鋼中夾雜物的大小、數(shù)量和分布是評定鋼材質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是鋼出廠檢驗評判項目之一。夾雜物對鋼的韌性、塑性、疲勞性能、焊接性能以及耐腐蝕性能有著重要的影響。要減輕夾雜物對鋼材性能的影響，就要控制鋼中夾雜物的生成，并全面獲取夾雜物的特征。對于金相檢驗工作者來說，如何正確判斷和評定夾雜物也變得十分重要。
目前，國內(nèi)外對夾雜物檢驗的方法有很多，各夾雜物檢驗標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類方法。
研究人員介紹了鋼中夾雜物的評定方法，分析了DIN 50602—1985《金相檢驗方法 特殊鋼中非金屬夾雜物的高倍金相檢驗》中通過夾雜物面積來評定夾雜物級別的方法，對DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)的一些評定細節(jié)進行了探討，以供金相檢驗人員參考。
1、夾雜物的檢驗方法
1.1 夾雜物低倍檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)
低倍檢驗是一種宏觀檢驗方法，其通過人眼或10倍以下放大鏡對試樣整個表面的組織和缺陷進行分類評級。由于化學(xué)成分的不同，酸蝕后，會在試樣宏觀檢驗面上呈現(xiàn)出不同形狀和顏色的色斑。
國內(nèi)目前常用的夾雜物低倍檢驗標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 4236—2016《鋼的硫印檢驗方法》、GB/T 15711—2018《鋼中非金屬夾雜物的檢驗 塔形發(fā)紋酸浸法》、GB/T 37598—2019《鋼中非金屬夾雜物的檢驗 發(fā)藍斷口法》、YB/T 4003—2016《連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖》、YB/T 4002—2013《連鑄鋼方坯低倍組織缺陷評級圖》、YB/T 153—2015《優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼連鑄坯低倍組織缺陷評級圖》、YB/T 4149—2018《連鑄圓管坯》、TB/T 3031—2002《鐵路用輾鋼整體車輪 徑向全截面低倍組織缺陷的評定》等。
GB/T 4236—2016標(biāo)準(zhǔn)可檢驗鋼中硫化物夾雜的分布位置，并對被檢部位的純凈度進行評估。GB/T 15711—2018標(biāo)準(zhǔn)可檢驗鋼中非金屬夾雜物在加工變形過程中沿鍛軋方向的延伸情況。GB/T 37598—2019標(biāo)準(zhǔn)要求將鋼試樣加熱到適當(dāng)溫度，使其表面產(chǎn)生極薄的藍色氧化膜，再將試樣一次性折斷(也可以先將其折斷再進行熱處理)，利用夾雜物灰白色、淺黃色等特性，檢驗鋼中非金屬夾雜物的尺寸、數(shù)量和分布情況。TB/T 3031—2002標(biāo)準(zhǔn)主要針對車輪系列產(chǎn)品，將非金屬夾雜物分為了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，并按夾雜物大小、數(shù)量進行評級。YB/T 4003—2016、YB/T 4002—2013、YB/T 153—2015、YB/T 4149—2018等標(biāo)準(zhǔn)主要介紹在酸蝕后檢驗非金屬夾雜物和異金屬夾雜物的方法。
低倍檢驗法主要對連鑄坯質(zhì)量進行分析，通過現(xiàn)場取樣檢驗，快速識別坯內(nèi)夾雜物等缺陷，對下一步生產(chǎn)進行指導(dǎo)，但該方法僅能對較大的夾雜物進行低倍定性分析,不能對微觀夾雜物進行定量分析。
王克杰等通過“鋼坯鏡面加工技術(shù)”和“鋼坯全端面檢測技術(shù)”，在全端面上進行全面積純凈度檢測，也可以在整個低倍試樣上進行全體積純凈度檢測，徹底改變小試樣抽檢的純凈度檢測現(xiàn)狀，對夾雜物進行檢測的同時，還可以檢測鋼坯中的氣孔、裂紋等缺陷，突破低倍檢測和高倍檢測的局限性，實現(xiàn)真正意義上的宏觀純凈度檢測。
1.2 夾雜物高倍檢驗的方法標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)外常用的夾雜物高倍檢驗標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》、ISO4967:2013 《鋼非金屬夾雜物含量的測定 使用標(biāo)準(zhǔn)圖的顯微圖像方法》、ASTM E45—2018a《鋼中夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)檢驗法》、JISG 0555—2020《鋼中非金屬夾雜物的顯微測試方法》等。由于GB/T10561—2005以及JISG 0555—2020均等同ISO 4967的1998版標(biāo)準(zhǔn)，故這里主要針對GB/T 10561—2005、ASTM E45—2018a及 DIN50602—1985這3個標(biāo)準(zhǔn),從夾雜物分類、取樣、評級原則等方面進行夾雜物檢驗的對比(見表1)，并對夾雜物檢驗標(biāo)準(zhǔn)提出后續(xù)修訂建議。
