铬镍钼铜高强度铸钢断口缺陷分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1984.03.004 北京钢铁学院学报 1984年第3期 铬镍钼铜高强度铸钢断口缺陷分析 铸工教研室高瑞珍赵雨 摘 要 在镍铬钼铜低合金高强度铸钢的生产中经常因出现异常断口而降低铸件的塑性和韧性。 这种断口缺陷无法用热处理办法消除。作为一种冶金缺陷，探讨其产生的原因和消除办法是 生产急待解决的问题。本文以扫描电镜为主要工具，对这种断口的性质、特征和产生的原 因作了初步探讨。 实验的结果认为：铬镍钼铜低合金高强度铸钢中的异常断口为贝壳状断口。它的宏断形 貌是淡灰色无金属光泽的碎石状粗晶组织，微观形貌是大小不等的韧窝，属于韧性晶界断裂。 产生贝壳状断口的原因是第二类硫化物和氮化钛的沿晶分布，它降低了晶间结合力并作 为裂纹的核心，促使晶间断裂的产生和发展。 加入稀土和硅钙可以控制硫化物形态和消除贝壳状断口。 一、前言 生产屈服强度为70~80kg/mm?级的低合金高强度钢铸件时，除要求化学成分和机械 性能合乎标准外，还要求断口的纤维量（最大壁厚130mm)大于80%。某厂生产的铸钢件 在尺寸为130×130×300mm试块的断口检查中，纤维状断口仅达到20~30%，其余均为非 正常断口。这种异常断口用热处理的办法无法消除。它的出现给铸件的塑性和韧性带来不利 的影响。作为一种冶金缺陷探讨其产生的规律和消除办法，是生产上急待解决的问题。本文 以扫描电镜为主要工具，对这种断口的性质、特征和产生的原因作了初步探讨。 二、实验方法 试验材料为铬镍钼铜低合金钢，含有微量的钛(0.03%)和稀土(0.015%)，在碱性 电弧炉中熔炼，用铝终脱氧。 用130×130×300mm的试块做断口检查。从不同断口处截取10×10×55mm的U形缺口 试样做冲击试验，以检查断口对材料韧性的影响。用打断后的冲击试样作断口形貌的微观分 析。试样均经过950℃×7小时空冷，900℃×7小时水冷和650×10小时水冷的正火和调质处理。 用扫描电镜观察断口形貌，用X射线波长谱仪测定合金元素的枝晶偏析。偏析比Is用枝 晶间溶质最大含量和枝干间溶质最小含量之比表示，即：Is=Cmax/Cmin。 23

北 京 钢 铁 举 院 学 报 年 第 期 铬镍钥铜高强度铸钢断 口 缺陷分析 铸工 教研 室 离瑞珍 赵 雨 摘 要 在镍铬钥铜低 合金 高强度铸钢 的生 产中经常因出现异常断 口 而降低铸件 的塑性和 韧性 。 这 种断 口 缺 陷无 法用热 处理办法消除 。 作为一种冶金 缺 陷 ， 探讨 其产生的原 因和 消除办法是 生 产急待解决的问 题 。 本 文 以扫描电镜 为主 要工 具 ， 对这 种断 口 的性质 、 特 征和 产 生 的 原 因作了初 步探讨 。 实验的结果 认为 铬镍钥 铜低合金高强度铸钢 中的异常断 口 为贝壳状 断 口 。 它 的 宏断形 貌是淡灰 色无 金属 光 泽的碎石状粗 晶组织 ， 微观形 貌是大小 不 等的韧窝 ， 属 于 韧 性 晶界断 裂 。 产生贝 壳状断 口 的原因是 第二 类硫化物和 氮化钦 的沿 晶分布 ， 它降低 了 晶 间结 合力并 作 为裂纹 的 核心 ， 促使 晶间断裂 的产生和发 展 。 加入 稀土 和 硅 钙可 以控 制硫化物形 态和 消 除贝壳状断 口 。 一 、 前 口一叫 口 生产屈 服强 度 为 一 “ 级的低合金 高强 度钢铸件时 ， 除要求化学成分 和机械 性能合乎标准外 ， 还 要求断 口 的纤维量 最大壁 厚 大于 。 某厂 生 产的 铸钢件 在尺 寸 为 。 。 试块 的断 口 检查 中 ， 纤维状断 口 仅 达 到 ， 其余均 为非 正常断 口 。 这 种异常断 口 用 热 处理 的办法无法消除 。 它 的 出现给铸件的 塑性 和 韧性带来 不利 的影 响 。 作 为一 种冶金 缺 陷探讨 其产生的规 律和 消除办法 ， 是 生 产 上急待解决 的问题 。 本文 以扫描 电镜 为主 要 工具 ， 对这 种断 口 的性质 、 特 征和 产生 的原 因作 了初 步 探讨 。 二 、 实验 方 法 试验材料 为铬镍钥 铜低 合金 钢 ， 含有微量 的钦 和 稀土 ， 在碱性 电弧炉 中熔炼 ， 用 铝 终脱氧 。 用 的试块做断 口 检查 。 从不 同断 口 处截取 的 形缺 口 试样做冲 击试验 ， 以检查断 口 对材料韧 性 的影响 。 用打 断后 的 冲击试样 作断 口 形 貌的 微 观分 析 。 试样 均经过 ℃ 小 时空冷 ， ℃ 小时水 冷和 叼 、 时水冷 的正火和 调 质处理 。 用 扫描 电镜观 察断 口 形 貌 ， 用 射线 波长谱 仪测定合金 元素 的枝 晶偏 析 。 偏 析比 用 枝 晶间溶质最大含量 和 枝干 间溶质最小含量 之 比表示 ， 即 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．03．004

