利用掃描電鏡動態拉伸原位厚大斷面球鐵中不同基體組織的斷裂過程，珠光體在外力作用下比鐵素體容易萌生裂紋，裂紋往往沿著相鄰的珠光體團交界擴展。珠光體的塑韌性較低且脆性大。厚大斷面球鐵中控制珠光體含量，提高鐵素體含量，可提高球鐵塑韌性。

關鍵詞：厚大斷面球鐵；錳含量；冷卻速度；原位拉伸；斷裂韌性

中圖分類號：TG255 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2015）06-0001-08

0 引言

在厚大斷面球鐵中，錳（Mn）元素是一個極為敏感的元素，當Mn的含量過高時石墨化會受到阻礙。表現為，石墨數量有所下降，石墨形態逐步惡化。在厚大斷面球鐵中，添加Mn元素含量易獲得珠光體組織。珠光體的特性使鑄件的強度、硬度提高，塑、韌性降低，但隨著Mn含量的進一步增加，鑄件的塑性、韌性會明顯下降。盡管已有學者研究了Mn元素對球鐵微觀組織和常規力學性能的影響，但是系統的研究Mn對厚大斷面球鐵（壁厚超過400mm）力學性能和斷裂韌性的影響的文獻尚未發現。

本文的目的是研究Mn添加對大型核乏燃料儲運容器用厚大斷面球鐵的微觀組織和力學性能及斷裂韌性的影響。采用物理模擬法澆鑄了3個不同Mn含量的立方體物理模擬試塊。從立方體鑄塊的邊緣到心部選擇了4個位置以代表典型的厚大斷面球鐵冷卻速度。研究了厚大斷面球鐵中Mn含量對試塊中各典型位置試樣的基體組織、石墨形態及分布以及常規力學性能和斷裂韌性的影響。并利用掃描電鏡動態原位拉伸研究了厚大斷面球鐵中不同基體組織的斷裂過程，為大型核乏燃料球鐵儲運容器用厚大斷面球鐵的制備奠定基礎理論依據。

1 試驗

使用中頻感應電爐里熔化本溪生鐵（牌號為Q12）、75%硅鐵、45號鋼和石墨。使用Ce-Mg-Si球化劑進行球化處理，澆鑄3個厚大斷面球鐵試塊。金屬熔液澆入型砂采用呋喃樹脂砂獲得試樣尺寸為400mm×400mm×400mm的厚大斷面球鐵立方體試塊。3個不同Mn含量的厚大斷面球鐵試塊分別被標記為A、B和C，其化學成分列于表1。試塊中從邊緣到心部選擇了4個位置作為厚大斷面球鐵典型的冷卻凝固速率，這四個測溫以及取樣位置如圖1所示。從三個試塊不同4個位置上取樣，分別標記為A₁，A₂，A₃；B₁，B₂，B₃；C₁，C₂和C₃。采用鉑銠熱電偶和測溫系統進行測溫。

采用OLMYPUS-GX71型光學顯微鏡觀察球鐵基體組織和石墨形態。采用Philips-FEIsirion掃描電鏡對沖擊、拉伸、斷裂韌性試樣進行斷口觀察分析。拉伸試驗在室溫下使用拉伸試驗機（Instron-1186）進行，依據標準GB228-2002，拉伸速率為8mm/min。無缺口沖擊試驗在室溫下使用沖擊試驗機（JBN-300B）進行，依據標準GB229-2007，斷裂韌性在室溫下使用MTS809電液伺服材料試驗機測試，依據標準GB/T4161-2007，取樣方向均為S-L方向。斷裂韌性測試用緊湊拉伸CT試樣，尺寸如圖2所示，試樣尺寸滿足條件2

原位拉伸試驗采用S-570型掃描電鏡及附加的拉伸臺在室溫下進行掃描電鏡動態拉伸原位觀察，該拉伸臺采用電機驅動手控加載，最大拉伸載荷為10kg，最大拉伸距離為5mm。試樣制備過程如下：

1）樣坯的制備：用線切割方法切出長38mm，寬12mm，厚0.2mm的試樣毛坯，在毛坯中部使用線切割開出一個深為0.5mm的缺口作為預制裂紋。

2）樣坯的減薄：將試樣毛坯粘貼在試驗臺上，依次使用金相砂紙打磨，最后使用6號金相砂紙將試樣打磨至0.1mm厚。

3）拋光：使用Cr₂O₃水溶液在拋光機上對試樣進行拋光，拋光后使用5%的硝酸酒精溶液腐蝕，顯示出試樣的基體組織。將制備的拉伸試樣裝入拉伸臺，放入掃描電鏡中，逐步手動加載，在缺口附近觀察裂紋的萌生及擴展過程。

2 結果和討論

2.1 Mn對厚大斷面球鐵石墨形態的影響

圖3為3個試塊中4個位置的冷卻曲線。由于使用了同一個物理模擬方法，3個試塊的冷卻條件都相同，因此，圖3的冷卻曲線為3個鑄塊不同位置的凝固曲線。由圖可知，冷卻速度由快到慢的位置次序為：位置l，位置2，位置3和位置4。其中，位置3和位置4的凝固時間都超過250min。

圖4、圖5和圖6所示分別為3個試塊中4個位置的石墨形態組織圖片。由圖4可知，試樣A₁的石墨形態最為圓整，隨著冷卻速度的降低，試樣A₂和A₃的石墨球直徑逐漸增大，石墨形態也逐漸惡化。試樣A₄的石墨形態只有少量球狀石墨，石墨主要以團狀、碎塊狀存在。觀察圖5可見，試樣B₁的石墨形態主要為球狀石墨和團絮狀石墨以及蠕蟲石墨為主，隨著冷卻速度的降低，試樣B₂和B₃的石墨形態逐漸惡化，開始出現了碎塊狀石墨。試樣B₄的石墨形態幾乎全部為碎塊狀石墨，并可觀察到少數蠕蟲石墨和團狀石墨。如圖6（a）所示，試塊的邊緣試樣C₁的石墨形態為球狀石墨和團狀石墨以及少量碎塊狀石墨。隨著冷卻速度的降低，產生了大量的碎塊狀石墨，試樣C₂的石墨形態為碎塊狀石墨和少量的球狀石墨，示于圖6（b）。隨著冷卻速度的進一步降低，試樣C₃的石墨形態進一步惡化，出現了團絮狀石墨，石墨形態以碎塊狀石墨和團絮狀石墨為主，如圖6（c）所示。試塊中心試樣C₄的石墨形態為大量的碎塊狀石墨。