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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-11-04 19:23
隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展對鋼的強度、韌性、加工性能等要求日趨嚴格,對鋼鐵材質(zhì)要求也越來越高。非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼中,破壞了鋼基本的連續(xù)性，使鋼組織的不均勻性增大。因此鋼中非金屬夾雜物的存在，對鋼的性能產(chǎn)生強烈影響。根據(jù)非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量等因素的不同，對鋼性能的影響也不同。也因此在提高金屬材料的質(zhì)量時，生產(chǎn)非金屬夾雜物少的潔凈鋼或控制非金屬夾雜物性質(zhì)和要求的形態(tài)，是冶煉和鑄錠過程中的一個艱巨任務(wù)。
鋼中非金屬夾雜物的來源分類
1內(nèi)生夾雜物
鋼在冶煉過程中，脫氧反應(yīng)會產(chǎn)生氧化物等產(chǎn)物，若這些產(chǎn)物在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中；
Mn+FeO → Fe+MnO
Si+2FeO → SiO2+2Fe
2Al+3FeO → 3Fe+Al2O3
Ti+2FeO → 2Fe+TiO2
溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質(zhì)元素在降溫和凝固時，或固溶體中析出，最后留在鋼錠中。
內(nèi)生夾雜物分布比較均勻，顆粒也較小，正確的操作和合理的工藝措施可以減少其數(shù)量和改變其成分、大小和分布情況，不過一般是不可避免的。
2外來夾雜物
鋼在冶煉和澆注過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內(nèi)壁剝落的耐火材料或其他夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物。
這類夾雜物一般特性是外形不規(guī)則，尺寸比較大，也無規(guī)律，又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。
鋼中非金屬夾雜物按化學(xué)成分分類
01氧化物系夾雜
氧化物系夾雜物是鋼中常見的非金屬夾雜物，主要由氧與金屬元素反應(yīng)生成的氧化物組成。它們的形態(tài)、成分和分布會影響鋼的力學(xué)性能、加工性能等。
主要成分：氧化鐵（Fe?O?）、氧化鈣（CaO）、氧化鋁（Al?O?）、氧化硅（SiO?）等。
影響：
氧化物夾雜物通常硬度較高，因此在鋼材的加工過程中容易導(dǎo)致刀具磨損。
氧化物通常會影響鋼的韌性和強度，因為它們會在應(yīng)力集中點形成裂紋。
在某些情況下，氧化物夾雜會影響鋼的耐腐蝕性能，尤其是在高溫或潮濕環(huán)境中。
02硫化物系夾雜
硫化物系夾雜物通常是由鋼中的硫與其他金屬元素反應(yīng)生成的化合物。
主要成分：硫化鐵（FeS）、硫化錳（MnS）、硫化鈣（CaS）等。
影響：
硫化物夾雜物通常對鋼的塑性和延展性有負面影響，尤其是在低溫環(huán)境下，可能導(dǎo)致鋼材脆化。
這些夾雜物會影響鋼的韌性，特別是在發(fā)生疲勞或沖擊載荷時，容易形成裂紋。
由于硫化物通常較易溶解和分散，因此會在鋼的表面形成斑點，影響鋼的表面質(zhì)量。
硫化物夾雜物會降低鋼的焊接性，容易在焊接過程中產(chǎn)生裂紋。
主要是鋼及鐵中產(chǎn)生的FeS、MnS、CaS等。由于低熔點的FeS易形成“熱脆”,所以一般均要求鋼中要含有一定量的Mn，使S與Mn形成熔點較高的MnS而消除FeS的危害。因此鋼中硫化物夾雜主要是MnS。
鑄態(tài)鋼中硫化物夾雜的形態(tài)通常分為三類:
第一類 形態(tài)為球形，這種夾雜物通常出現(xiàn)在用硅鐵脫氧或脫氧不完全的鋼中。
第二類 在金相下表現(xiàn)為排成鏈狀的極細的針狀夾雜。
第三類 呈塊狀，外形不規(guī)則，呈任意狀分布，在過量Al脫氧時出現(xiàn)。
03氮化物系夾雜
氮化物夾雜物是由鋼中的氮與金屬元素反應(yīng)生成的化合物，雖然鋼中的氮含量較低，但氮化物仍可能對鋼的性能產(chǎn)生影響。
主要成分：氮化鈦（TiN）、氮化鋁（AlN）、氮化鈣（Ca?N?）等。
影響：
