非金属夹杂物对钢铁产物的影响

雲飛楊

导语
随着现代工程技术的发展对钢的强度、韧性、加工性能等要求日趋严格,对钢铁材质要求也越来越高。非金属夹杂物作为独立相存在于钢中,破坏了钢基本的连续性，使钢组织的不均匀性增大。因此钢中非金属夹杂物的存在，对钢的性能产生强烈影响。根据非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量等因素的不同，对钢性能的影响也不同。也因此在提高金属材料的质量时，生产非金属夹杂物少的洁净钢或控制非金属夹杂物性质和要求的形态，是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。
钢中非金属夹杂物的来源分类
1
内生夹杂物
钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物等产物，若这些产物在钢液凝固前未浮出，将留在钢中；
Mn+FeO Fe+MnO
Si+2FeO SiO2+2Fe
2Al+3FeO 3Fe+Al2O3
Ti+2FeO 2Fe+TiO2
溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，或固溶体中析出，最后留在钢锭中。
内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，不过一般是不可避免的。
2
外来夹杂物
钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。
这类夹杂物一般特性是外形不规则，尺寸比较大，也无规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
钢中非金属夹杂物按化学成分分类

1
氧化物系夹杂
简单氧化物有FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO、Cu2O等。在铸钢中,当用硅铁或铝进行脱氧时，SiO2和Al2O3夹杂比较常见。Al2O3在钢中常常以球形聚集呈葡萄状。在铝、镁合金中,夹杂主要是Al2O3和MgO。
02
硫化物系夹杂
主要是钢及铁中产生的FeS、MnS、CaS等。由于低熔点的FeS易形成“热脆”,所以一般均要求钢中要含有一定量的Mn，使S与Mn形成熔点较高的MnS而消除FeS的危害。因此钢中硫化物夹杂主要是MnS。

铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类:
第一类形态为球形，这种夹杂物通常出现在用硅铁脱氧或脱氧不完全的钢中。
第二类在金相下表现为排成链状的极细的针状夹杂。
第三类呈块状，外形不规则，呈任意状分布，在过量Al脱氧时出现。
03
氮化物系夹杂
当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成AlN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出钢，浇铸过程中钢流与空气接触，空气中的氮在钢中溶解使氮化物的数量显著增加。

钢中非金属夹杂物按形变能力分类

钢中非金属夹杂物按形态与分布分类

A类（硫化物类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角。
B类（氧化铝类）：大多数没有变形，带角，形态比小（一般＜3），黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行，至少有3个颗粒。
C类（硅酸盐类）：具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角。
D类（球状氧化物类）：不变形，带角或圆形的，形态比小（一般＜3），黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒。
Ds类（单颗粒球状类）：圆形或近似圆形，直径≥13μm的胆颗粒夹杂物。

钢中非金属夹杂物对性能的影响
对使用性能的影响
1、疲劳性能
2、冲击韧性塑性
3、耐腐蚀性
对于尺寸小于10μm的夹杂物 促进组织形核，焊接时组织晶粒长大。
（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在连铸、加热过程中都会析出，形核C、N化合物（一种微型夹杂物）
（2）钙化处理的硫化物、硅酸盐类以及细小的氧化亚铁
可以细化晶核。有利于钢板的韧性、塑性以及强度
当非金属夹杂物尺寸大于50μm时，降低了钢的塑性、韧性和疲劳寿命，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。一般我们钢水中夹杂物尺寸都为大于50μm。大型夹杂物不利用钢板韧性、塑性以及强度指标。除了这些性能外，还有降低抗酸性能、疲劳性能、表面光洁度以及焊接性能。
对工艺性能的影响
1、 对锻造和冷加工、淬火加热和焊接过程易开裂。
2、 轧制后表面质量以及磨削后零件表面粗糙度降低。
对钢板强度、延伸的影响
当夹杂物颗粒比较大（＞10μm），特别是夹杂物含量较低时。明显降低钢的屈服强度，且同时降低钢的抗拉强度；当夹杂物颗粒小到一定尺寸（＜10μｍ）时，钢的屈服强度和抗拉强度都将提高。当钢中弥散的小颗粒的夹杂物数量增加时。钢的屈服强度和抗拉强度都有所提高，但延伸率有很小的下降。
对疲劳性能的影响
一般认为夹杂物是钢疲劳破坏的起源。结合力弱、尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物对疲劳性能影响大，而且强度越高，危害性越大，如图1所示。对于高强钢，如果构件表面加工状态良好，裂纹萌生于夹杂物成为主要的疲劳开裂方式。小尺寸的夹杂物可能对裂纹形核影响不大，但是有利于疲劳裂纹扩展。图2为小夹杂物周围的空洞形成和生长示意图，认为韧窝和小于0.5 mm的夹杂物有关。

