調(diào)質(zhì)鑄鋼的碳含量通常為0.3%~0.6%，具有較好的綜合力學(xué)性能，在保持較高強(qiáng)度和剛度的同時又具有較好的塑韌性，因此，該類鋼廣泛用于制作各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件。

金屬材料在大氣、海水、土壤等環(huán)境中使用時，均會發(fā)生不同程度的腐蝕。為了延長鋼鐵材料的使用壽命，鋼鐵材料的防腐蝕技術(shù)一直受到研究者們的關(guān)注。調(diào)質(zhì)鑄鋼在實(shí)際使用過程中會面臨腐蝕，為了減緩調(diào)質(zhì)鑄鋼的腐蝕，研究者們進(jìn)行了多方面工作。

試驗(yàn)材料為某工字鑄鋼工件，尺寸為1000 mm×1000 mm×3000 mm，其中翼緣板厚150 mm，腹板厚100 mm。熱處理工藝為830 ℃保溫2小時，淬火，然后660 ℃回火4小時。

熱浸鋅時，鋅槽溫度為560 ℃，試樣直接由室溫浸入鋅槽中，在修補(bǔ)破損鋅層時，發(fā)現(xiàn)疑似裂紋，把鋅層打磨干凈后，采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)大量表面裂紋，見圖1。

圖1 鋅層打磨后試樣表面的裂紋形貌

在進(jìn)行熱浸鋅之前，磁粉檢測確認(rèn)該試樣表面無裂紋，因此這些裂紋是在熱浸鋅過程中產(chǎn)生的。鑄鋼工件表面機(jī)加工磨去3 mm后，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)裂紋依然存在，但滲透檢測卻未見裂紋痕跡，這說明裂紋內(nèi)部有填充物，導(dǎo)致滲透劑無法滲入到裂紋內(nèi)部。

以該鑄鋼工件熱浸鋅后開裂部位為研究對象，利用倒置金相顯微鏡AXOVIOVERT 200MAT型、日立熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡SU5000型（配備EDAX能譜）等，對開裂部位的顯微組織、裂紋形貌及裂紋填充物成分進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖2 試樣的顯微組織

由圖2可見：開裂試樣中的鐵素體呈等軸狀，鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)粒狀碳化物，試樣組織為典型的回火索氏體。

圖3 裂紋橫斷面形貌

由圖3可見：試樣表面存在兩條寬度分別約為50 μm和5 μm的裂紋，且裂紋走向幾乎完全和晶界重合，屬于典型的沿晶斷裂。

圖4 裂紋截面形貌以及成分分布

由圖4可見：裂紋明顯沿著晶界擴(kuò)展并且裂紋內(nèi)部富含鋅。裂紋處能譜結(jié)果表明，裂紋填充物中的鋅含量較高，說明在熱浸鋅過程中表面產(chǎn)生了裂紋，并且部分鋅滲入到了裂紋中，見圖5。

圖5 裂紋處的能譜圖分析結(jié)果

液態(tài)金屬導(dǎo)致的沿晶開裂主要有以下三階段：

(1) 液態(tài)金屬鋅吸附于基體并浸濕基體晶界；

(2) 在拉伸應(yīng)力的作用下，基體晶界開裂；

(3) 液態(tài)金屬流入開裂晶界并繼續(xù)浸濕下一段晶界，晶界隨后開裂。

根據(jù)液態(tài)金屬致脆的晶界擴(kuò)散模型，脆性原子在晶界上的應(yīng)力輔助晶界擴(kuò)散會使晶界變脆，從而產(chǎn)生斷裂。脆性原子在晶界的應(yīng)力輔助晶界擴(kuò)散早于裂紋萌生，晶界上的脆性原子一旦達(dá)到臨界值，裂紋就開始萌生。

如果晶界處的應(yīng)力足夠高，就會成為晶界裂紋形核的驅(qū)動力，隨后會導(dǎo)致液態(tài)金屬沿著晶界滲透，并隨著裂紋的擴(kuò)展進(jìn)一步深入，液態(tài)金屬沿晶界滲透路徑如圖6所示。少量Zn在晶界擴(kuò)散可以形成一層薄α-Fe(Zn)相，從而導(dǎo)致變脆。

圖6 液態(tài)金屬的沿晶滲透模型

BOZORGIAN指出液態(tài)金屬致脆有三個成因：

(1) 易受影響的母材；

(2) 母材周圍存在液態(tài)金屬；

(3) 母材表面有足夠的拉伸應(yīng)力。

DIGIOVANNI指出了類似的液態(tài)金屬致脆成因：

(1) 致脆的液態(tài)金屬必須直接接觸固態(tài)金屬；

(2) 固態(tài)金屬要有敏感的微觀組織；

(3) 固態(tài)金屬承受拉應(yīng)力。

上述兩方的觀點(diǎn)存在一致性，以下將結(jié)合本鑄鋼工件進(jìn)行失效原因分析。

日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G3129-2018給出熱浸鋅裂紋敏感性指標(biāo)（XCEZ），可以評價鋼材在熱浸鋅過程中發(fā)生液態(tài)金屬致脆的概率，為避免發(fā)生裂紋，其上限值為0.44。計算公式如下：