2、DIN 50602—1985中夾雜物評定細節(jié)
上述3個夾雜物檢驗標(biāo)準(zhǔn)對夾雜物的分類不同，夾雜物檢驗原理、方法也有差異。其中，GB/T 10561—2005和 ASTM E45—2018a通過確定夾雜物的長度和寬度來評定夾雜物的級別，而DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)是通過計算夾雜物面積來評定夾雜物的級別，雖然以上3個標(biāo)準(zhǔn)都將級別轉(zhuǎn)化為長度和寬度的界限值進行評定，但 DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)卻考慮了超寬、超長對夾雜物的影響以及使用面積評定OG型夾雜物的方法。
DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)通過夾雜物面積來評定夾雜物的級別，更能凸顯夾雜物對鋼性能的影響，故主要對采用 DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)評定夾雜物級別的細節(jié)進行探討，主要包括夾雜物寬度、長度和OG型夾雜物直徑分析方面，供人們評級時了解使用。
2.1 夾雜物寬度增加對級別的影響
GB/T10561—2005和ASTM E45—2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，A類、B類、C類串條狀夾雜物寬度對夾雜物級別的影響主要是夾雜物寬度是否滿足起評最小值，對于超寬的夾雜物，寬度僅影響粗細分類，不影響夾雜物級別。一些加工廠商與鋼廠簽訂夾雜物技術(shù)協(xié)議時，也只是規(guī)定夾雜物級別，對夾雜物是否超寬沒有進行過多要求。Murakami模型將夾雜物面積作為研究重點，量化出夾雜物在平行于裂紋擴展方向的投影面積，使得在鋼材中形成夾雜物面積的評判標(biāo)準(zhǔn)，并且該模型在后續(xù)學(xué)者進行大量試驗驗證中也得到了證實，所以應(yīng)該在相關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)中重視對夾雜物寬度的評定。
將GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)中表1長度和表2中各類夾雜物最大寬度相乘得到夾雜物的基準(zhǔn)面積(見表2)。由于D類和 DS類夾雜物評定不涉及寬度，所以表1主要對A類、B類、C類夾雜物基準(zhǔn)面積進行說明。
采用DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)計算夾雜物面積時，夾雜物的寬度增加一倍，級別相應(yīng)增加1級。為探究GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)中不同類型、級別夾雜物超寬尺寸對夾雜物級別的影響，以表2中A類、B類、C類串條狀夾雜物各級別的面積為基準(zhǔn)，根據(jù)式(1)進行推算(見表3)。
隨著夾雜物總長度的增加，夾雜物級別也在不斷變大，結(jié)合GB/T 10561—2005附錄D中D.2，由級別計算夾雜物的測量值公式，可推導(dǎo)出符合表3中不同類型夾雜物寬度對級別影響規(guī)律的公式為
可以看到，采用GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)中表1和表2進行夾雜物評定時，如果結(jié)合公式(2)、(3)、4)和文中表3，夾雜物寬度影響因子可以有效評估不同夾雜物寬度對級別的影響，進而使夾雜物級別與疲勞失效等計算模型更好地結(jié)合起來，提高顯微檢驗夾雜物的數(shù)據(jù)可利用性。
另外，根據(jù)式(2)、(3)、(4)還可以計算后續(xù)夾雜物級別對應(yīng)的夾雜物寬度與級別增加量。該公式還可以推廣到其余類似的檢測標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 夾雜物長度增加對級別的影響