图1 同一应力水平下的夹杂物尺寸与疲劳寿命

图2 不相邻夹杂物间微空洞形成示意图
失效实例：
某装备电机弹性轴运行一段时间后断裂，图3为断口宏观形貌，从断口表面宏观疲劳条纹的指向及放射状条纹的走向可以看出，裂纹起始于弹性轴表面，且与轴表面一条纵向条纹相对应。由于裂纹起始部位断口表面磨损严重，原始断裂表面的形态特征不清晰。经对运行一段时间未断裂的弹性轴进行宏观和微观观察，如图4所示，弹性轴表面存在不同
程度纵向裂纹，裂纹发生部位伴有非金属夹杂物，能谱分析结果表明，裂纹中的非金属夹杂物为铝的氧化物。电机弹性轴球状氧化物类夹杂物及单颗粒球状类夹杂物为2.0 级。引起弹性轴过早断裂的主要原因为交变应力作用下，以夹杂物为核心形成疲劳源而发生的疲劳断裂。

图3 断裂电机弹性轴断口宏观形貌
图4 弹性轴夹杂物SEM分析
对耐腐蚀性能的影响
钢中非金属夹杂物是导致钢耐腐蚀性能降低的重要原因。非金属夹杂物与基体钢之间有不同的化学位，与基体钢之间易形成微电池，一旦有环境腐蚀介质存在，就会产生电化学腐蚀，形成腐蚀坑和裂纹，严重者会导致破裂失效。
图5 泄漏水管宏观形貌
对氢致延迟断裂的影响
侵入材料内部的氢或是介质与材料表面电化学作用产生的氢，在一定条件下将不断扩散，较易在陷阱例如夹杂物等缺陷处聚集结合成氢分子，当陷阱处氢分子压力超过材料的强度极限时，形成裂纹核，随着氢的继续扩散、聚集，最终导致材料的宏观断裂。
影响氢致开裂的因素很多，但是对某一特定钢种来说，除去工艺因素的影响外，夹杂物的影响是最主要的。夹杂物是氢的强陷阱，非金属夹杂物（特别是长条状的MnS）周围氢压很高，夹杂物与基体界面的结合强度相对较弱，随着氢压增大会在夹杂与基体界面萌生裂纹。氢致裂纹在夹杂物处形核概率较大。夹杂物级别越多，数量越高时，导致氢致开裂的敏感性越大。
失效实例：某液化石油气公司的200 m3液化石油气储罐，材质为16Mn，板厚24mm，工作压力为1.18 MPa。使用多年后在球罐表面发生开裂鼓包54个，其中20个已经开裂。经金相检验及SEM和能谱分析发现鼓包及附近存在严重的MnS夹杂，鼓包内为氢气。发生鼓包原因是由于阴极析氢反应导致渗入钢中的氢在夹杂物-基体界面缺陷部位聚集并形成鼓包，鼓包表面裂纹是张应力作用下发生的氢致延迟断裂。图6为储罐内外表面鼓包宏观形貌。图7为鼓包内壁表面微观形貌及Mn、S元素面分布图。非金属夹杂物严重是形成氢鼓包及鼓包开裂的材质因素。

图6 储罐鼓包宏观形貌
图7 鼓包内壁表面微观形貌及其Mn、S元素面分布图
试样制备对鉴定夹杂物的影响
试样制备的好坏，直接影响夹杂物的鉴别工作，如果利用普通金相试样的制备方法，可能引起大量的夹杂物剥落,或造成严重的“拖尾”现象和相界不清，对于准确地观察夹杂物的分布、大小和形状均受到很大的干扰。试样表面粗糙，能使各向异性夹杂物的各向异性效应变弱，其至于造成判断上的错误，因此用于鉴别夹杂物观察的试样，必须精心制备，使其具有较高的表面光洁度，并且夹杂物的相界轮廓清晰，绝大多数夹杂物尚未剥落,没有“拖尾”现象存在。只有制备出这样的金相试样，才能准确地测定夹杂物的光学性质。
钢中非金属夹杂物在显微镜下的特征及鉴定
1.
明视场下观察
在明视场下是以观察夹杂物的形状、分布、变形行为、大小、数量、组织、反射本领及其色彩等项目来识别夹杂物的属类。
2. 夹杂物的外形
夹杂物的外形有规则的几何形状，像玻璃质SiO2呈球状，TiN呈方形；不规则的形状,如FeO呈卵形，多角形铝硅酸盐玻璃呈脆性破碎粒状。
3. 夹杂物的分布
一般的硅酸盐呈单独的孤粒形状分布，Al2O3和FeO·MnO等氧化物聚集成群呈串状分布，而FeS及FeS·FeO则沿晶界分布。
4. 夹杂物的透明度和色彩
夹杂物的透明度可分为透明、不透明两类。透明的夹杂物在暗场下显得十分明亮，如硅酸盐夹杂在暗场和偏光下有明显的反光能力。在暗场下透明，并有反光的环圈，在偏光下有暗黑十字架现象。而硫化物、氧化铁在明场下没有反光能力。TiN夹杂在明场下反光能力较强，呈金黄色。MnS显灰兰色。
责任编辑：乔欣
审核人：游小秀


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