(Mn,Fe)S单晶体的发现过程

ZG25钢铸件中发现大量(Mn,Fe)S夹杂物

(Mn,Fe)S是钢中最常见的非金属夹杂物。在优质钢中，由于它对性能的有害作用，人们想尽各种办法脱硫，使之越少越好；而在易切削钢中，又人为地向钢中加入一定数量的硫，使之形成更多的硫化物，改善钢的切削性能。硫化物的形态不论从金相抛光试样，还是从断口上观察，都是容易识别和鉴定的，通常是球形、椭球形、长条形或骨骼状。作者在研究某厂生产的火车车轮侧架ZG25钢铸件表面裂纹产生原因时，用SEM505扫描电镜对裂纹的断口进行观察，在断口的穿晶和沿晶显微断裂面上发现了异常的(Mn,Fe)S夹杂物，图1～图6是分布在晶内和晶界上的各种形态和特征的(Mn,Fe)S夹杂物。(Mn,Fe)S夹杂物就其形状和尺寸区分，可分为三种：一是长条状或骨骼状；二是在大韧窝中的10～20μm的无规则形状的大颗粒(Mn,Fe)S夹杂物；三是在非常细小的韧窝中弥散分布的小球状或锥状(Mn,Fe)S夹杂物，在晶界上也分布着大颗粒和细小球状两种形态的(Mn,Fe)S夹杂物，见图6分析指出，前两种(Mn,Fe)S夹杂物是直接由钢液中液滴状(Mn,Fe)S夹杂物在凝固后形成的，而细小弥散分布的(Mn,Fe)S是因钢液中Mn、S含量较高，在凝固时从钢中析出的。在钢中存在如此多的(Mn,Fe)S夹杂物是非常少见的。虽然(Mn,Fe)S是晶体，可它的生长受到周围钢基体的限制，不能自由地生长，因此不能像雪花那样容易形成美丽的外观形态，所以目前人们还无法直接看到它具有对称性的多面体晶体特征，很难亲眼目睹它的自然晶体形貌。在ZG25钢中存在如此多的(Mn,Fe)S夹杂物已经破坏了钢基体的连续性，显著地降低了钢的强度和韧性。

因祸得福—在显微气泡壁上发现了(Mn,Fe)S单晶体

ZG25钢中存在大量(Mn,Fe)S夹杂物是冶炼的失败，是不能允许的冶金缺陷。在继续分析裂纹产生的原因时，扫描电镜在显微断口上发现了一些皮下显微气孔，确定了铸件表面裂纹与显微气孔有对应关系。在显微气孔壁上发现了大量的夹杂物，图7～图16是显微气孔局部放大像。图中可见，在光滑的气孔壁上，分布着两种类型的夹杂物，一种是颗粒较大的夹杂物，如图7、图8、图10图11、图13、图14所示；另一种是颗粒非常细小、弥散分布的夹杂物，如图12、图15、图16所示。X射线能谱仪鉴定这两种形态的夹杂物都是硫化锰铁，即(Mn,Fe)S。定量分析证明：不同颗粒(Mn,Fe)S夹杂物中所含Mn、Fe、S的成分并不相同。仔细观察大颗粒的(Mn,Fe)S，意外地在其表面上看到很多单晶体生长台阶花样，这引起作者极大兴趣。于是在高倍下对(Mn,Fe)S进行了大量观察，发现了存在于钢中的罕见的(Mn,Fe)S单晶体，拍摄了上百张形态各异，显示自然单晶体规则图形的(Mn,Fe)S单晶体形貌照片。但在上面所述的基体中的(Mn,Fe)S却看不到单晶体的多面体自然形态，它的表面凸凹不平，完全是另一种形态。

图1

晶内大韧窝中大颗粒和弥散分布的(Mn,Fe)S夹杂物

图2

晶内大颗粒和弥散分布的(Mn,Fe)S夹杂物

图3

晶内大颗粒(Mn,Fe)S夹杂物

图4

镶嵌在晶体上的(Mn,Fe)S夹杂物

图5

晶内骨骼状(Mn,Fe)S夹杂物

图6

晶内长条状球状(Mn,Fe)S夹杂物

图7

在气泡壁上形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图8

在气泡壁上形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图9

在气泡壁上析出的非常细小的(Mn,Fe)S

图10

在气泡壁上形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图11

在气泡壁上弥散分布的形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图12

在气泡壁上析出的(Mn,Fe)S

图13

气泡壁上形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图14

气泡壁上形态各异的(Mn,Fe)S单晶体

图15

钢内一个小气泡，在气泡壁上析出弥散分布的(Mn,Fe)S

图16

气泡壁上的菱形(Mn,Fe)S

显微气泡是铸钢件中严重的冶金缺陷，可它为(Mn,Fe)S单晶体的生长提供了自由生长的空间和恒温恒压热力学条件，所以，能够发现(Mn,Fe)S单晶体也可以说是因祸得福，实出偶然。