非金属夹杂物用光学显微镜测定其光学性质，用扫描电镜观察其形貌并用能谱仪测定其 成分。 三、试验结果 1.断口分析 断口的宏观形貌是由纤维状断口和异常断口组成。纤维状断口呈暗灰色，无金属光泽， 看不到颗粒形状。异常断口的特征是 颜色浅灰，无金属光泽，表面高低不 平，由许多粗大的沿晶界断裂面组 成，形状似碎石块一般。见图1。 纤维状断口位于试块的表面，异 常断口出现于试块的内部和中心。 经过测量，纤维状断口占断口总 面积的32%，异常断口占68%。 由断口处取金相试样在显微镜下 观察，异常断口区的磨片上发现裂纹 沿着奥氏体晶界，穿过非金属夹杂物 图1断口的宏观形貌 向前延伸。如图2所示。而纤维断口 区则观察不到裂纹。 将冲击试样的断口在扫描电镜下 观察，进行断口形貌的微观分析。发 现纤维状断口和异常断口都由大小不 等的韧窝组成，韧窝底部有圆形和方 形及枝晶排列的各种夹杂物。经X射 线能谱分析，证明圆形夹杂物为稀土 硫化物和稀土氧化物，方形夹杂物为 图2穿过夹杂物的沿晶裂纹 氨化钛，成枝晶排列的是第二类硫化 物。纤维状断口与异常断口微观形貌的主要差别是前者韧窝大而深，大小均匀，后者韧窝小 而浅，大小不均匀。（见图3、图4）说明前者的韧性大于后者。后者小而密布的韧窝， 说明有第二相质点密集，并有明显的沿晶断裂特征。裂纹由微孔洞聚集而成。 以上观察说明，异常断口断裂的途径是沿奥氏体晶界的，属于韧性沿晶断裂。 由纤维状断口开始向异常断口方向顺序取6个U形缺口冲击试样检查断口对材料韧性的 影响，试验结果如表1所示。 断口由纤维状变为异常断口后，冲击韧性逐步下降，由22kg·m/cm2下降到14kg·m/ cm2,下降了t。 2.成分偏析检查 （1)宏观偏析 由纤维状断口处向异常断口选择不同区域作了A1,Ti,RE,P,S,五元素的成分分 析，结果见表2： 24

非金属夹杂 物用 光 学显 微 镜测定 其光学性 质 ， 用 扫描 电镜观察 其形 貌 并用 能谱 仪测定 其 成分 。 三 、 试验 结果 断 口 分 析 断 口 的宏观 形 貌 是 由纤 维状 断 口 和 异常断 口 组成 。 纤 维状断 口 呈 暗灰 色 ， 无 金属 光 泽 ， 看不 到颗 粒 形 状 。 异 常断 口 的 特 征 是 颜 色浅灰 ， 无 金属 光 泽 ， 表面 高低不 平 ， 由 许 多 粗大 的沿 晶界断 裂面 组 成 ， 形 状 似 碎石块 一般 。 见 图 。 纤维 状 断 口 位于 试块 的 表面 ， 异 常断 口 出现于 试块 的 内部和 中心 。 经过 测 量 ， 纤维状断 口 占断 口 总 面 积 的 ， 异常断 口 占 。 由断 口 处取 金相 试 样 在显微 镜下 观 察 ， 异常断 口 区 的磨片 上发 现裂纹 沿 着奥 氏体 晶界 ， 穿过 非金 属 夹 杂 物 向前延 伸 。 如 图 所 示 。 而纤 维断 口 区 则观 察不 到裂 纹 。 将冲击试样 的断 口 在 扫描 电镜 下 观 察 ， 进行 断 口 形 貌 的 微 观 分析 。 发 现纤 维状 断 口 和 异常 断 口 都 由大小 不 等的韧 窝组成 ， 韧 窝底 部有 圆形和 方 形 及枝 晶排 列 的各种夹 杂 物 。 经 射 线 能谱分析 ， 证 明 圆形夹 杂物 为稀 土 硫化物和 稀 土 氧化物 ， 方形夹 杂 物为 氮化钦 ， 成枝 晶排 列 的是 第二 类硫 化 图 断 口 的宏 观 形 貌 暴辉 图 穿过 夹杂物的沿 晶裂纹 物 。 纤维状 断 口 与异 常断 口 微 观形 貌的主 要 差别 是前者 韧 窝大 而深 ， 大 小均 匀 ， 后者 韧 窝小 而浅 ， 大小不 均 匀 。 见 图 、 图 说 明前者 的韧 性大于后 者 。 后者 小 而密布 的 韧 窝 ， 说 明有第二 相质点密 集 ， 并有明显 的沿 晶断 裂特征 。 裂 纹 由微孔 洞 聚集而成 。 以 上观 察说 明 ， 异 常断 口 断裂 的途径 是沿 奥 氏体 晶界的 ， 属 于韧 性沿 晶断 裂 。 由纤 维状 断 口 开 始 向异 常断 口 方 向顺 序取 个 形 缺 口 冲 击试样检 查断 口 对材料韧性 的 影响 ， 试验 结果如 表 所示 。 断 口 由纤维 状 变 为异常断 口 后 ， 冲击韧性逐 步下降 ， 由 ’ “ 下降 到 · “ ， 下降 了古 。 成分偏析检查 宏观偏析 由纤维状断 口 处 向异 常断 口 选 择不 同区域 作 了 ， ， ， ， ， 五 元 索的 少戈分 分 析 ， 结果 见 表