氮化物通常較為堅硬，可能導(dǎo)致鋼材的加工困難，特別是在切削加工過程中。
氮化物對鋼的強度、耐磨性有一定的提升作用，但過多的氮化物可能會導(dǎo)致鋼的韌性下降。
在高溫條件下，氮化物可能影響鋼的耐熱性能。
當鋼中加入與氮親和力較大的元素時形成AlN、TiN、ZrN、VN等氮化物。在出鋼，澆鑄過程中鋼流與空氣接觸，空氣中的氮在鋼中溶解使氮化物的數(shù)量顯著增加。
鋼中非金屬夾雜物按形變能力分類
鋼中非金屬夾雜物按形態(tài)與分布分類
A類（硫化物類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比的單個灰色夾雜物，一般端部呈圓角。
B類（氧化鋁類）：大多數(shù)沒有變形，帶角，形態(tài)比?。ㄒ话悖?），黑色或帶藍色的顆粒，沿軋制方向排成一行，至少有3個顆粒。
C類（硅酸鹽類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（一般≥3）的單個黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角。
D類（球狀氧化物類）：不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比小（一般＜3），黑色或帶藍色的，無規(guī)則分布的顆粒。
Ds類（單顆粒球狀類）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的膽顆粒夾雜物。
鋼中非金屬夾雜物對性能的影響
對使用性能的影響
1、疲勞性能
2、沖擊韌性↓塑性
3、耐腐蝕性
對于尺寸小于10μm的夾雜物 促進組織形核，焊接時組織晶粒長大。
（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在連鑄、加熱過程中都會析出，形核C、N化合物（一種微型夾雜物）
（2）鈣化處理的硫化物、硅酸鹽類以及細小的氧化亞鐵
可以細化晶核。有利于鋼板的韌性、塑性以及強度
當非金屬夾雜物尺寸大于50μm時，降低了鋼的塑性、韌性和疲勞壽命，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。一般我們鋼水中夾雜物尺寸都為大于50μm。大型夾雜物不利用鋼板韌性、塑性以及強度指標。除了這些性能外，還有降低抗酸性能、疲勞性能、表面光潔度以及焊接性能。
對工藝性能的影響
1、 對鍛造和冷加工、淬火加熱和焊接過程易開裂。
2、 軋制后表面質(zhì)量以及磨削后零件表面粗糙度降低。
對鋼板強度、延伸的影響
當夾雜物顆粒比較大（＞10μm），特別是夾雜物含量較低時。明顯降低鋼的屈服強度，且同時降低鋼的抗拉強度；當夾雜物顆粒小到一定尺寸（＜10μｍ）時，鋼的屈服強度和抗拉強度都將提高。當鋼中彌散的小顆粒的夾雜物數(shù)量增加時。鋼的屈服強度和抗拉強度都有所提高，但延伸率有很小的下降。
對疲勞性能的影響
一般認為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。結(jié)合力弱、尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物對疲勞性能影響大，而且強度越高，危害性越大，如圖1所示。對于高強鋼，如果構(gòu)件表面加工狀態(tài)良好，裂紋萌生于夾雜物成為主要的疲勞開裂方式。小尺寸的夾雜物可能對裂紋形核影響不大，但是有利于疲勞裂紋擴展。圖2為小夾雜物周圍的空洞形成和生長示意圖，認為韌窩和小于0.5 mm的夾雜物有關(guān)。
圖1 同一應(yīng)力水平下的夾雜物尺寸與疲勞壽命
圖2 不相鄰夾雜物間微空洞形成示意圖
失效實例：
某裝備電機彈性軸運行一段時間后斷裂，圖3為斷口宏觀形貌，從斷口表面宏觀疲勞條紋的指向及放射狀條紋的走向可以看出，裂紋起始于彈性軸表面，且與軸表面一條縱向條紋相對應(yīng)。由于裂紋起始部位斷口表面磨損嚴重，原始斷裂表面的形態(tài)特征不清晰。經(jīng)對運行一段時間未斷裂的彈性軸進行宏觀和微觀觀察，如圖4所示，彈性軸表面存在不同
程度縱向裂紋，裂紋發(fā)生部位伴有非金屬夾雜物，能譜分析結(jié)果表明，裂紋中的非金屬夾雜物為鋁的氧化物。電機彈性軸球狀氧化物類夾雜物及單顆粒球狀類夾雜物為2.0 級。引起彈性軸過早斷裂的主要原因為交變應(yīng)力作用下，以夾雜物為核心形成疲勞源而發(fā)生的疲勞斷裂。
圖3 斷裂電機彈性軸斷口宏觀形貌
圖4 彈性軸夾雜物SEM分析
對耐腐蝕性能的影響
