锰对厚大断面球铁力学性能和断裂韧性的影响

郭二军　王丽萍　宋良　刘东戎

摘要：研究了锰对厚大断面球铁的力学性能及断裂韧性的影响。研究结果表明，锰含量的增加导致试块心部的珠光体含量相对较高，在一定程度上缓解了由石墨形态恶化所造成的抗拉强度下降。随着冷却凝固速度的降低和锰含量的增加，冲击断口形貌和断裂韧性断口形貌由韧-脆混合型断口裂转变为脆性断口。利用扫描电镜动态拉伸原位厚大断面球铁中不同基体组织的断裂过程，珠光体在外力作用下比铁素体容易萌生裂纹，裂纹往往沿着相邻的珠光体团交界扩展。珠光体的塑韧性较低且脆性大。厚大断面球铁中控制珠光体含量，提高铁素体含量，可提高球铁塑韧性。

关键词：厚大断面球铁；锰含量；冷却速度；原位拉伸；断裂韧性

中图分类号：TG255 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0001-08

0 引言

在厚大断面球铁中，锰（Mn）元素是一个极为敏感的元素，当Mn的含量过高时石墨化会受到阻碍。表现为，石墨数量有所下降，石墨形态逐步恶化。在厚大断面球铁中，添加Mn元素含量易获得珠光体组织。珠光体的特性使铸件的强度、硬度提高，塑、韧性降低，但随着Mn含量的进一步增加，铸件的塑性、韧性会明显下降。尽管已有学者研究了Mn元素对球铁微观组织和常规力学性能的影响，但是系统的研究Mn对厚大断面球铁（壁厚超过400mm）力学性能和断裂韧性的影响的文献尚未发现。

本文的目的是研究Mn添加对大型核乏燃料储运容器用厚大断面球铁的微观组织和力学性能及断裂韧性的影响。采用物理模拟法浇铸了3个不同Mn含量的立方体物理模拟试块。从立方体铸块的边缘到心部选择了4个位置以代表典型的厚大断面球铁冷却速度。研究了厚大断面球铁中Mn含量对试块中各典型位置试样的基体组织、石墨形态及分布以及常规力学性能和断裂韧性的影响。并利用扫描电镜动态原位拉伸研究了厚大断面球铁中不同基体组织的断裂过程，为大型核乏燃料球铁储运容器用厚大断面球铁的制备奠定基础理论依据。

1 试验

使用中频感应电炉里熔化本溪生铁（牌号为Q12）、75%硅铁、45号钢和石墨。使用Ce-Mg-Si球化剂进行球化处理，浇铸3个厚大断面球铁试块。金属熔液浇入型砂采用呋喃树脂砂获得试样尺寸为400mm×400mm×400mm的厚大断面球铁立方体试块。3个不同Mn含量的厚大断面球铁试块分别被标记为A、B和C，其化学成分列于表1。试块中从边缘到心部选择了4个位置作为厚大断面球铁典型的冷却凝固速率，这四个测温以及取样位置如图1所示。从三个试块不同4个位置上取样，分别标记为A₁，A₂，A₃；B₁，B₂，B₃；C₁，C₂和C₃。采用铂铑热电偶和测温系统进行测温。

采用OLMYPUS-GX71型光学显微镜观察球铁基体组织和石墨形态。采用Philips-FEIsirion扫描电镜对冲击、拉伸、断裂韧性试样进行断口观察分析。拉伸试验在室温下使用拉伸试验机（Instron-1186）进行，依据标准GB228-2002，拉伸速率为8mm/min。无缺口冲击试验在室温下使用冲击试验机（JBN-300B）进行，依据标准GB229-2007，断裂韧性在室温下使用MTS809电液伺服材料试验机测试，依据标准GB/T4161-2007，取样方向均为S-L方向。断裂韧性测试用紧凑拉伸CT试样，尺寸如图2所示，试样尺寸满足条件2

原位拉伸试验采用S-570型扫描电镜及附加的拉伸台在室温下进行扫描电镜动态拉伸原位观察，该拉伸台采用电机驱动手控加载，最大拉伸载荷为10kg，最大拉伸距离为5mm。试样制备过程如下：

1）样坯的制备：用线切割方法切出长38mm，宽12mm，厚0.2mm的试样毛坯，在毛坯中部使用线切割开出一个深为0.5mm的缺口作为预制裂纹。

2）样坯的减薄：将试样毛坯粘贴在试验台上，依次使用金相砂纸打磨，最后使用6号金相砂纸将试样打磨至0.1mm厚。

3）抛光：使用Cr₂O₃水溶液在抛光机上对试样进行抛光，抛光后使用5%的硝酸酒精溶液腐蚀，显示出试样的基体组织。将制备的拉伸试样装入拉伸台，放入扫描电镜中，逐步手动加载，在缺口附近观察裂纹的萌生及扩展过程。

2 结果和讨论

2.1 Mn对厚大断面球铁石墨形态的影响

图3为3个试块中4个位置的冷却曲线。由于使用了同一个物理模拟方法，3个试块的冷却条件都相同，因此，图3的冷却曲线为3个铸块不同位置的凝固曲线。由图可知，冷却速度由快到慢的位置次序为：位置l，位置2，位置3和位置4。其中，位置3和位置4的凝固时间都超过250min。

图4、图5和图6所示分别为3个试块中4个位置的石墨形态组织图片。由图4可知，试样A₁的石墨形态最为圆整，随着冷却速度的降低，试样A₂和A₃的石墨球直径逐渐增大，石墨形态也逐渐恶化。试样A₄的石墨形态只有少量球状石墨，石墨主要以团状、碎块状存在。观察图5可见，试样B₁的石墨形态主要为球状石墨和团絮状石墨以及蠕虫石墨为主，随着冷却速度的降低，试样B₂和B₃的石墨形态逐渐恶化，开始出现了碎块状石墨。试样B₄的石墨形态几乎全部为碎块状石墨，并可观察到少数蠕虫石墨和团状石墨。如图6（a）所示，试块的边缘试样C₁的石墨形态为球状石墨和团状石墨以及少量碎块状石墨。随着冷却速度的降低，产生了大量的碎块状石墨，试样C₂的石墨形态为碎块状石墨和少量的球状石墨，示于图6（b）。随着冷却速度的进一步降低，试样C₃的石墨形态进一步恶化，出现了团絮状石墨，石墨形态以碎块状石墨和团絮状石墨为主，如图6（c）所示。试块中心试样C₄的石墨形态为大量的碎块状石墨。