將試驗(yàn)材料的化學(xué)成分代入上式，得出本案例鑄鋼工件的XCEZ為0.61，屬于易受液態(tài)金屬致脆的鋼種。

IGNATIUS和CARPIO分別指出屈服強(qiáng)度大于500 MPa，抗拉強(qiáng)度大于650 MPa的鋼材容易產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆，本案例鑄鋼工件的屈服強(qiáng)度為625 MPa，抗拉強(qiáng)度為770 MPa，符合易產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆。

本案例中鑄鋼工件鑄造完成后，因本身內(nèi)壁薄厚不均勻，工件內(nèi)部存在殘余鑄造應(yīng)力，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鑄鋼表面存在熱處理應(yīng)力。一般情況下鑄造應(yīng)力以及熱處理應(yīng)力都是拉應(yīng)力，因此，鑄鋼母材在熱浸鋅之前就存在一定的殘余拉應(yīng)力。

在熱浸鋅時，熔融狀態(tài)鋅液溫度為520 ℃，而鑄鋼工件為室溫狀態(tài)，當(dāng)兩者接觸，由于溫度差異較大，也很容易產(chǎn)生熱拉應(yīng)力，因此在未采取合適處理措施的條件下，鑄鋼很容易發(fā)生液態(tài)金屬致脆。

經(jīng)調(diào)查，本案例鋅槽的溫度為520 ℃，且熱浸鋅前工件并未進(jìn)行預(yù)熱處理。有文獻(xiàn)指出，當(dāng)鋅槽溫度為450 ℃時，提前預(yù)熱工件至250 ℃，可以極大地降低工件產(chǎn)生裂紋的傾向。

熱鍍鋅液的最佳溫度為450~460 ℃，溫度偏高會增加能量消耗，加快鋼質(zhì)鋅鍋的腐蝕，使工件表面形成鋅渣和鋅灰，影響鍍鋅層質(zhì)量；溫度偏低會降低鋅鍋內(nèi)鋅液發(fā)流動性，使工件表面鋅層薄厚不一，局部會產(chǎn)生漏鍍鋅。

因此，對于高強(qiáng)度、厚且大截面構(gòu)件，一定要進(jìn)行250 ℃預(yù)熱后再進(jìn)行熱浸鋅處理，以減少厚且大截面構(gòu)件與鋅液溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

屈服強(qiáng)度500 MPa以上的高強(qiáng)度鋼材，容易產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆現(xiàn)象，對于這些鋼材不建議選用熱浸鋅作為防護(hù)方式。

焊后需要熱浸鋅的工件，應(yīng)當(dāng)采取必要的消應(yīng)力處理，以降低工件表面的拉應(yīng)力，防止熱浸鋅過程產(chǎn)生的液態(tài)金屬裂紋。

本案例中鑄鋼工件補(bǔ)焊位置在熱浸鋅之后發(fā)現(xiàn)開裂，如圖7所示。工件表面經(jīng)打磨后，用4%的硝酸酒精擦洗，發(fā)現(xiàn)在補(bǔ)焊部位（圓形區(qū)域）出現(xiàn)三條交叉裂紋。

圖7 補(bǔ)焊位置在熱浸鋅后開裂

對于熱浸鋅后需要焊接的工件，需把鋅層打磨干凈，這是因?yàn)楹附雍蟮娜鄢販囟雀哂阡\的熔化溫度，鋅揮發(fā)會影響操作人員身體健康，在焊接熱和應(yīng)力的雙重作用下，還會在熔合線附近生成液態(tài)金屬裂紋。

此外，焊前火焰預(yù)熱也會對鋅層產(chǎn)生局部熔化，從而使工件產(chǎn)生液態(tài)金屬裂紋的傾向。

變形后需要熱浸鋅的工件，在變形時要對彎曲面進(jìn)行加熱，以減少工件表面的拉伸應(yīng)力。有文獻(xiàn)指出，屈服強(qiáng)度為235 MPa的鋼材在冷成型后，會在彎曲面形成液態(tài)金屬裂紋。所以不論鋼材強(qiáng)度如何，經(jīng)冷變形后該鋼材均有極大的液態(tài)金屬致脆傾向。

一般認(rèn)為，當(dāng)工件的實(shí)際服役環(huán)境溫度達(dá)到表面鍍層金屬熔點(diǎn)溫度的1/2~2/3時，低熔點(diǎn)金屬處于一定的熱激活狀態(tài)，會與基體元素相互擴(kuò)散發(fā)生化學(xué)吸附，晶界存在雜質(zhì)元素富集和沿晶界析出的脆性第二相粒子，在一定的應(yīng)力作用下，低熔點(diǎn)金屬會沿著晶界滲入到基體內(nèi)部致其脆化。所以熱浸鋅工件的服役溫度應(yīng)盡可能低于200 ℃。

對高強(qiáng)度鑄鋼工件，尤其是厚且大截面工件進(jìn)行熱浸鋅時，很容易產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆，使工件產(chǎn)生較深的沿晶裂紋。針對此情況，應(yīng)該盡量消除內(nèi)部殘余拉應(yīng)力；在熱浸鋅過程時，有必要控制合適的鋅液溫度，并對工件進(jìn)行必要的鍍前預(yù)熱；在焊接成型時，需要把表面鍍層打磨干凈，防止生成液態(tài)金屬裂紋。高強(qiáng)度鑄鋼工件在制造或服役過程中會與致脆液態(tài)金屬接觸，為保障工件質(zhì)量和使用壽命，要采取合理的工藝措施，以避免產(chǎn)生液態(tài)金屬致脆。