255182●K050U 20州. 19KU 50 006 图3纤维状断口的微观形貌×500 图4异常断口的微观形貌×500 表1 取样部位 纤维状断口 纤维状一异常 断口过渡区 常断 试样 编号 1# 2# 3* 4# 5# 6# kg·m/cm2 冲击值aK 22 21.84 20.7 19.4 17.2 14 表2 元素 AI Ti RE P 分析区域 1#(纤维状区) 0.03 0.03 0.015 0.013 0.009 2“纤维状一异常 断口过渡区) 0.04 0.03 0.017 0.014 0.009 3#(异常断口区) 0.03 0.03 0.015 0.013 0.009 分析结果表明，除纤维状断口一异常断口的过渡区A1,P,RE略高一些外，基本无 宏观成分偏析。 (2)微观偏析 用奥勃试剂腐蚀试样，在光学显微镜下观察，发现试样虽然经过正火和调质处理，但仍 然存在明显的枝晶偏析（见图5、图6），而且异常断口的枝晶偏析比纤维断口的要严重。 前者完整地保留了铸态的枝晶结构，而后者的枝晶组织只是隐约可见。 为了精确测定试样的枝晶偏析，在JEOL,JC×A-733X射线波长谱仪上测试了不同断 I1处枝干和枝晶间Cr,Mo,Ni,A1,Ti的含量，各测10点，取其平均值，并计算了其偏 析度Is。实验结果见表3。 从表3可以乃出异常断口处Cr,Mo,Ni,Cu的偏析比Is都比纤维断口处大。 25

图 纤维 状 断 口 的微观 形 貌 图 异 常断 口 的微观 形 貌 表 取 样 部 位 纤 维 状 断 口 纤维 状 一 异李 断 口 过 渡区 异 常 断 口 井 林 井 一 “ 冲击值 一 兀 素 分析 区域 一 …。 ” · ‘ …。 · 。 。 ， 。 纤维 状 区 。 。 一 纤维 状 一 异常 ‘ 断 口 过 渡 区 分析结果 表明 ， 除纤维状 断 口 － 异常断 口 的过渡 区 ， ， 略高一 些外 ， 基本无 宏观 成 分偏析 。 微 观 偏析 用奥勃试 剂 腐蚀 试样 ， 在光 学显微 镜下观 察 ， 发现试样 虽然 经过 正 火和 调 质 处 理 ， 但仍 然存 在明显 的枝 晶偏析 见 图 、 图 ， 而且异常断 口 的枝 晶偏析比纤维 断 口 的 要严 重 。 前者 完 整 地保 留了 铸 态 的枝 晶结 构 ， 而后者 的枝晶组织只 是 隐约可见 。 为了 精确测 定 试样 的 枝 晶偏析 ， 在 ， 又 一 射线 波长谱 仪 上测 试 了不 同断 日 处枝干 和 枝 品 间 ， 。 ， ， ， 的 含量 ， 各测 点 ， 取 其平均值 ， 并计 算了 其偏 析度 。 实验 结 果 见 表 。 从 表 一 可以 看 出异 常断 口 处 ， 。 ， ， 的偏析比 都比纤维断 口 处大

图5异常断口区枝晶偏析 (深色部分为技晶间，浅色 部分为枝千)×25 图6纤维状断口枝晶偏析 (深色部分为枝晶间)×25 表3 各元素 偏析度 Cr Mo 断口部位 A B Is A B Is 枝晶间 枝干 A/B 枝晶间 枝 A/B 纤维状断口 1.17 1.09 1.07 0.514 0.443 1.16 异常断口 1.336 1.156 1.16 0.78 0.48 1.54 各元素 Ni 偏析度 Cu 断口部位 A B Is A B 枝晶间 枝干 A/B 枝晶间 枝干 A/B 纤维状断口 1.966 1.847 1.06 0.937 0.833 1.13 异常断口 2.254 1.790 1.26 1.355 0.731 1.82 注：因为A1和Ti的值不稳定，因此未列入表内。 3.非金属夹杂物检查 26

