某车轮轮毂条状缺陷的原位统计分布分析

刘 强，楚雪峰，潜美丽

（太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032）

原位统计分布分析是以单次火花放电理论及信号分辨提取技术为基础，使用火花微束技术和无预燃连续激发同步扫描定位技术，获得数以百万计与材料原位置相对应的各元素原始含量及状态信息，然后使用统计解析的方法来定量表征材料的偏析度、致密度、夹杂物分布等指标[1]。金属原位分析仪作为一种高通量、大尺度的原位表征仪器，可以在厘米尺度上对材料进行多元素偏析行为的快速表征，实现对钢铁材料较大尺寸范围内的原位统计分布分析，在铁路车轮的原材料铸坯、成品剖面的分析上得到了一定的应用[2-4]。

1 65 Mn车轮体概况

65 Mn，标准代号U21652，是一种优质碳素结构钢，可用于制造车轮体，其化学成分（质量分数）要求如表1所示[5]。

表1 65 Mn的化学成分要求 %

本文使用原位统计分布分析技术，对加工成型后的某材质为65 Mn的车轮体轮毂孔附近出现的白亮条带缺陷进行研究，通过对该缺陷位置的元素偏析情况及致密情况进行分析，以及通过火花直读光谱仪进行辅助分析，探讨了该缺陷产生的原因。该车轮形貌及经4%硝酸酒精溶液浸蚀后的白亮条带缺陷形貌如图1所示。该白亮条带的长度范围约40～60 mm，宽度约2 mm，在轮毂孔深度方向延伸约2 mm，呈不规则圈状。

图1 车轮及缺陷形貌

2 实验部分

2.1 实验仪器

本实验使用金属原位分析仪，由钢研纳克检测技术股份有限公司生产，型号为OPA-200。用于辅助分析的火花直读光谱仪由美国Thermo公司生产，型号为ARL 4460。以上仪器设备均在有效期内，且已由具有检定资质的机构校准。仪器分析参数如表2、表3所示，测定元素及其波长情况如下页表4所示。

表2 金属原位分析仪的仪器参数

表3 火花直读光谱仪的仪器参数

表4 元素及波长

2.2 样品及光谱标准物质

沿轮毂孔缺陷位置处切下长约为50 mm、宽约20 mm、高约20 mm的试样，并将其近似等分为2份，每个试样的尺寸约为25 mm×20 mm×20 mm，轮毂孔一侧为弧形。使用铣床将试样上下表面和左右侧面加工成相互平行的平面后，使用双圆盘磨样机（氧化铝砂纸，60目）对检测面进行打磨，打磨为磨痕清晰一致的新鲜表面。

本实验采用国家有证光谱标准样品绘制并验证曲线，其检测面处理方法与样品一致。

3 直读光谱分析结果与讨论

3.1 直读光谱分析结果

使用ARL 4460型火花直读光谱仪对制备好的试样进行多点分析，分析位置及结果如图2、表5所示。

图2 试样分析位置

表5 试样的化学成分 %

3.2 结果讨论

结合表1和表5可以判断，分析位置1、2、5、6和7点位处的结果在65 Mn材质的要求范围内，分析位置3、4和8点位处的结果在要求范围之外。

从表5可知，分析位置3、4和8处与其余位置相比，C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V元素含量均有一定程度的下降，其中w（Mn）下降约77%，w（Si）下降约87%，w（Cr）下降约69%，w（Ni）下降约41%，w（Mo）下降约83%，w（V）下降约84%。与此相反，S、P、Cu、Al元素含量均有一定程度的上升，其中w（S）上升约250%，w（P）上升约170%，w（Cu）上升约140%，w（Al）上升约390%。

Fe含量是一个计算值，即100%减去非铁元素含量后的值，并非由检测直接得出。在表5中，由于异常区域内非铁元素总体含量呈下降趋势，因此Fe的含量较正常区域有一定程度的上升。

考虑到试样异常区域宽度较小（2 mm左右），小于激发点的直径（4 mm左右），3、4和8这三个激发位置可能处在缺陷区域内，也可能处在缺陷区域与正常区域之间，因此需要使用原位分析仪展开进一步研究。

4 原位统计分布分析结果与讨论

采用国家有证光谱标准样品在和试样同样的检测条件下绘制工作曲线，以铁元素为参比，将激发所得的原始强度比与浓度比进行多元线性拟合，获得的各元素线性回归方程和决定系数如表6所示，并使用该工作曲线对试样进行原位统计分布分析。

表6 各元素的回归曲线和决定系数

将两个试样按照位置对应关系拼在一起压紧，尽量减少缝隙对分析结果的影响，然后置于金属原位分析仪上进行分析，分析位置如下页图3所示，分析试样对为46 mm×16 mm。

图3 试样分析位置

4.1 偏析分析

4.1.1 偏析分析结果

两个试样的偏析分析结果如下页图4所示。由于该样品中无论正常区域还是异常区域，V含量都很低（见直读分析结果），故原位分析仪未能激发出有效图像。

图4 试样元素含量（%）的二维分布图

4.1.2 偏析分析结果讨论

从图4可以看出，C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo沿异常区域有一条较明显的负偏析带（图中偏深色区域），在异常区域外有一条较明显的正偏析带（图中偏浅色区域）。从整体上看，沿着Y轴坐标值减小的方向，以上元素含量的变化趋势大体是正常含量→正偏析→负偏析→正偏析，是一个先上升后下降，然后再上升的过程。

