非金属夹杂物对钢性能的影响

2006年7月

　　　　　　　　　物理测试　　　　　　PhysicsExaminationandTesting

Vol.24,No.4

　July.2006

非金属夹杂物对钢性能的影响

张爱梅

(钢铁研究所,乌鲁木齐830022)

摘　要:通过介绍非金属夹杂物的来源,结合失效实际分析非金属夹杂物对钢质量和性能的影响.关键词:非金属夹杂物;性能;影响

中图分类号:TG113　　文献标识码:B　　文章编号:1001207772(2006)0420042203

EffectofNon2metallicInclusiononPropertyofSteel

ZHANGAi2mei

(XinjiangIronandSteelResearchInstitute,Urumchi830022,Xinjiang,China)

Abstract:Theoriginofnon2metallicinclusionarepresented.Theeffectofnon2metallicinclusiononthepropertyofthesteelareanalyzedbyrepresentativefailure.Keywords:non2metallicinclusion;property;effect

　　随着近代精炼技术的发展,钢的“洁净度”大大提高,然而还无法避免钢中内生夹杂物的产生。非金属夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。因此夹杂物的数量及分布形态是衡量钢材质量的重要指标之一,笔者结合失效实例,探讨非金属夹杂物对钢质量及性能的影响。

变形的夹杂物周围塑性流动时,产生很大的张力而使金属和夹杂物界面的联结断裂,形成空隙。另一种情况是由于夹杂物周围的应力而使夹杂物破碎生成空隙[1]。材料从屈服到断裂的过程,可以认为是夹杂物导致裂纹萌生和裂纹长大变宽的过程。

3　非金属夹杂物对钢的塑性和

1　非金属夹杂物的来源

　　钢中非金属夹杂物来源归纳为内生和外来,内

生夹杂物是钢在脱氧和凝固时产生的。由于钢的冶炼过程是一种氧化2还原过程,在钢液中存在大量氧、氮、硫等杂质元素,为了防止杂质元素有害作用,往往在冶炼过程中需经脱氧和脱硫处理,从而生成大量的脱氧和脱硫产物,此脱氧和脱硫产物在钢液凝固前大部分已上浮,部分残留在钢中形成内生夹杂物。外来夹杂物是由耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇注过程中进入钢中来不及上浮而滞留在钢中造成的,一般外来夹杂物的特征是:形状不规则,尺寸较大,偶尔在这里或那里出现。

韧性的影响

3.1　非金属夹杂物与材料塑性

2　非金属夹杂物与裂纹的形成

　　夹杂物往往被视为显微裂纹的发源地,在疲劳

裂纹和塑性加工中生成的裂纹也往往与夹杂物存在有密切关系,这是由于比较容易变形的金属在难以

　　金属材料的断裂过程是裂纹的发生和不断发展的过程,而夹杂物是裂纹生成的发源点,因此夹杂物对金属材料的延伸率和断面收缩率等塑性指标影响很大。从图1中可以看出:每个视场内夹杂物的数目增多,则钢的横向断面收缩率减小。3.2　非金属夹杂物与材料韧性　　夹杂物在韧性断裂中起着决定性的作用,金属的韧性断裂过程是由夹杂物处在应力作用下引起的空隙开始的,由于夹杂物和析出物同基体金属的弹性、塑性有相当大的差别,所以在金属的变形过程中,夹杂物和析出物不能随基体发生变形,这样在它的周围就产生愈来愈大的应力,而使夹杂物本身破裂,或者是使夹杂物与基体的界面脱开而产生微裂纹。随着变形的不断进行,微裂纹不断发生和发展成空洞,它们随应变方向延伸。随着空洞的

作者简介:张爱梅(19762),女,大学本科,助理工程师;　　E2mail:zhangam@bygt.com.cn;　　修订日期:2005212222

第4期　　　　　　　　　　　　　张爱梅:非金属夹杂物对钢性能的影响　43

不断扩大,以致最后相邻空洞互相连接而导致最终破断[1]。　　失效实例:65钢盘条用做硬线的母材,在后续拉拔成制品过程中常出现断裂现象,断口形貌如图2所示。

图2　断口形貌

Fig.2　Morphologyoffracture

图1　夹杂物与断面收缩率的关系Fig.1　Dependenceofreductioninareaoninclusion　　对该斜断口进行扫描电镜分析,发现断裂源起

源于钢丝表面。断裂源附近有夹杂(图3),由于非金属夹杂物同基体金属的弹性、塑性有相当的差别,非金属夹杂物对钢的塑性和韧性的影响很大,所以盘条在拉拔变形时,夹杂物不能发生相应的变形,这样在它的周围就产生越来越大的应力,使夹杂物和基体的界面产生微裂纹,一旦受到拉应力或切应力的作用,沿夹杂物方向就产生破裂,从而造成盘条在拉拔过程的断裂。

图3　斜断口断裂源处夹杂物SEM照片

Fig.3　SEMmorphologyofinclusioninfracture

4　夹杂物对钢的疲劳性能的影响

　　一般来说,非金属夹杂物诱发钢中的疲劳裂

纹有两个途径[1]:其一是钢在服役条件下夹杂物不能传递钢基体中存在的应力,在夹杂物的周围可达到临界的峰值应力,夹杂物对裂纹的形成就有直接成核的效果;另一途径是在钢冷热加工期间,夹杂物具有的变形度,在加工过程中可在夹杂物与基体的界面上导致微裂纹,因此可以认为夹杂物是钢疲劳破坏的起源。从图4所示的结果表明:对于同一类型的夹杂物来说,随其含量增加疲劳极限下降。当其他条件相同时,夹杂物颗粒愈大,则不利的影响愈大。

夹杂物:1～10μm,5～50μm

A—球形;B—多角形

图4　氧化铝夹杂物数量、大小和形状对疲劳极限的影响

Fig.4　Effectofamount,sizeandshapeforAl2O3

inclusiononfatiguestrength

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　　失效实例:图5所示冷变形弹簧钢丝断裂宏观

形貌,从宏观形貌可以看出箭头所示部位为断裂源,其断口具有疲劳断口的宏观特征,微观观察,在裂纹源处存在大颗粒夹杂物(图6),引起弹簧早期疲劳断裂的主要原因是钢丝表面存在夹杂物,在使用时以夹杂物为核心形成疲劳源。

轧制时的开裂。　　失效实例:图7所示是在轧制弹簧钢板时出现的翘皮缺陷,经检验翘皮缺陷中存在大量夹渣和大量夹杂物(图8),此类夹杂物直接导致弹簧钢板在轧制时开裂而失效。

图7　弹簧钢板翘皮缺陷

图5　弹簧断口形貌Fig.5　FracturemorphologyFig.7　Stickupdefectinspringsteelplate

图8　裂纹内夹渣和大量夹杂物

Fig.8　Slaginclusionincrack

6　结　语

图6　裂源处夹杂SEM照片1000X

Fig.6　SEMphotoofinclusioninfracture

　　从失效实例说明非金属夹杂物对钢的性能的影

响是很大的,生产出非金属夹杂物少的洁净钢或控制非金属夹杂物的性质和形态,这是冶炼和浇注过程中的一个关键问题。

参考文献:

[1]　上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海

5　钢中卷渣(或夹渣)对钢的影响

　　钢中卷渣(或夹渣)是不允许出现的,它通常是

在冶炼以及浇注过程中钢液表面的炉渣或者从出钢槽、钢水包等剥落的耐火材料,在钢液凝固前未能浮出而存留在钢的内部。这种缺陷的存在将造成钢材

科学技术文献出版社,1987.