·1258· 工程科学学报，第38卷，第9期 非调质钢中由于加入一定量的S而存在大量MS,改 冷至室温.最终实验钢主要成分见表1 善切削性能的同时，由于MS较软，在加工过程中易 表1实验钢的主要化学成分（质量分数） 发生变形伸长，外加载荷时长条状MS会引起应力集 Table 1 Chemical composition of the test steel % 中，促进裂纹的萌生与扩展，从而造成钢材的断裂失 效网.同时，研究认为非调质钢力学性能的各向异性 C Si Mn P V T.0.N S Fe 会受MnS的取向影响，但对MnS的详细作用机理缺 0.420.381.330.0180.100.00060.00980.065余量 乏比较深入的研究，不利于改善非调质钢的各向异性. 原位观察目前已经被应用于夹杂物加热过程变化 沿圆棒的伸长方向制取金相试样，经4%硝酸乙 与析出行为研究5、金属材料加热与凝固过程中的 醇腐蚀后，在9XB一PC型金相显微镜下观察显微组织 相变研究0等，可以实时连续地观察记录夹杂物与 及夹杂物.将金相试样于1%四甲基氯化铵H0%乙酰 相的变化过程，对于揭示钢中夹杂物的作用及组织相 丙酮一甲醇无水电解液网中进行恒电流低温电解浸 变的作用机理有重要意义.本研究尝试原位观察锻后 蚀，随后于JSM-6480LV型扫描电子显微镜下观察夹 非调质钢中MS在拉伸过程中的行为，有利于深入理 杂物的三维形貌，并利用自带的Noran System Six能谱 解MnS对钢性能的影响机理 仪对夹杂物成分进行分析. 本文首先对非调质钢中MS的三维形貌进行观 实验钢的原位拉伸观察在VL20O0DX-SVF17SP 察，随后制取了横纵向拉伸试样，其中横向试样中MS 激光共聚焦扫描显微镜附带的SVFI5FTC拉伸一疲劳 长度与拉伸方向垂直，纵向试样中二者方向平行.原 试验系统下进行，系统最大载荷加载量为5kN,拉伸速 位观察拉伸过程中不同取向MnS的行为，对MnS取向 率设定为0.2mm·min,原位观察试样厚度为1.5 导致各向异性的机理进行探讨，并为高性能非调质钢 mm,具体尺寸及横纵向试样取样方法见图l.其中L 中MnS形貌的控制方向提供参考. 为圆棒长度方向，也即纵向拉伸方向：T为圆棒直径方 向，也即横向拉伸方向。拉伸过程原位观察中，利用显 1实验材料与方法 微成像系统高频率捕获了试样的高分辨率图像，保留 实验钢成分设计参照GB/T15712一2005中 实时的观察信息如位移、拉力与MS的图像用以分 F45MVS成分范围，采用真空感应炉治炼，经熔炼、浇 析.拉伸性能测试在CMT4105电子万能试验机上进 注后得到20kg铸锭，随后将铸锭在1150℃均热3h后 行，按照GB6397一86加工成直径5mm,平行长度为30 锻打成直径55mm的圆棒，开锻温度≥1100℃，锻后空 mm的标准拉伸试样，两个取样方向与原位试样相同. (a) MnS 纵向试样 (b) 15 图1原位拉伸试样制取示意图(a)与试样尺寸（单位：mm)(b) Fig.1 Schematic diagram of prepared in-situ tensile test specimens (a)and specimen size in mm (b) 2实验结果与讨论 很大.纵向拉伸断口是以韧窝为主的延性断口，存在 部分较深的韧窝，而这些韧窝底部均存在硫化物夹杂. 2.1拉伸性能测试 横向拉伸断口则呈现韧脆混合形貌，断口表面出现部 锻后空冷实验钢的显微组织为铁素体和珠光体， 分以硫化物夹杂为起源的准解理状花纹，且分离的准 部分铁素体上存在长条状的Ms夹杂，如图2所示. 解理面整体方向平行于硫化物长度方向，可能是裂纹 锻后实验钢的横纵向拉伸性能测试结果与拉伸断口形 的起源. 貌如图3所示.根据测试结果，平均横向屈服强度与 断口观察表明其形貌与MnS有关.金相观察显 抗拉强度均比纵向低70MPa左右. 示，锻后钢中存在大量长条状的MS.利用电解浸蚀 由图3(b)和图3(c)可知，横纵向断口形貌差别 将基体中铁素体腐蚀后，于扫描电镜下观察MnS形工程科学学报，第 38 卷，第 9 期 非调质钢中由于加入一定量的 S 而存在大量 MnS，改 善切削性能的同时，由于 MnS 较软，在加工过程中易 发生变形伸长，外加载荷时长条状 MnS 会引起应力集 中，促进裂纹的萌生与扩展，从而造成钢材的断裂失 效［3］． 