夾雜物概念及分類(lèi)
1內(nèi)生夾雜物
鋼在冶煉過(guò)程中，脫氧反應(yīng)會(huì)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(shí)，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(guò)一般是不可避免的。
2外來(lái)夾雜物
鋼在冶煉和澆注過(guò)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(shí)清除而留于鋼中。它是金屬在熔煉過(guò)程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物。
這類(lèi)夾雜物一般特性是外形不規(guī)則，尺寸比較大，也無(wú)規(guī)律，又稱為粗夾雜。這類(lèi)夾雜物通過(guò)正確的操作是可以避免的。
按化學(xué)成分分類(lèi)
按變形能力分類(lèi)
按形態(tài)與分布分類(lèi)
A類(lèi)（硫化物類(lèi)）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比的單個(gè)灰色夾雜物，一般端部呈圓角。
B類(lèi)（氧化鋁類(lèi)）：大多數(shù)沒(méi)有變形，帶角，形態(tài)比小（一般＜3），黑色或帶藍(lán)色的顆粒，沿軋制方向排成一行，至少有3個(gè)顆粒。
C類(lèi)（硅酸鹽類(lèi)）：具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比（一般≥3）的單個(gè)黑色或深灰色夾雜物，一般端部呈銳角。
D類(lèi)（球狀氧化物類(lèi)）：不變形，帶角或圓形的，形態(tài)比小（一般＜3），黑色或帶藍(lán)色的，無(wú)規(guī)則分布的顆粒。
Ds類(lèi)（單顆粒球狀類(lèi)）：圓形或近似圓形，直徑≥13μm的膽顆粒夾雜物。
對(duì)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(duì)于尺寸小于10μm的夾雜物 促進(jìn)組織形核，焊接時(shí)組織晶粒長(zhǎng)大。
（1）由于加入Nb、V、Ti等合金元素，在連鑄、加熱過(guò)程中都會(huì)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(lèi)以及細(xì)小的氧化亞鐵
可以細(xì)化晶核。有利于鋼板的韌性、塑性以及強(qiáng)度
當(dāng)非金屬夾雜物尺寸大于50μm時(shí)，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(qiáng)度指標(biāo)。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(duì)工藝性能的影響
1、 對(duì)鍛造和冷加工、淬火加熱和焊接過(guò)程易開(kāi)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(duì)鋼板強(qiáng)度、延伸的影響
當(dāng)夾雜物顆粒比較大（＞10μm），特別是夾雜物含量較低時(shí)。明顯降低鋼的屈服強(qiáng)度，且同時(shí)降低鋼的抗拉強(qiáng)度；當(dāng)夾雜物顆粒小到一定尺寸（＜10μｍ）時(shí)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都將提高。當(dāng)鋼中彌散的小顆粒的夾雜物數(shù)量增加時(shí)。鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提高，但延伸率有很小的下降。
對(duì)疲勞性能的影響
一般認(rèn)為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。結(jié)合力弱、尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物對(duì)疲勞性能影響大，而且強(qiáng)度越高，危害性越大，如圖1所示。對(duì)于高強(qiáng)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(kāi)裂方式。小尺寸的夾雜物可能對(duì)裂紋形核影響不大，但是有利于疲勞裂紋擴(kuò)展。圖2為小夾雜物周?chē)目斩葱纬珊蜕L(zhǎng)示意圖，認(rèn)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?qiáng)A雜物間微空洞形成示意圖
失效實(shí)例：
某裝備電機(jī)彈性軸運(yùn)行一段時(shí)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(duì)應(yīng)。由于裂紋起始部位斷口表面磨損嚴(yán)重，原始斷裂表面的形態(tài)特征不清晰。經(jīng)對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間未斷裂的彈性軸進(jìn)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(jī)彈性軸球狀氧化物類(lèi)夾雜物及單顆粒球狀類(lèi)夾雜物為2.0 級(jí)。引起彈性軸過(guò)早斷裂的主要原因?yàn)榻蛔儜?yīng)力作用下，以?shī)A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(jī)彈性軸斷口宏觀形貌
圖4 彈性軸夾雜物SEM分析
對(duì)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(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，形成腐蝕坑和裂紋，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致破裂失效。
失效實(shí)例：供暖水管過(guò)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(diǎn)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(diǎn)所在部位焊縫存在明顯溝槽，如圖5（b）所示。經(jīng)過(guò)對(duì)送檢泄露水管和原始水管進(jìn)行金相、夾雜物、能譜及模擬加速腐蝕試驗(yàn)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(guò)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(duì)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(kuò)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(dāng)陷阱處氫分子壓力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，形成裂紋核，隨著氫的繼續(xù)擴(kuò)散、聚集，最終導(dǎo)致材料的宏觀斷裂。
影響氫致開(kāi)裂的因素很多，但是對(duì)某一特定鋼種來(lái)說(shuō)，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(qiáng)陷阱，非金屬夾雜物（特別是長(zhǎng)條狀的MnS）周?chē)鷼鋲汉芨撸瑠A雜物與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較弱，隨著氫壓增大會(huì)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(jí)別越多，數(shù)量越高時(shí)，導(dǎo)致氫致開(kāi)裂的敏感性越大。
失效實(shí)例：某液化石油氣公司的200 m3液化石油氣儲(chǔ)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(kāi)裂鼓包54個(gè)，其中20個(gè)已經(jīng)開(kāi)裂。經(jīng)金相檢驗(yàn)及SEM和能譜分析發(fā)現(xiàn)鼓包及附近存在嚴(yán)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(chǔ)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(yán)重是形成氫鼓包及鼓包開(kāi)裂的材質(zhì)因素。
圖6 儲(chǔ)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
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