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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。

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-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。

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。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韧性的影响

3.1非金属夹杂物与材料塑性

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。

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。

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：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。

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。

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

图5弹簧断口形貌Fig.5Fracturemorphology图6裂源处夹杂SEM照片1000XFig.6SEMphotoofinclusioninfracture5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。

6、结语

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。

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