同时，研究认为非调质钢力学性能的各向异性 会受 MnS 的取向影响［4］，但对 MnS 的详细作用机理缺 乏比较深入的研究，不利于改善非调质钢的各向异性． 原位观察目前已经被应用于夹杂物加热过程变化 与析出行为研究［5--8］、金属材料加热与凝固过程中的 相变研究［9--11］等，可以实时连续地观察记录夹杂物与 相的变化过程，对于揭示钢中夹杂物的作用及组织相 变的作用机理有重要意义． 本研究尝试原位观察锻后 非调质钢中 MnS 在拉伸过程中的行为，有利于深入理 解 MnS 对钢性能的影响机理． 本文首先对非调质钢中 MnS 的三维形貌进行观 察，随后制取了横纵向拉伸试样，其中横向试样中 MnS 长度与拉伸方向垂直，纵向试样中二者方向平行． 原 位观察拉伸过程中不同取向 MnS 的行为，对 MnS 取向 导致各向异性的机理进行探讨，并为高性能非调质钢 中 MnS 形貌的控制方向提供参考． 1 实验材料与方法 实 验 钢 成 分 设 计 参 照 GB/T 15712—2005 中 F45MnVS 成分范围，采用真空感应炉冶炼，经熔炼、浇 注后得到 20 kg 铸锭，随后将铸锭在 1150 ℃均热 3 h 后 锻打成直径 55 mm 的圆棒，开锻温度≥1100 ℃，锻后空 冷至室温． 最终实验钢主要成分见表 1． 表 1 实验钢的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the test steel % C Si Mn P V T． O． N S Fe 0. 42 0. 38 1. 33 0. 018 0. 10 0. 0006 0. 0098 0. 065 余量 沿圆棒的伸长方向制取金相试样，经 4% 硝酸乙 醇腐蚀后，在 9XB--PC 型金相显微镜下观察显微组织 及夹杂物． 将金相试样于1% 四甲基氯化铵--10% 乙酰 丙酮--甲醇无水电解液［12］中进行恒电流低温电解浸 蚀，随后于 JSM--6480LV 型扫描电子显微镜下观察夹 杂物的三维形貌，并利用自带的 Noran System Six 能谱 仪对夹杂物成分进行分析． 实验钢的原位拉伸观察在 VL2000DX--SVF17SP 激光共聚焦扫描显微镜附带的 SVF15FTC 拉伸--疲劳 试验系统下进行，系统最大载荷加载量为 5 kN，拉伸速 率设定 为 0. 2 mm·min － 1 ，原位观察试样厚度为 1. 5 mm，具体尺寸及横纵向试样取样方法见图 1． 其中 L 为圆棒长度方向，也即纵向拉伸方向; T 为圆棒直径方 向，也即横向拉伸方向． 拉伸过程原位观察中，利用显 微成像系统高频率捕获了试样的高分辨率图像，保留 实时的观察信息如位移、拉力与 MnS 的图像用以分 析． 拉伸性能测试在 CMT4105 电子万能试验机上进 行，按照 GB6397—86 加工成直径 5 mm，平行长度为 30 mm 的标准拉伸试样，两个取样方向与原位试样相同． 图 1 原位拉伸试样制取示意图( a) 与试样尺寸( 单位: mm) ( b) Fig． 1 Schematic diagram of prepared in-situ tensile test specimens ( a) and specimen size in mm ( b) 2 实验结果与讨论 2. 1 拉伸性能测试 锻后空冷实验钢的显微组织为铁素体和珠光体， 部分铁素体上存在长条状的 MnS 夹杂，如图 2 所示． 锻后实验钢的横纵向拉伸性能测试结果与拉伸断口形 貌如图 3 所示． 根据测试结果，平均横向屈服强度与 抗拉强度均比纵向低 70 MPa 左右． 由图 3( b) 和图 3( c) 可知，横纵向断口形貌差别 很大． 纵向拉伸断口是以韧窝为主的延性断口，存在 部分较深的韧窝，而这些韧窝底部均存在硫化物夹杂． 横向拉伸断口则呈现韧脆混合形貌，断口表面出现部 分以硫化物夹杂为起源的准解理状花纹，且分离的准 解理面整体方向平行于硫化物长度方向，可能是裂纹 的起源． 断口观察表明其形貌与 MnS 有关． 金相观察显 示，锻后钢中存在大量长条状的 MnS． 利用电解浸蚀 将基体中铁素体腐蚀后，于扫描电镜下观察 MnS 形 ·1258·