鋼中非金屬夾雜物是導(dǎo)致鋼耐腐蝕性能降低的重要原因。非金屬夾雜物與基體鋼之間有不同的化學(xué)位，與基體鋼之間易形成微電池，一旦有環(huán)境腐蝕介質(zhì)存在，就會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，形成腐蝕坑和裂紋，嚴重者會導(dǎo)致破裂失效。
失效實例：供暖水管過早泄露，材質(zhì)為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼。圖5（a）為泄露水管宏觀形貌，在泄露點附近水管表面已發(fā)生銹蝕。清除氧化腐蝕產(chǎn)物后，可以看到泄露點所在部位焊縫存在明顯溝槽，如圖5（b）所示。經(jīng)過對送檢泄露水管和原始水管進行金相、夾雜物、能譜及模擬加速腐蝕試驗等綜合分析后得出，焊縫部位存在與內(nèi)表面貫通的氧化物夾雜或復(fù)合氧化物夾雜是水管發(fā)生局部腐蝕、形成腐蝕溝槽并導(dǎo)致過早泄露的主要原因。在管內(nèi)含有O2、S、Cl 等腐蝕性介質(zhì)作用下，非金屬夾雜將和與之毗鄰的金屬鐵構(gòu)成腐蝕電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致最終水管泄露。
圖5 泄漏水管宏觀形貌
對氫致延遲斷裂的影響
侵入材料內(nèi)部的氫或是介質(zhì)與材料表面電化學(xué)作用產(chǎn)生的氫，在一定條件下將不斷擴散，較易在陷阱例如夾雜物等缺陷處聚集結(jié)合成氫分子，當陷阱處氫分子壓力超過材料的強度極限時，形成裂紋核，隨著氫的繼續(xù)擴散、聚集，最終導(dǎo)致材料的宏觀斷裂。
影響氫致開裂的因素很多，但是對某一特定鋼種來說，除去工藝因素的影響外，夾雜物的影響是最主要的。夾雜物是氫的強陷阱，非金屬夾雜物（特別是長條狀的MnS）周圍氫壓很高，夾雜物與基體界面的結(jié)合強度相對較弱，隨著氫壓增大會在夾雜與基體界面萌生裂紋。氫致裂紋在夾雜物處形核概率較大。夾雜物級別越多，數(shù)量越高時，導(dǎo)致氫致開裂的敏感性越大。
失效實例：某液化石油氣公司的200 m3液化石油氣儲罐，材質(zhì)為16Mn，板厚24mm，工作壓力為1.18 MPa。使用多年后在球罐表面發(fā)生開裂鼓包54個，其中20個已經(jīng)開裂。經(jīng)金相檢驗及SEM和能譜分析發(fā)現(xiàn)鼓包及附近存在嚴重的MnS夾雜，鼓包內(nèi)為氫氣。發(fā)生鼓包原因是由于陰極析氫反應(yīng)導(dǎo)致滲入鋼中的氫在夾雜物-基體界面缺陷部位聚集并形成鼓包，鼓包表面裂紋是張應(yīng)力作用下發(fā)生的氫致延遲斷裂。圖6為儲罐內(nèi)外表面鼓包宏觀形貌。圖7為鼓包內(nèi)壁表面微觀形貌及Mn、S元素面分布圖。非金屬夾雜物嚴重是形成氫鼓包及鼓包開裂的材質(zhì)因素。
圖6 儲罐鼓包宏觀形貌
圖7 鼓包內(nèi)壁表面微觀形貌及其Mn、S元素面分布圖
試樣制備對鑒定夾雜物的影響
試樣制備的好壞，直接影響夾雜物的鑒別工作，如果利用普通金相試樣的制備方法，可能引起大量的夾雜物剝落,或造成嚴重的“拖尾”現(xiàn)象和相界不清，對于準確地觀察夾雜物的分布、大小和形狀均受到很大的干擾。試樣表面粗糙，能使各向異性夾雜物的各向異性效應(yīng)變?nèi)酰渲劣谠斐膳袛嗌系腻e誤，因此用于鑒別夾雜物觀察的試樣，必須精心制備，使其具有較高的表面光潔度，并且夾雜物的相界輪廓清晰，絕大多數(shù)夾雜物尚未剝落,沒有“拖尾”現(xiàn)象存在。只有制備出這樣的金相試樣，才能準確地測定夾雜物的光學(xué)性質(zhì)。
鋼中非金屬夾雜物在顯微鏡下的特征及鑒定
1. 明視場下觀察
在明視場下是以觀察夾雜物的形狀、分布、變形行為、大小、數(shù)量、組織、反射本領(lǐng)及其色彩等項目來識別夾雜物的屬類。
2. 夾雜物的外形
夾雜物的外形有規(guī)則的幾何形狀，像玻璃質(zhì)SiO2呈球狀，TiN呈方形；不規(guī)則的形狀,如FeO呈卵形，多角形鋁硅酸鹽玻璃呈脆性破碎粒狀。
3. 夾雜物的分布
一般的硅酸鹽呈單獨的孤粒形狀分布，Al2O3和FeO·MnO等氧化物聚集成群呈串狀分布，而FeS及FeS·FeO則沿晶界分布。
4. 夾雜物的透明度和色彩
夾雜物的透明度可分為透明、不透明兩類。透明的夾雜物在暗場下顯得十分明亮，如硅酸鹽夾雜在暗場和偏光下有明顯的反光能力。在暗場下透明，并有反光的環(huán)圈，在偏光下有暗黑十字架現(xiàn)象。而硫化物、氧化鐵在明場下沒有反光能力。TiN夾雜在明場下反光能力較強，呈金黃色。MnS顯灰蘭色。
來源：Internet
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