目前常用的夾雜物評級標(biāo)準(zhǔn)中，夾雜物長度是評定級別的主要影響因素。一般隨著夾雜物長度的增加，級別會按照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)附錄D中 D.1公式進行變化，但當(dāng)單條夾雜物長度超過評定視場0.71mm邊長的方框時，就會被判定為超尺寸夾雜物并標(biāo)注總長度，級別卻不再增加，而鋼材質(zhì)保書中對這些超尺寸標(biāo)注信息一般不予出示，導(dǎo)致較多的超大夾雜物被用戶忽略，從而埋下隱患。
DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)圖1中0~6系列里的6~8級明確說明，對超過單個視場圓直徑的夾雜物，評定時應(yīng)以對應(yīng)系列圖譜下的長度為依據(jù)進行評級，如出現(xiàn)更大長度的夾雜物，統(tǒng)一表示為9級。
DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)對于夾雜物的評定不局限于評級視場大小，對于超過視場的單個串條狀夾雜物，依然采用整體長度和寬度對夾雜物面積進行評級，不對超長夾雜物進行多個視場的分割降級，不額外標(biāo)注超尺寸。建議對 GB/T 10561—2005等夾雜物標(biāo)準(zhǔn)的修訂，不能局限于評級規(guī)則的統(tǒng)一性和完整性，還應(yīng)該從夾雜物評級檢驗的初始目的進行分析。
2.3 DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)中OG型夾雜物的評定
DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)對OG型夾雜物的評定方法界限值等少有說明，但標(biāo)準(zhǔn)中6.2.4條提到在對OG型夾雜物進行評定時，應(yīng)按照圖1進行比較，且不論夾雜物尺寸或密集程度，均根據(jù)夾雜物面積進行評定?？梢钥吹?，雖然標(biāo)準(zhǔn)對 OG型夾雜物的評定方法描述較少，但其評定方法還是同一級別、同一面積的原則。圖1中每個系列圖片均有其對應(yīng)的尺寸界限值，對OG型夾雜物的基準(zhǔn)系列圖譜直徑界限值進行提取并計算面積，再根據(jù)DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)中表3的長和寬計算面積后反推OG型夾雜物直徑，可得到表4。
可以看到，不論根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中圖1還是標(biāo)準(zhǔn)中表3的推導(dǎo)，OG型夾雜物的評定界限值基本相同，說明圖1中OG型夾雜物基準(zhǔn)系列圖譜與表3中的平均長度和平均寬度界限值設(shè)置理念相同，每級面積都是遞增的，長度或?qū)挾瓤s短一半時，級別減小1級。在DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)的實際評級過程中，特別是采用自動金相分析儀時，表3通常較圖1使用更多，所以為了評級過程中面積界限值的一致性，建議根據(jù)表3計算的OG型夾雜物評定界限值。
3、結(jié)論
(1)鋼中夾雜物的檢驗有低倍檢驗和高倍檢驗方法。低倍檢驗法能通過現(xiàn)場取樣檢驗快速識別坯內(nèi)夾雜物等缺陷，指導(dǎo)生產(chǎn)，但低倍方法僅能對較大的夾雜物進行定性分析，不能對微觀的夾雜物進行定量分析。高倍夾雜物檢驗方法對夾雜物的分類不同，各標(biāo)準(zhǔn)的夾雜物檢驗原理、方法也有差異。
(2)對夾雜物寬度評定進行了討論,通過將夾雜物面積作為評定原則，結(jié)合 GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)中表1長度、表2最大寬度以及附錄D中 D.2，推導(dǎo)出了不同類型級別夾雜物寬度對級別影響規(guī)律的公式。
(3)對超長的夾雜物評定進行了討論，建議對于超過視場的單個串條狀夾雜物，依然采用整體長度和寬度對夾雜物面積進行評級，不對超長夾雜物進行多個視場的分割降級。
(4)對OG類夾雜物評定進行了討論，不論根據(jù)DIN 50602—1985標(biāo)準(zhǔn)中圖1還是表3推導(dǎo)，OG型夾雜物的評定界限值基本相同。為了評級過程中面積界限值的一致性，建議采用表3計算OG 型夾雜物的直徑界限值。
作者：王艷陽，胡浩斌，趙志海，魏中潔，王懷偉，程亞南
單位：馬鞍山鋼鐵股份有限公司檢測中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第8期
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