一文讀懂非金屬夾雜物對鋼鐵的影響
2024-03-28 14:32:45
作者：材易通 來源：材易通
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非金屬夾雜物是鋼中的一類組成物，是在鋼鐵的凝固和冷卻過程中形成，并隨著冷加工和熱加工過程中經歷一系列的變化。根據其來源，通常會把夾雜物分為外來和內生兩種類別，也可以根據其變形能力分類、按形態與分布分類。這里主要介紹按來源分類。
鋼在冶煉過程中，脫氧反應會產生氧化物等產物，若這些產物在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中；溶解在鋼液中的氧、硫、氮等雜質元素在降溫和凝固時，或固溶體中析出，最后留在鋼錠中，它們幾乎全部成為氧化物、硫化物、硅酸鹽等，這些化合物稱為內生夾雜物。1)氧化物：常見的有氧化鋁，是用鋁脫氧時產生的細小難溶、高硬度的脆性夾雜物。它在熱加工過程中被碎化，然后沿加工方向將小顆粒呈帶狀分布，有時幾條帶并列。這些條帶狀氧化物使鋼的疲勞強度顯著降低。
圖1 氧化鋁夾雜物的微觀形貌
2)硫化物：在高溫下具有較高的塑性，熱加工時可以隨著變形而延伸，有較寬范圍形態比的單個灰色夾雜物，一般端部呈圓角。常見的有硫化亞鐵、硫化錳等，硫化物使鋼材的橫向性能顯著降低。
圖2 細條狀硫化物類夾雜物的微觀形貌
3)硅酸鹽：在高溫下具有較高的塑性，熱加工時可以沿著加工方向延伸，外形粗糙，呈現紡錘形狀。多為復合性夾雜物。
圖3 硅酸鹽類夾雜物的微觀形貌
4)氮化物：它具有較高的熔點和硬度，在熱加工過程中不變形，在顯微鏡下多呈現方形或者規則的幾何形狀。
圖4 塊狀氮化鈦及塊狀碳化鈮夾雜物的微觀形貌
5)點狀不變形夾雜物：它經過熱加工后仍然保持較規則的圓形或者橢圓形。
內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量和改變其成分、大小和分布情況，不過一般是不可避免的。
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，混入的耐火材料和爐渣顆粒通過與鋼液起化學反應不斷在成分和結構上發生變化，就變成了鋼中的外來夾雜物。它是金屬在熔煉過程中與外界物質接觸發生作用產生的夾雜物。這類夾雜物一般特性是外形不規則，尺寸比較大，也無規律，又稱為粗夾雜。這類夾雜物通過正確的操作是可以避免的。非金屬夾雜物分布在金屬的基體組織中，就好像金屬中分布許多強度很低的空隙，這些空隙受到外力作用時會隨著金屬的變形流動，非金屬夾雜物形成的空隙會被拉長、延伸形成裂紋，因此會對斷裂過程中的使用性能（塑性、韌性、疲勞性能等）產生影響。主要表現為：一般認為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。結合力弱、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5所示。對于高強鋼，如果構件表面加工狀態良好，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成影響不大，但是有利于疲勞裂紋擴展。圖6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。
圖6 不相鄰夾雜物間微空洞形成示意圖
非金屬夾雜物的存在對鋼及其產品的質量則起著極大的作用。硫化物夾雜造成鋼的熱脆性。在鋼的冷態下，這些夾雜物影響其強度和延展性。某些硬的角狀夾雜物明顯降低鋼材的斷面收縮率。非金屬夾雜物對鋼的抗拉強度影響更大，優良的鋼材破斷時屬塑性斷裂，當鋼中存在夾雜物聚集或夾雜物沿晶界分布時，其斷裂往往起始于這些地方，從而使強度急劇降低。鋼中非金屬夾雜物是導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位，與基體鋼之間易形成微電池，一旦有環境腐蝕介質存在，就會產生電化學腐蝕，形成腐蝕坑和裂紋，嚴重者會導致破裂失效。對于尺寸小于10μm的夾雜物促進組織形成，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，形成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。1）在鍛造和冷加工、淬火加熱和焊接過程中，由于夾雜物破壞了鋼組織的連續性，一旦受拉應力或者切應力作用，鋼產品將沿著夾雜物分布的方法開裂。
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。
在鋼中非金屬夾雜物的評級過程中，一般會采用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀等設備根據非金屬夾雜物的光學和形態特征鑒定鋼中非金屬夾雜物的種類,并參照有關標準評定夾雜物的級別（一般按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》）,結合夾雜物成分能譜定性、定量分析結果,準確確定夾雜物的組成及來源,為煉鋼連鑄改進生產工藝、減少有害夾雜物的數量、提高鋼的純凈度、生產出高品質的鋼材提供科學依據。定量測定是優質鋼以及高級優質鋼的常規檢測項目之一。夾雜物類型已知的條件下，采用標準等級比較法，以判定鋼材質量的優劣或是否合格。GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標準中規定規定在100倍放大率下進行觀察，評定采用實際面積為0.5mm2、實際視場邊長為0.71mm2的正方形視場。JK標準評級：將夾雜物分為A，B，C和D四個基本類型，它們分別是硫化物、氧化鋁、硅酸鹽和球狀氧化物。根據夾雜物的形態和分布，標準圖譜分為A、B、C、D和DS五大類。每個類型的夾雜物分為0.5、1、1.5、2、2.5、3共六個等級，級別數字越大，表示夾雜物的數量越多，尺寸越大。在GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標準中，對兩夾雜物之間的間距也有相關規定，避免對同一視場出現的同類多條夾雜物產生錯誤評定。A類（硫化物類）：具有高的延展性，有較寬范圍形態比的單個灰色夾雜物，一般端部呈圓角。B類（氧化鋁類）：大多數沒有變形，帶角，形態比小（一般＜3），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，形態比小（一般＜3），黑色或帶藍色的，無規則分布的顆粒。Ds類（單顆粒球狀類）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的單顆粒夾雜物。
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