晶偏浅析色 ， 异部枝分常干 断为妇技佗口 晶区枝间 色为 图 深 部分 图 纤维 状 断 口 枝 晶偏 析 深 色部分 为枝 晶 间 表 各元 素 、 口 乐俨 厂 一 百 一 ‘ 一 一歹一而 一 一 一 百 一 一 一 一 纤维 状 断 口 异常断 口 枝 晶间 枝 干 枝 晶 间 枝 干 · 各元 素 一 偏 析度一 断 口 部 位 纤维 状 断 口 一 一丁 一一丁一一 亏 一一而一 一 百 一 枝 晶 间 枝 干 枝 晶间 枝 干 异常 断 口 注 因为 和 的值 不稳 定 ， 因此未列入 表 内 。 非 金 属夹杂 物检查

川光学显微镜和扫描电镜分别观察了纤维状断口和吊常断「门处非：金属夹杂物的特征和形 貌，并作了能谱分析。表4列举了钢中存在的非金属夹杂物种类，它们的形态、分布和光学 性质。 表4 晶系及钢中 在钢中 光学性质 夹杂名称 分布部位 存在形式 分部情况 明 场 暗场 偏光 氧化铅 异常断口 六方晶系聚集成群 紫灰色 透明亮黄色 各向异性 Al203 区较多 氨化钛 分布于树枝 不 透 明 正常断口 立方晶系 金黄色 各向同性： 及异常断 TiN 晶间和晶界 周围有亮边 口区都行 化亚锰 立方晶系 在薄尽 各向同性 显不规则 聚集成群 灰 同上 MnO 形状 中透明 枯贵色 铬铁 立方晶系 薄层透明有 呈规则几 灰色带紫 各向国性 d FeO.G:O3 何形状 红色的内反射 稀土硫比物 浅灰色上有黑 及硫氧化物 球 形 任意分布 块，浅灰色为 各向同性 RES,黑块为 血红色 同上 RES+RE2O2S RE2O2S 血红色 硫化锰 沿晶界 稍透明 透 明 只分布于 立方晶系 浅灰色 常断口 MnS 分 布 呈黄绿色 各向同性 区 (1)钢中有较多的MnO,颗粒大，聚集成群，还有少量的FeO.CrzO3,说明此钢怡炼 时有较严重的过氧化现象，或出钢浇注时受到二次氧化。见图7和8。 25522●KU 图7MnO夹杂的形貌×800（光学显微镜）图8MnO夹杂的形貌×3000（扫描电镜） 27

川 光 学显 微 镜和 扫 描 电镜分别 观 察 了纤维 状 断 口 和 异常 断 一 处 一 余属 臾杂物 的特 征 和形 貌 ， 并 作了能谱 分析 。 表 列 举 了钢 中存在 的非金属 夹 杂 物种 类 ， ’ 已们 的形 态 、 分布和 光 学 生质 。 表 夹杂 名称 品系 及钢 中 存 在形 式 在 钢 中 分 部情 况 … 分布 部 位 氧 化 铝 氮 化 钦 「 权化 亚锰 六方 晶系 一聚集成群 立 方 晶系 分布 于 树枝 晶间和 晶界 光 学 性 质 … 孚下可吓荞刃压不刃 · · · 垂 金 黄 色 一…一 … …霄 围馨 亮翼… 各厅可同个 异常 断 口 区 较 多 正 常断 口 及异常 断 口 区都有 立 方 晶系 呈 不 规 则 聚集 成群 灰 色 形 状 在 薄 层 中 透 明 各向 同性 ， 桔 黄 色 知 全各 铁矿 立何呈形规方状则晶系几 了 一 灰 色带 紫 薄层透 明有 红 色的 内反 射 稀 土 硫 比 物 及 硫氧 化 物 ， 任 意 分布 浅灰 色 上有黑 块 浅灰 色为 ， 、 。 ， 黑 块 为 … ， 川 礼 二 司 、 一 形 一 一 球 硫 化 锰 沿 晶界 立 方 晶系 分 布 浅 灰 色 稍 透 明 呈黄 绿 色 各向同性 仇 红 色 透 明 各向同性 只 分布 于 异常 断 口 区 钢 中有较 多的 ， 颗粒大 ， 聚集成群 ， 还 有 少量 的 ， 说明此 钢 冶炼 时有 较严 啾 的过 氧 化现象 ， 或 出钢 浇 注时受 到二 次 氧 化 。 见 图 和 。 图 夹杂衡的形 貌 光 学显微镜 图 夹杂的 形 貌 扫描 电镜

