钢中晶界脆化与气体、夹杂物预裂纹作用的影响分析

1）质点偏析的本质。上述实验结果表明，CrNiMo电渣钢的质点偏析是个不耐酸蚀的偏析区，它是Mn、Cr、Ni、Si、Al、S、P等元素正偏析的结果，在质点处往往伴有条状的MnS夹杂物，严重时这些夹杂物成束状分布。因此，沿晶断口形成台阶状。由于S、P在晶界上偏聚导致沿晶脆性断裂。

图2-35 横向拉伸实验裂纹及断口形貌

2）质点对性能的影响。比较有质点和没有质点的电渣钢，认为质点偏析是降低塑性和韧性的，其影响程度，首先看其质点的大小和形状，其次看质点的多少和密集程度。小质点对性能基本无影响，质点越大影响越大，长条形的质点影响最大。质点数量愈多愈密集，影响也愈大，个别严重者可使ψ、δ值降到不合格的程度。

实验证明，无论是冷弯试验还是拉伸试验，断裂总是在质点处首先出现，沿质点扩展，再沿受力方向延伸，最后裂纹相互连接而断裂。对CrNiMo电渣钢只要质点足够严重，就会使ψ明显降低，只要断裂通过质点，就会对塑性产生影响。对性能的影响程度从本质上取决于夹杂物的预裂纹作用、晶界弱化以及基体的强度级别。

3）MnS夹杂物的预裂纹作用。钢中的非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性，起着缺口及应力集中作用。一般认为，钢中的夹杂物可视为裂纹。对于脆性夹杂物，其临界裂纹尺寸就等于夹杂物尺寸，但对于像MnS这种与基体性质相近的塑性夹杂物，临界夹杂物尺寸可以大于临界裂纹尺寸。另外，由于MnS的收缩系数比基体大，因而在冷却时容易在其周围产生裂纹和空隙，MnS形成的空隙可占其本身体积的11%。因此，质点处的条状MnS在横向力学性能试验中相当于微裂纹，在施加载荷时，这些预裂纹进一步扩展长大。当试样尚未发生明显变形时，应力值已超过预裂纹区的强度，从而产生孤立的裂纹，各孤立的裂纹相互连接而发生断裂。因为质点区发生塑性变形较小，故使材料的ψ和δ值降低。由于材料首先沿MnS断裂，故在断口上出现穿晶的沟槽。(www.xing528.com)

4）晶界的弱化。扫描电镜观察发现，凡是沿晶断裂区都存在着许多二次裂纹，这说明晶界已经弱化。这是由于S、P等杂质在晶界上偏聚的结果。在高纯度Cr-Ni钢中，如果S、P以游离态偏聚于晶界，只要有0.004%的含量（质量分数）就足以引起脆性断裂。S、P等杂质与合金元素在晶界上偏聚，大大地削弱了晶界原子间的结合力，增加了晶界脆性，降低了晶界强度，从而给金属断裂提供了一条低能量的途径，致使质点区发生沿晶断裂。因此，形成质点区的结晶条带，即形成宏观断口上的亮线。由于晶界脆化与MnS夹杂物的预裂纹作用降低了质点区的冲击功，使韧性和塑性下降。

5）基体强度级别的影响。一般说来，晶界S、P与合金元素正偏析区总是高能量区，质点偏析区虽然有MnS夹杂物预裂纹作用与晶界脆化，由于基体强度较低或MnS条数较少时，晶界强度仍然高于晶内，即偏析区仍然高于基体强度，所以，还等不到沿夹杂物与晶界开裂时，试样的应力已经超过了基体的屈服强度，发生了明显的塑性变形，产生了缩颈，进而沿着基体断开，这就使得质点的影响不易表现出来。但当基体强度较高时，当其超过由于夹杂物预裂纹作用而降低的质点区的强度时，则裂纹首先产生于夹杂物区，又由于晶界的弱化作用降低了晶界的强度，裂纹又沿晶扩展，致使裂纹通过条状MnS区走沿晶断裂的路径，所以当提高基体强度时加剧了质点偏析的不良影响。

6）质点偏析的形成。质点偏析的本质是一种局部区域成分偏析现象，是在结晶过程中形成的。在钢液凝固时，由于选分结晶的结果，固相成分与液相成分是不一样的。由于纯净金属具有更高的熔点，因此，先结晶金属的杂质含量较少，结晶长大时，在结晶的前沿附近，液态金属会富集更多的C、S、P及合金元素。钢中气体的溶解度随着钢液温度的降低而减小，固态钢中的气体大大低于液态钢，气体主要是从钢的液固两相共存区域内析出，气体与杂质的析出是同步的，析出气体的一部分以单相气泡形式析出，另一部分向温度较高的钢液中扩散。在这种条件下，钢液中的气体，主要是氢，结晶过程中在液固两相共存区容易析出并达到饱和，形成与锭型轴线相平行的“气流”。由于气体、杂质和合金元素主要在液固两相共存的情况下析出，而这时树枝晶的晶干由于首先结晶已经凝固，因而气流被迫沿晶间尚未凝固区上升，当杂质和合金元素数量足够多时，便会滞留在树枝晶的晶干之间，故C、S、P及合金元素便偏聚在树枝晶间上升“气流”的轨迹上，这样就形成了低倍组织上的质点偏析。

7）降低或消除质点偏析的对策。在正常工艺下，质点偏析只产生于电渣锭的底部。气体含量过多可能是形成质点偏析的主要因素，而熔池固、液两相等温面的间距增大，将促进质点偏析的形成。因此，提高初期熔铸的质量，降低原材料和重熔设备的水分，保证熔池平浅，适当控制切尾量，是降低或消除质点偏析的有力措施。