錳對(duì)厚大斷面球鐵力學(xué)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(duì)厚大斷面球鐵的力學(xué)性能及斷裂韌性的影響。研究結(jié)果表明，錳含量的增加導(dǎo)致試塊心部的珠光體含量相對(duì)較高，在一定程度上緩解了由石墨形態(tài)惡化所造成的抗拉強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗫?。利用掃描電鏡動(dòng)態(tài)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(tuán)交界擴(kuò)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(guān)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(hào)：TG255 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2015）06-0001-08

0 引言

在厚大斷面球鐵中，錳（Mn）元素是一個(gè)極為敏感的元素，當(dāng)Mn的含量過高時(shí)石墨化會(huì)受到阻礙。表現(xiàn)為，石墨數(shù)量有所下降，石墨形態(tài)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(qiáng)度、硬度提高，塑、韌性降低，但隨著Mn含量的進(jìn)一步增加，鑄件的塑性、韌性會(huì)明顯下降。盡管已有學(xué)者研究了Mn元素對(duì)球鐵微觀組織和常規(guī)力學(xué)性能的影響，但是系統(tǒng)的研究Mn對(duì)厚大斷面球鐵（壁厚超過400mm）力學(xué)性能和斷裂韌性的影響的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。

本文的目的是研究Mn添加對(duì)大型核乏燃料儲(chǔ)運(yùn)容器用厚大斷面球鐵的微觀組織和力學(xué)性能及斷裂韌性的影響。采用物理模擬法澆鑄了3個(gè)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(gè)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(duì)試塊中各典型位置試樣的基體組織、石墨形態(tài)及分布以及常規(guī)力學(xué)性能和斷裂韌性的影響。并利用掃描電鏡動(dòng)態(tài)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(chǔ)運(yùn)容器用厚大斷面球鐵的制備奠定基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

使用中頻感應(yīng)電爐里熔化本溪生鐵（牌號(hào)為Q12）、75%硅鐵、45號(hào)鋼和石墨。使用Ce-Mg-Si球化劑進(jìn)行球化處理，澆鑄3個(gè)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(gè)不同Mn含量的厚大斷面球鐵試塊分別被標(biāo)記為A、B和C，其化學(xué)成分列于表1。試塊中從邊緣到心部選擇了4個(gè)位置作為厚大斷面球鐵典型的冷卻凝固速率，這四個(gè)測(cè)溫以及取樣位置如圖1所示。從三個(gè)試塊不同4個(gè)位置上取樣，分別標(biāo)記為A₁，A₂，A₃；B₁，B₂，B₃；C₁，C₂和C₃。采用鉑銠熱電偶和測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)溫。

采用OLMYPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡觀察球鐵基體組織和石墨形態(tài)。采用Philips-FEIsirion掃描電鏡對(duì)沖擊、拉伸、斷裂韌性試樣進(jìn)行斷口觀察分析。拉伸試驗(yàn)在室溫下使用拉伸試驗(yàn)機(jī)（Instron-1186）進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB228-2002，拉伸速率為8mm/min。無缺口沖擊試驗(yàn)在室溫下使用沖擊試驗(yàn)機(jī)（JBN-300B）進(jìn)行，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB229-2007，斷裂韌性在室溫下使用MTS809電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4161-2007，取樣方向均為S-L方向。斷裂韌性測(cè)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(yàn)采用S-570型掃描電鏡及附加的拉伸臺(tái)在室溫下進(jìn)行掃描電鏡動(dòng)態(tài)拉伸原位觀察，該拉伸臺(tái)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(gè)深為0.5mm的缺口作為預(yù)制裂紋。

2）樣坯的減?。簩⒃嚇用髡迟N在試驗(yàn)臺(tái)上，依次使用金相砂紙打磨，最后使用6號(hào)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(jī)上對(duì)試樣進(jìn)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(tái)，放入掃描電鏡中，逐步手動(dòng)加載，在缺口附近觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展過程。

2 結(jié)果和討論

2.1 Mn對(duì)厚大斷面球鐵石墨形態(tài)的影響

圖3為3個(gè)試塊中4個(gè)位置的冷卻曲線。由于使用了同一個(gè)物理模擬方法，3個(gè)試塊的冷卻條件都相同，因此，圖3的冷卻曲線為3個(gè)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?yàn)椋何恢胠，位置2，位置3和位置4。其中，位置3和位置4的凝固時(shí)間都超過250min。

圖4、圖5和圖6所示分別為3個(gè)試塊中4個(gè)位置的石墨形態(tài)組織圖片。由圖4可知，試樣A₁的石墨形態(tài)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(tài)也逐漸惡化。試樣A₄的石墨形態(tài)只有少量球狀石墨，石墨主要以團(tuán)狀、碎塊狀存在。觀察圖5可見，試樣B₁的石墨形態(tài)主要為球狀石墨和團(tuán)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(tài)逐漸惡化，開始出現(xiàn)了碎塊狀石墨。試樣B₄的石墨形態(tài)幾乎全部為碎塊狀石墨，并可觀察到少數(shù)蠕蟲石墨和團(tuán)狀石墨。如圖6（a）所示，試塊的邊緣試樣C₁的石墨形態(tài)為球狀石墨和團(tuán)狀石墨以及少量碎塊狀石墨。隨著冷卻速度的降低，產(chǎn)生了大量的碎塊狀石墨，試樣C₂的石墨形態(tài)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(jìn)一步降低，試樣C₃的石墨形態(tài)進(jìn)一步惡化，出現(xiàn)了團(tuán)絮狀石墨，石墨形態(tài)以碎塊狀石墨和團(tuán)絮狀石墨為主，如圖6（c）所示。試塊中心試樣C₄的石墨形態(tài)為大量的碎塊狀石墨。