(2)异常断口处AIzC,的数量比纤维断口处多，聚集成群。 (3)钢中有较多的TiN,位于树枝晶间或晶界上。有些为TiN与A12O,的复合夹杂，有 些为TiN与MnS、MnO的复合夹杂。TiN为核心，外围为MnS,上有MnO。图9为异常 断口区TiN的形貌，图10为TiN的能谱曲线。 uu山山uu山山l TTT市前个TT个gmmprmp 图9 TiN的形貌×1500（扫描电镜） 图10TiN的能谱曲线 表5 稀土夹杂物成分分析 部过 元素 AI Ce Mn Fe 巾心 32.22 17.36 8.19 1.24 40.99 外围 0.04 22.33 40.43 0 37.20 外围 24.01 55.75 0 19.64 (4)钢中有两种硫化物夹杂。一种为稀土 硫化物和硫氧化物，呈球形，任意分布，其形 貌见图11。这种硫化物以REA1O3为核心，外 围为RE2O2S。它的能谱曲线见图12，图13， 成分见表5。这种夹杂分布于整个断口。但主 要分布于纤维状断口处。 另一种为MnS和FeS的复合夹杂，有树 枝状结构，在钢中呈鱼骨状排列，其形貌见 图14、15、16、和17其能谱分析成分见表6， 能谱曲线见图18。这种夹杂只出现于异常断口 处，分布于树枝晶间和奥氏体晶界上，有时和 TiN一齐绕晶界成断续网状分布如图19所示。 255172●KU 这类硫化物是典型的第二类硫化物。 图11稀土夹杂物形貌×3000（扫描电镜） 28

口，， 异常 断 口 处 的数量 比纤维 断 口 处 多 ， 聚集成群 。 钢 中有较多的 ， 位于树枝 晶间或 晶界 上 。 有些 为 与 的复合 夹 杂 ， 有 些 为 与 、 的 复合 夹杂 。 为核心 ， 外 围 为 ， 上有 。 图 为异常 断 口 区 的形 貌 ， 图 为 的能谱 曲线 。 刘 ‘ 刁尹‘，七。 图 的形 貌 扫描 电镜 图 的能谱 曲线 表 稀 土夹 杂物成分分析 兀 素 巾 心 一 一 钢 中有 两种 硫 化物夹 杂 。 一种 为稀土 硫 化物和 硫 氧 化物 ， 呈 球形 ， 任意分布 ， 其形 貌 见 图 。 这 种 硫化物 以 为核心 ， 外 围 为 。 它 的能谱 曲线 见 图 ， 图 ， 成 分见 表 。 这 种夹 杂 分布于 整个断 口 。 但主 要分布于纤维 状 断 口 处 。 另一 种 为 和 的复合 夹 杂 ， 有树 枝 状 结 构 ， 在 钢 中呈 鱼骨状排 列 ， 其形 貌见 图 、 、 、 和 其能谱 分析成分见表 ， 能谱 曲线见图 。 这 种夹 杂只 出现于 异常 断 口 处 ， 分布于树枝 晶间和奥 氏体 晶界 上 ， 有时和 一齐绕 晶界成 断续 网状 分布如 图 所示 。 这 类硫化物是 典型 的 第二 类硫化物 。 图 稀 土 夹杂物形 貌 扫描 电镜

山山山u,i4:1:ldnt '4.':11u山 为 .nom mmriarmyi negrm 图12稀土夹杂物能谱曲线 图1？稀土夹杂物能谱曲线 1北悄 50 50 图14第二类硫化物相的 图15第二类统化物的 形貌×450（扫描电镜） 形貌×1500（扫描电镜） 图16第二类硫化物的形貌×2000（扫描电锐） 29

翔迷

表6 硫化物夹杂的能谱分析 允素 部过 Mg AI S Ce Ma Fe 异常断口区 0.04 0.08 39.57 34.81 25.50 同上 3.49 8.13 53.92 0 15.19 19.28 JJouhkwbauho hulokw Tronmnmnjnpmpomip市imi 图17沿品分布的第二类统化物×400（光学显微镜） 图18第二类疏化物的能谱曲线 四、讨论 1.异常断口的性质 根据断口宏观及微观形貌的观察可以认为，异常断口属于韧性晶界断口。第二相质点或 非金属夹杂的沿晶分布，是产生这种断口的主要原因。在应力作用下，材料产生塑性变形， 由于非金属夹杂很难作到和基体完全一样的变形，因而存在着两个相塑性变形的不相协调， 结果在塑性变形量不大的情况下，就会出现或者是非金属夹杂物本身破裂，或者是非金属夹 杂与基体脱开，并在非金属夹杂与基体之间的界面上产生空洞，空洞扩展、增殖凝聚贯通而 成裂文。裂纹扩展而导致断裂。图19为异常断口区晶界裂纹的形貌。 10州 20K 50 图19贝壳状断口上沿晶裂纹×1500 30

表 硫 化物夹 杂的 能谱 分析 图 沿 晶分布 的第二 类硫 化 物 光 学显微镜 图 第二 类硫 化 物的 能谱 曲线 四 、 讨 论 勺 异 常断 口 的性成 根据断 口 宏观 及微观形貌的观 察可 以认 为 ， 异常断 口 属于韧 性 晶界断 口 。 第二 相质点 或 非金属夹杂 的沿 晶分布 ， 是 产生这 种 断 口 的主 要原因 。 在应 力作用 下 ， 材料 产生塑性变形 ， 由于非金属夹杂很难作到和 基体完全一样的变形 ， 因 而存在着 两个相 塑性变形 的不 相 协调 ， 结果 在塑性变形量 不 大的 情 况下 ， ‘ 就 会出现或者 是非 金属夹 杂物本身破 裂 ， 或者是非金 属夹 杂与 基体脱开 ， 并在 非金属 夹 杂与 基体之 间的界面 上产生空 洞 ， 空 洞扩 展 、 增殖凝 聚贯通 而 成裂纹 。 裂纹 扩 展而导 致 断裂 。 图 为异常 断 口 区 晶 界裂纹 的形 貌 。 图 贝 壳状 断 口 上 沿 晶裂纹

