钢中非金属夹杂物知识

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非金属夹杂物对钢力学性能的影响

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非金属夹杂物是指存在于钢中的金属或非金属化合物。在钢铁材料中一般都含有非金属夹杂物，这些夹杂物的种类和形状是多种多样的，对钢材的影响程度也不一样。

一般来说，非金属夹杂物的存在对钢具有以下影响：

（1）破坏金属基体的连续性，在热处理时易引起淬火裂纹；

（2）当金属承受载荷特别是动载荷时，易造成应力集中，使钢的力学性能特别是疲劳强度降低，甚至导致机械零件在使用过程中断裂失效；

（3）非金属夹杂物的存在还使钢的耐蚀性降低，并使机械加工后的表面粗糙度增加；

（4）较严重的非金属夹杂物在钢经热加工后呈带状分布，从而造成力学性能的方向性；

（5）夹杂物的存在还会使冲压件的性能变化，易在夹杂物集中处开裂。

所以，钢中的非金属夹杂物应该被看做是一种组织缺陷。当然，正常的夹杂物含量对钢材的使用一般不会有什么影响，有些钢材或零配件反而希望多含一些夹杂物，如含硫易切削钢，大量硫化物的存在不仅改善了切削性能，还适用于自动车加工的大批量生产。

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非金属夹杂物的分类

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钢中非金属夹杂物的来源通常可以分为两类：

一类是外来的非金属夹杂物，即在冶炼、浇注过程中的炉渣及耐火材料剥落后进入钢液中形成的；

另一类是内在的非金属夹杂物，即在冶炼及浇注过程中物理化学反应的生成物，如氧化物、硅酸盐、硫化物等。

非金属夹杂物可按化学成分划分，也可按可塑性划分。

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按夹杂物的化学成分分类

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图1a 明视场观察呈灰色

图1 b  正交偏光观察

图1c 暗场观察

图1 复杂氧化物及硅酸盐玻璃体

1）氧化物 简单氧化物，

即FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3、SiO2、ZrO2、TiO2等，一般在钢中呈颗粒状或球状分布。

复杂氧化物包括尖晶石类氧化物和各种钙的硅酸盐，这些复杂氧化物的熔点高于钢的冶炼温度，并有一个相当宽的成分变化范围，在钢液中呈固态存在，是多相夹杂物，如图1中的箭头2所示。

2）硅酸盐及硅酸盐玻璃  

这类夹杂物的化学式可用lFeO·mMnO·nAl2O3·pSiO2表示，成分较为复杂，通常呈多相状态。

由于钢液凝固时冷却速度较快，某些熔融态的硅酸盐来不及结晶，致使其全部或部分呈玻璃态，如FeO·SiO2（铁硅酸盐）、MnO·Si2O（锰硅酸盐）等，如图1中的箭头1所示。

3）硫化物

图2 硫化物夹杂 400X

在钢中主要以FeS、MnS或（MnFe）S等存在，一般在钢中呈球状任意分布，或呈杆状、链状、共晶式在树枝间和初生晶粒的晶界处分布，也有呈块状、具有不规则外形、任意分布的，如图2所示。

4）氮化物  

图3 氮化物及氧化物夹杂 400X

1-氮化物；2-氧化物；3-条状石墨

钢中的氮化物如AlN、TiN、ZrN、VN等，其质点极为细小，呈方形或多角形，如图3所示。

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按夹杂物的可塑性分类

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由于钢中夹杂物在热压力加工时具有不同的塑性，其变形程度各异，可分为以下几种类型：

1）塑性夹杂物

图4 硫化物夹杂 400X

塑性夹杂物在压力加工时沿加工方向伸长为带状、断续条状、纺锤状等，如FeS、MnS、（Mn、Fe）S，以及含SiO2较低（40%-60%）的低熔点硅酸盐等，如图4所示。

2）脆性夹杂物

图5 串连状夹杂物 100X

脆性夹杂物在压力加工时不变形，但沿加工方向破裂成串，如Al2O3、尖晶石及钒、钛、锆的氧化物等，它们都属于高熔点、高硬度的夹杂物，如图5所示。

3）半塑性夹杂物

半塑性夹杂物以具有可塑性的硅酸盐或铝酸钙为主体，并混杂一定数量的脆性氧化物。热加工时，因主体夹杂物变形受阻而使夹杂物形状呈边界不规则的不连续条状。

4）球状（或点状）不变形夹杂物

图6 球状或点状不变形夹杂物 100X

这类夹杂物在热加工过程中仍保持铸态原形而不发生变形。属于此类夹杂物的有SiO2、含SiO2较高（质量分数大于70%）的硅酸盐、CaO及其溶入Al2O3后形成的CaO·Al2O3和CaO·2Al2O3等，如图6所示。

5）对于非金属夹杂物检测

可按GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行评定。

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结束语

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非金属夹杂物作为钢中的精灵，不同形状和性质的夹杂物会对钢材产生不同程度的影响。理想情况而言，都是希望夹杂物越少越好。

摘自：热加工论坛
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