S、Cu、Al这些元素沿着异常区域有一条较明显的正偏析带（图中偏灰色区域），从整体上看，沿着Y轴坐标值减小的方向，以上元素含量的变化趋势大体是正常含量→正偏析，是一个逐渐上升的过程。

与其他元素不同的是，P的负偏析带（图中偏深色区域）更大一些，和C、Si等出现正偏析的位置重合；而在Mn等出现负偏析带的位置，也就是异常区域，P出现了正偏析（图中偏浅色区域）。这与直读检测结果中分析位置7虽然不在异常区域，但P含量依然低于其他正常区域（例如分析位置5、6）的情况相对应。从整体上来看，沿着Y轴坐标值减小的方向，P含量的变化趋势大体是正常含量→负偏析→正偏析→正常含量。

由于该样品中V元素未激发出有效的图像，仅能从直读光谱检测结果推测，在异常区域内钒元素存在负偏析。

此外，沿着X≈23 mm的方向，P、Ni、Cu等元素出现了一条正偏析带，这是两个试样交界的位置，由于在激发过程中不可避免存在漏气现象，因此易造成异常激发。在X≈9~14 mm、X≈28~34 mm，且靠近X轴的位置，由于试样存在缩孔，导致这两处位置异常激发。

4.2 致密分析

4.2.1 致密分析结果

两个试样的致密分析结果如图5所示。

图5 试样的表观致密度

4.2.2 致密分析结果

通过原位统计分布分析可得到每一个单次放电位置的表观致密度，即该位置各元素含量之和。如果该次放电发生在材料表面致密处，则各元素含量总和应为100%；如果发生在材料表面疏松或如缩孔、裂纹等缺陷处，其各元素含量的总和应小于100%，疏松或缺陷越严重，含量总和越低。各位置表观致密度统计平均值即为统计致密度，最高为1，最低为0。

由图5可知，沿Y轴坐标值减小的方向，致密度是一个逐渐变小的过程。在异常区域内，铁的致密度较正常区域偏低，该区域较正常区域更为疏松。而在被异常区域包裹的正常区域内，致密度更低。在X≈9~14 mm、X≈28~34 mm，且靠近X轴的位置，可能因为异常区域包裹的影响，更是形成了缩孔（图5中深色区域）。

此外，X≈23 mm处是两个试样交界的位置，在激发过程中不可避免的存在漏气现象，因此造成异常激发，导致致密度出现一条偏低的直线，这与实际情况相符。

5 综合分析

由凝固理论可知，铸锭在凝固时靠铸模冷却，通常具有定向散热的特征，钢液的凝固由铸模内壁开始沿散热的反方向向心部推进。凝固后的铸锭内将产生宏观成分的不均匀现象，即宏观偏析。而在平衡凝固时，各温度下两相溶质都达到均匀化，此时固相内溶质浓度与液相内溶质浓度之比K0称为平衡分配系数。

C、Si、Mn、P、S等元素的平衡分配系数均小于1，其中Si、Mn、Cr等元素的平衡分配系数较C、P、S等更大，因此，C、P、S在钢液凝固时向液相中扩散，更容易形成程度较大的偏析，以致在凝固靠近终点时形成溶质富集的区域，在钢锭中心产生偏析及疏松现象。

在钢液凝固过程中，由于固-液界面前沿液体内温度分布是负梯度，导致成分过冷，使得界面失去稳定性，变得凹凸不平，前凸部分以更快速度向液体深处生长，形成树枝晶的搭桥效果，使钢液在搭桥处优先形核并长大，最终在其中心区域的外围形成不连续的环状负偏析带。此外，搭桥现象还会阻碍外侧钢液向内侧移动，使得内侧钢液凝固时得不到外侧钢液的补充，从而形成疏松或缩孔。而在负偏析带外，溶质的富集过程由于受到阻碍，因而形成一定的正偏析。

由理论分析可知，在正常凝固的过程中，Si、Mn和其他合金元素不会出现严重的偏析，更不会出现表5中直读光谱分析值、图4中原位分析图所表现的那样“断崖”式下跌的情况。而在合金元素中，有些在异常区域内存在负偏析（如Mn、Cr、Mo等），有些在异常区域内出现正偏析（如Cu等），也不符合正常的凝固过程。

而由于该异常区域的宏观结构为弧状，在局部区域内形成近似枝晶搭桥的效果，也阻止了部分合金元素的扩散（如Mo、Cr等），从而在异常区域外导致部分元素的正偏析。因此，钢液正常凝固时不可能形成该异常区域。

此外，在异常区域形成的弧状结构内，正常成分的钢液继续凝固，形成了一个局部的凝固中心，并最终出现了中心偏析和中心缩孔等现象。缩孔和疏松处一旦存在空气（相当于氦气纯度不够）或是被污染的情况，都会使该处激发强度发生变化。由于该异常区域的存在，在凝固过程中围绕着该区域形成了一定的缺陷，导致此处的致密度下降。

6 结论、建议与思考

6.1 结论

1）该异常区域不是65 Mn钢锭在钢液凝固过程中正常形成的，应是在浇铸过程中以固态形式混入的。

2）在原位分析中，试样的完整性、平整性均对分析质量有重要影响。在这次分析中，试样接缝处出现了漏气现象。因此，在之后的缺陷分析中，保持试样的完整性非常重要。

6.2 建议及思考

在本次分析中，在异常区域外部分元素形成正偏析的地方，P元素却形成一圈负偏析带，而在此负偏析带外还有一层正偏析。这可能是基于溶质守恒定律，其余元素在此处富集，影响了P的析出，从而导致P在这一位置出现了负偏析，而在更靠外的地方出现了正偏析。该问题还需进一步探究。