2.贝亮状断口生成的原因：国内外称铸钢中的这种断口为贝壳状断口，〔1、2、3)。 根据上述各项检查，发现纤维状断口与贝壳状断口不同处主要有两点： (1)贝壳状断口的枝晶偏析比纤维断口严重。 (2)贝壳状断口上有沿奥氏体晶界分布的第二类硫化物和TN,而在纤维状断口上则观 察不到。 因此，影响贝壳状断口生成的原因是枝晶偏析和第二类硫化物的存在，其中以第二类硫 化物和TN的沿晶分布为主要原因。但是枝晶偏析起了促进作用。因为化学成分的不均匀性 导致组织和机械性能的不均匀，产生应力集中。 无论从断口的宏观和微观形貌，断口的性质以及断裂的途径来看，贝壳状断口与石状断 口都非常相似。但是石状断口是钢在锻造和热处理时加热温度过高引起的。这时钢中硫化锰 夹杂溶解并在随后的冷却过程中，以非常细小的形态析出在高温奥氏体晶界上，从而削弱了 晶间结合力。而贝壳状断口的生成，是由于钢冶炼和凝固时硫化物形态未得到有利控制的原 故。 按照Sims的分类〔4)，钢中硫化物可以分为三类。第一类硫化物呈大小不等的球状， 在钢中任意分布，常与氧化物生成复合夹杂。第一类硫化物出现在沸腾钢或半镇静钢中，这 种钢液中氧含量高，硫的溶解度低，因此，第一类硫化物在较高的温度下以液滴状析出。 第二类硫化物呈棒状，以枝晶状共晶方式结晶。以链状或以薄片沉淀物分布于钢的初次 晶界上，又称晶界硫化物。第二类硫化物在用A1完全脱氧但无过剩A1的镇静钢中出现。这 种钢中含氧量低，因此硫在钢中的溶解度高，硫化物相在铸钢件最后凝固的部位最晚析出。 第三类硫化物呈角状，在钢中无规则地分布，常在过量A】脱氧的钢中出现，析出的温 度比第二类硫化物高。 三种硫化物中以第二类硫化物的危害最大，因为它位于奥氏体晶界，削弱晶间结合力， 降低钢的塑性和韧性，并作为裂纹的核心促进沿奥氏体晶界断裂，并减少断裂所需要的表面 能。 钢的孕有剂和脱氧剂，对钢中硫化物的形态有较大的影响。终脱氧用的A】量就直接影 响疏化物形貌。根据文献〔5)报导，在Mn-Ni-Mo钢中，不加AI或加A1量少于0.02% 时，硫化物基本为第一类。氧化物为硅酸盐和少量的A1zO3。加A1量大于0.05%会形成第 二类硫化物和群落的A12O,。在普通铝镇静的钢中，主要生成沿晶分布的第二类硫化物。硫 含量增加会使第一类硫化物变成第二类。在相同硫含量下，铸件壁愈厚、愈易生成第二类硫 化物。因此，S在钢中的允许含量应与铸件厚度成反比，当铸件厚250~300mm时，S≤ 0.01%。 在所研究的铬镍钼铜钢中，A1含量为0.03%，铸件的壁较厚，这些都促使钢中第二类 硫化物的生成。 孕育剂可以有效地控制硫化物形态。常用的有稀土和硅钙。稀土是强脱氧和脱硫剂，加 入钢中可以取代MnS中的Mn生成高熔点的稀土硫氧化物和硫化物，它们的熔点都在2000℃ 以上。RE/S比是一个重要参数，只有当RE/S为3~6时，RE才能完全夺去MnS巾的Mn生 成在钢中均匀分布的球形稀土夹杂，消除了第二类硫化物。 钙与氧和硫也有极强的结合力。钙加入钢中可以将第二类硫化物转变为细小、均匀分布 的MnS一CaS夹杂，消除了第二类硫化物。钙还可将群落的A1zO,转变为铝酸钙，它很易 豪集上浮由钢中排走。钙还可将MnS和群落的A1zO,转变为含有CaS、CaO和A1zOa的复 31

