非金属夹杂物对钢的性能的影响与变形规律

当钢材在加工过程中发生变形时，由于非金属夹杂物的存在，金属的连续性会被破坏； 钢材的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能都会降低。 例如，非金属夹杂物会造成应力集中和疲劳断裂； 大量且分布不均匀的夹杂物会显着降低钢的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性； 网络中存在的硫化物会导致热脆性； 夹杂物聚集的腐蚀介质会引起点蚀等。

硫化物的危害

由于MnS易溶于Cl离子水，会降低钢的耐腐蚀性（特别是耐点蚀和缝隙腐蚀）以及钢的塑性、韧性和抗疲劳性能。 如果钢中硫化物含量超过一定标准，铸坯在冶炼、生产和轧制过程中就会产生裂纹。

氧化物和硅酸盐的危害

氧化物和硅酸盐会破坏钢基体的连续性，造成应力集中。 一方面，钢材的横向力学性能会恶化。 另一方面会降低钢材的切削性能，从而降低钢材的塑性、韧性和抗疲劳性能。 性能，如图1所示。氧化物破坏钢基体的均匀性和连续性。 钢材表面的结皮、结疤、凹凸不平、裂纹等缺陷与钢中的SiO2·FeO·Al2O3非金属夹杂物及钛氧化物、氮化物有关。

图 1：氧化物的扫描电子显微镜图像

氮化物的危害

氮化物夹杂物的特点是硬度高、抗变形、成群分布。 随着氮化物的增加，钢的脆性会显着增加，几何氮化物将形成钢脆性穿晶断裂的裂纹源。

非金属夹杂物对钢性能的影响

基体中非金属夹杂物的成分、数量、形状、分布和空间分布都会对钢的强度、塑性、韧性、疲劳、切削加工和耐腐蚀性能产生不同程度的影响。 非金属夹杂物的变形规律如图2所示：

图2：非金属夹杂物的变形规律

非金属夹杂物对钢强度的影响

当金属断裂时，裂纹不仅会在基体中形成，而且常常会在夹杂物中形成。 这是因为当金属变形时，夹杂物不能相应地变形。 夹杂物周围会产生越来越大的应力，导致夹杂物与基体的界面处出现微裂纹。 一旦受到拉应力或剪应力的作用，就会沿界面形成裂纹。 夹杂物的方向会产生裂纹，进而引起断裂。

研究表明，夹杂物对钢强度的影响与粒度密切相关。 当夹杂物颗粒较大（>10μm）时，钢的屈服强度显着降低，钢的抗拉强度也降低； 当夹杂物颗粒足够小到一定尺寸时（<0.3μm），钢的屈服强度和抗拉强度会增加。

非金属夹杂物对塑性的影响

通常夹杂物对钢的纵向延展性影响不大，但对横向延展性影响较大。 随着夹杂物总量和带状夹杂物数量的增加，横向收缩率显着减小。 夹杂物对钢的高温塑性影响很大。 原因是细小的第二相析出物（如AlN、TiN等）能有效钉扎奥氏体晶界，从而大大降低低碳奥氏体钢的塑性。 。

非金属夹杂物对韧性的影响

金属在变形过程中，夹杂物的弹性和塑性与金属有较大差异。 它们不能与基体一起变形，并且会在它们周围产生越来越大的应力，导致它们自身或与基体的界面破裂。 分离会导致微裂纹。 随着变形的继续，微裂纹不断出现并发展成空洞。 空腔不断扩大，导致相邻空腔相互连接并导致破损。 S和硫化物数量或长度的增加会显着降低钢的韧性指标。 研究表明，夹杂物含量与断裂韧性之间存在线性反比关系。

夹杂物对钢疲劳性能的影响

夹杂物诱发钢中疲劳裂纹的途径有两种：一是夹杂物在钢的使用条件下不能传递钢基体中存在的应力，而在夹杂物周围产生应力，出现裂纹，直接形核； 另一种是在钢材加工过程中，夹杂物发生一定程度的变形，从而在界面上形成微裂纹，成为疲劳源。 对失效零件的疲劳断口观察发现，在疲劳损伤最严重的部位存在粗大的脆性或点状不变形夹杂物。

研究发现，随着夹杂物含量的增加，疲劳极限降低； 夹杂物颗粒越大，不利影响越大； 脆性夹杂物比塑性夹杂物影响更大； 外来大块氧化物夹杂较明显； 夹杂物尺寸的变化对疲劳性能的影响远远大于夹杂物含量变化的影响。

夹杂物对切削性能的影响

Al2O3、Cr2O3、MnO、Al2O3和铝酸钙氧化物夹杂物在很大程度上降低钢的切削加工性，但MnO-SiO2-Al2O3系列和CaO-SiO2-Al2O3系列中一定成分范围内的夹杂物可以改善钢的切削加工性。 球形硫化物夹杂物能显着改善钢的切削性能，且硫化物颗粒越大，钢的切削性能越好。

夹杂物对耐腐蚀性能的影响

硫化物和硫化物络合物是钢腐蚀的根源。 复合夹杂物影响较大，而单个氧化物夹杂物则不会引起点蚀。

看完以上内容，相信大家对于钢中非金属夹杂物对钢性能的影响有了比较全面的了解。 钢中的非金属夹杂物对钢的性能有很多影响，这就需要我们在生产过程中加以注意，尽量减少可避免的错误，以保证钢的质量。

选自：《理化测试-物理卷》Vol.51 2015.4