非金属夹杂物对钢性能的影响及热加工行业论坛的技术交流

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非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂韧性、切削加工、疲劳、热脆性和耐腐蚀性等都有很大影响。一般认为，夹杂物在基体中的成分、数量、形状、分布及空间分布等是影响材料宏观性能的重要因素。S.Ruddnik指出，只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm、数量少，夹杂物间距大于10μm时，才不会影响材料的宏观性能。不同钢种用途不同，对夹杂物的要求也不同。例如，对性能无害的夹杂物临界尺寸，对不同钢种、不同应力状态的要求就不同。

（1）非金属夹杂物对钢强度的影响

夹杂物对钢强度的影响与粒度有密切的关系。在烧结铁中添加不同粒径（0.01～35μm）、形状（球形和有棱角的）、比例（0～8%）的氧化铝颗粒，得到研究结果。室温下，当氧化铝颗粒大于1μm时，屈服强度和抗拉强度均下降；当夹杂物含量很低时，对屈服强度的下降尤为敏感。Masayoshi Hasegawa在浇注钢流中喷射高熔点铝，研究了不同氧化物粒径和体积比对室温抗拉强度的影响。结果表明，喷射氧化铝和氧化锆两种试样的屈服强度和抗拉强度均随颗粒体积比的增加而提高。此外，金属断裂时，裂纹不仅形成在基体中，也常常形成在夹杂物中，使钢断裂。Smith提出了边界夹杂物开裂的强度断裂理论。

（2）非金属夹杂物对钢塑性的影响

夹杂物通常对钢的纵向延展性影响不大，但对横向延展性有明显影响，研究表明，随着夹杂物总量的增加，高强度钢的横截面收缩率下降，夹杂物对钢的横截面收缩率的影响更为显著，随着带状夹杂物的增加，横截面收缩率明显下降，此类带状夹杂物主要为硫化物。Funnell等[29]指出，夹杂物对钢的高温延展性影响很大，低碳钢在奥氏体区的延展性大大降低，其原因是细小的第二相析出物(如AlN、TiN、Nb(C、N)等)能有效地钉扎奥氏体晶界，从而降低延展性。

（3）非金属夹杂物对钢断裂韧性的影响

文献指出，S和硫化物含量的增加使钢的各项韧性指标降低，钢的断裂韧性随夹杂物数量或长度的增加而降低。曾光廷等研究了硫化物和氮化物夹杂对钢断裂韧性的影响，分析了夹杂物含量对断裂韧性的影响，并与Krafft模型的计算值进行了比较。结果表明，对断裂韧性的破坏从小到大为VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS；夹杂物含量对断裂韧性的影响从小到大为VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS，与夹杂物的尺寸成线性反比，TiS对断裂韧性没有影响。一些研究工作探讨了夹杂物作为裂纹源的作用。研究表明，钢中脆性夹杂物由于其与钢基体的热膨胀系数不同，容易在夹杂物周围产生内应力。

李代忠认为，为了使钢具有良好的韧性，并尽可能地减小韧性各向异性，对夹杂物的要求是：

①夹杂物的体积分数应尽可能低；

②夹杂物分布均匀；

③包裹体形状应致密；

④夹杂物的硬度应为钢基体的两倍，以尽量减少夹杂物在热加工过程中的变形。