贝充状 断 口 生成 的原 因 国 内外称 铸 钢 中的这 种 断 口 为贝壳状 断 口 ， 〔 、 、 〕 。 根据 上述 各项检查 ， 发现纤维状 断 口 与 贝壳状 断 口 不 同处主 要有两点 贝壳状 断 口 的枝 晶偏 析比 纤维 断 口 严 重 。 贝壳 状 断 口 上有沿奥 氏体 晶界分布的 第二 类硫 化物和 ， 而在纤维 状断 口 上则 观 察 不 到 。 因此 ， 影响 贝壳状 断 口 生成的原 因 是枝 晶偏析和 第二 类硫 化物的存 在 ， 其 中以第 二 类硫 化物和 的沿 晶分布为主 要原因 。 但 是枝 晶偏析起了促进 作用 。 因 一 为化学成 分 的 不 均匀性 导 致组织和机 械性能 的 不 均匀 ， 产生应 力集中 。 无论 从断 口 的 宏观 和微 观形 貌 ， 断 口 的性质 以 及断 裂的途径来 看 ， 贝壳状 断 口 与石状 断 口 都非常 相似 。 但 是石状 断 口 是 钢 在锻造和热处理 时加热 温度过 高 引起 的 。 这 时钢 中硫 化锰 夹杂 溶解并 在随后 的 冷 却过程 中 ， 以 非常 细小 的形 态析 出在高温奥 氏体 晶界 上 ， 从 而削弱 了 晶间结 合 力 。 而 贝壳状 断 口 的生成 ， 是 由于 钢 冶炼 和凝 固时硫 化物形 态未得 到有利控 制 的原 故 。 按照 的 分 类 〔 〕 ， 钢 中硫 化物可 以 分 为三 类 。 第一 类硫 化物 呈 大小不 等的 球状 ， 在钢 中任意 分布 ， 常 与氧 化物生成复 合夹 杂 。 第一 类硫 化物 出现在沸腾 钢 或半镇静 钢 中 ， 这 种 钢液 中氧含量 高 ， 硫的 溶解度低 ， 因此 ， 第一 类硫 化物在较高的 温度下 以液滴状析 出 。 第二 类硫 化物呈 棒状 ， 以枝 晶状共 晶方 式结 晶 。 以链状 或以薄片沉淀物分布于 钢 的初次 晶界 上 ， 又称 晶界硫 化物 。 第二 类硫 化物 在用 完全脱氧但无过 剩 的镇静钢 中出现 。 这 种钢 中含氧量 低 ， 因 此硫在钢 中的 溶解 度高 ， 硫 化物相 在铸钢件最后凝 固的 部位最晚析 出 。 第三 类硫 化物呈 角状 ， 在钢 中无规则 地 分布 ， 常在过量 脱氧的 钢 中出现 ， 析出的温 度 比 第二 类硫 化物 高 。 三 种硫 化物 中以 第二 类硫 化物 的危害最大 ， 因 为它 位于奥 氏体 晶界 ， 削弱 晶 间结 合 力 ， 降低钢 的 塑性和 韧性 ， 并 作 为裂纹 的 核心促进沿奥 氏体 晶界断裂 ， 并减少 断裂所需 要的 表面 育巨 。 钢的 孕 育剂和 脱氧剂 ， 对钢 中硫 化物 的形 态有较大的影 响 。 终脱氧 用 的 量 就 直接影 响硫化物形 貌 。 根 据文献 〔 〕报导 ， 在 一 一 。 钢 中 ， 不 加 或加 量 少 干 时 ， 硫化物 基本 为第一 类 。 氧 化物 为硅 酸盐 和少量 的 。 。 加 量 大于 。 会形 成第 二 类硫化物 和群 落的 。 在普通铝 镇静的 钢 中 ， 主 要生 成沿 晶分布的 第二 类硫 化物 。 硫 含量 增 加会使 第一 类硫化物变成第二 类 。 在相 同 硫含量 下 ， 铸件壁 愈厚 、 愈 易生成 第二 类硫 化物 。 因此 ， 在钢 中的允许 含量 应与铸件厚度成 反比 ， 当铸件 厚 时 ， 三 。 在所 研究 的 铬镍铂 铜 钢 中 ， 含量 为 ， 铸件 的壁较 厚 ， 这 些都 促 使 钢 中第二 类 硫化物的生成 。 孕育剂可 以 有效 地控 制 硫化物形 态 。 常用 的有稀 土 和 硅 钙 。 稀 土 是 强 脱氧 和脱 硫剂 ， 加 入 钢 中可 以取 代 中的 生成高熔点 的稀 土 硫氧 化 物和 硫化 物 ， 它 们 的 熔点都 在 ℃ 以 上 。 比 是 一个重 要参数 ， 只有当 为 时 ， 才能 完全夺 去 巾的 生 成 在 钢 中均 匀 分布 的球形稀 土夹 杂 ， 消除了 第二 类 硫化 物 。 钙 与氧 和 硫也 有极强 的结 合力 。 钙加入 钢 中可 以 将 第二 类硫化物转变 为细 小 、 均 匀分布 的 一 夹杂 ， 消 除了第二 类 硫化物 。 钙还 可 将群落的 转变 为铝 酸钙 ， 它 很 易 聚集上浮由钢 中排走 。 钙还 可 将 和群落的 转变为含有 、 和 的复 ﹄叹‘

合球形夹杂。但是由于Ca对硫化物形态的控制还不够稳定，-一般都采用Ca一Si和RE的复 合孕育处理，即先加入Si一Ca脱氧，然后再加入稀土。 铭镍钼铜低合金钢中，只含有少量的稀土(0.015%)RE/S的比值只有1左右，远不 足以把钢中的硫全部变成球形的稀土夹杂，只能产生少量的稀土夹杂，以液滴状存在于钢液 中，在较高的温度下析出，残留的硫得继续保留于钢液中。硫在8一F中的固溶度很低（它 的平衡分配系数K=0.02)凝固开始后，它将不断被8一Fe排出，富集于固一液界面的液相 中。只有当硫富集到一定程度，液相中的〔%Mn)〔%S)的乘积等于溶解度积时，MnS才开 始沉淀。在凝固的最后阶段，凝固量达到90%时，MS才会在树枝晶间的液相中大量生成。 因此，第二类硫化物常常分布于树枝晶间或一次晶界上。这就是为什么在铬镍钼铜钢中存在 较多的第二类硫化物和引起贝壳状断口形成的原因。 根据文献〔6、7)介绍，第二类硫化物中常含有部分FeS,至少有20%~35%，这就进一 步降低了第二类硫化物的熔点。我们的实验结果也证明了这一点。 根据以上实验结果，建议采用以下措施消除贝壳状断口： 1.进行高温扩散退火，消除枝晶偏析。 2.为了消除第二类硫化物：(1)减少终脱氧用铝量。(2)出钢前在钢水中或加入Si 一Ca,或加入稀十，最好同时加入Si一Ca和稀土，这样不仅可以控制硫化物形态，同时可 以减轻枝晶偏析。 五、结论 1 1,铬镍钼铜低合金铸钢中的异常断口为贝壳状断口。它的宏观形貌是浅灰色，无金属 光泽的碎石伏粗晶组织。微观形貌是大小不等的韧窝。属于韧性晶界断裂。贝壳状断口降低 钢的韧性。 2.产生贝壳状断口的原因是第二类硫化物和TN的沿晶分布，它降低了晶间结合力并 作为裂纹的核心，促使晶间断裂发生和发展。 3,加入稀土和硅钙，可以有效地控制硫化物形态，消除贝壳状断口。 非金属夹杂的检验得到张淑心同志的帮助，扫描电镜的检验得到物质结构中心的帮助， 特致谢。 32

月、， 合球形夹杂 。 但是 由于 对硫化物形 态的控 制还 不够稳定 ， 一般都采用 一 和 的复 合孕 育处理 ， 即先加入 一 脱氧 ， 然后 再加入稀土 。 铭镍钥铜低合金 钢 中 ， 只 含有少里 的稀土 的比 值只 有 左右 ， 远不 足 以把钢 中的硫全部变成球形 的稀土夹杂 ， 只 能 产生少量 的稀土夹杂 ， 以液滴状存在于 钢液 中 ， 在较高的温度下析出 ， 残留的 硫得继续保 留于 钢液 中 。 硫在 乙一 中的固溶度很低 它 的平衡分配系数 。 凝 固开始后 ， 它将不断被 一 排 出 ， 富集于 固一液界面 的液相 中 。 只 有当硫富集到一定程度 ， 液相 中的 〔 “ 〕 〔 〕 的乘艰等于 溶解度积 时 ， ” 才开 始沉淀 。 在凝 固 的最后 阶段 ， 凝 固量 达 到 。 时 ， 才会在树枝 晶间的液相 中大盈 生成 。 因此 ， 第二 类硫化物常常分布于 树枝 晶间或一次 晶界 上 。 这就是 为什么在铬镍相 铜钢 中存在 较多的 第二 类硫化物和 引起贝壳状断 口 形成 的原 因 。 根据文献 〔 、 〕介绍 ， 第二 类硫化物中常含有部分 ， 至 少有 ， 这就 进一 步 降低了 第二 类硫化物的熔点 。 我们 的实验结果也证明 了这 一点 。 根据 以 上实验结果 ， 建议 采用 以 下措 施消除贝壳状断 口 进行 高温扩散退火 ， 消除枝 晶偏析 。 为了消除第二 类硫化物 减少 终脱氧 用铝 量 。 出钢前在钢水 中或加入 一 ， 或加入稀 土 ， 最好同 时加入 一 和稀 土 ， 这样 不仅可 以控 制 硫化物形 态 ， 同时可 以减 轻枝 晶偏析 。 石 妊 一 一孟日‘ 、 奋 宁冬 口 卜妇 铬镍钥 铜低合金铸钢 中的异常断 口 为贝壳 状断 口 。 它 的宏观形 貌是 浅灰 色 ， 无金属 光 泽 的碎石 货粗 晶组织 。 微 观形 貌是 大小不 等的韧 窝 。 属 于 韧性 晶界断 裂 。 贝壳 状 断 口 降低 钢 的韧 性 。 产生贝壳状 断 口 的原 因是 第二 类硫化 物和 的沿 晶分布 ， 它 降低 了 晶 间结 合 力并 作为裂纹 的 核心 ， 促使 晶间断裂发生和发展 。 加入稀 土 和硅 钙 ， 可 以有效 地控 制 硫化物形 态 ， 消除贝壳状 断 口 。 非金属 夹 杂 的检验 得到 张淑心 同志 的 帮助 ， 扫描 电镜 的检验得到 物质结构 中心 的 帮助 ， 特 致谢