钢材中非金属夹杂物的来源、分类、检验及其对母体性能影响的宏观概述

钢材中非金属夹杂物的来源、分类、检验及其对母体性能影响的宏观概述

杨清钊  程秀

新疆天山钢铁巴州有限公司

摘要：本文综述了钢材中非金属夹杂物的来源、分类、检验方法及其对母体性能的影响。通过分析夹杂物的形成机制和类型，探讨了它们在钢材中的分布和形态。同时，介绍了常用的检验技术，并讨论了夹杂物对钢材力学性能和加工性能的具体影响。

关键词：钢材；非金属夹杂物；来源；分类；检验；母体性能

引言：钢材中的非金属夹杂物是影响其性能的关键因素之一。这些夹杂物可能来源于原材料、冶炼过程或后续加工，它们的类型和分布对钢材的性能有着显著的影响。因此，了解夹杂物的来源、分类及其对母体性能的影响，对于提高钢材质量和性能具有重要意义。

一、非金属夹杂物的来源

1.原材料中的夹杂物

在钢材的生产过程中，原材料，尤其是铁矿石和废钢，是夹杂物的主要来源之一。这些原材料在开采、收集和预处理过程中往往会混入各种非金属物质，如砂石、泥土、耐火材料碎片等。这些夹杂物在冶炼过程中不易被完全去除，因此会残留在最终的钢材产品中。此外，原材料中的合金元素也可能与炉渣反应生成非金属夹杂物。这些夹杂物的大小、形状和分布对钢材的性能有着直接的影响，

2.冶炼过程中的夹杂物

冶炼过程是钢材中非金属夹杂物的另一个重要来源。在冶炼过程中，炉渣与钢液之间的反应、脱氧剂的使用以及合金元素的添加都可能导致非金属夹杂物的形成。例如，脱氧剂如铝、硅等在脱氧过程中会与钢液中的氧反应生成氧化物，这些氧化物如果不能被有效去除，就会成为夹杂物。此外，冶炼过程中的温度控制、搅拌强度和炉渣成分的调整也会影响夹杂物的生成和分布。

3.加工过程中的夹杂物

钢材在轧制、锻造、拉拔等加工过程中也可能引入非金属夹杂物。在加工过程中，由于机械力的作用，原有的夹杂物可能会被破碎或变形，同时，加工设备如轧辊、模具等也可能因为磨损或损坏而将非金属物质带入钢材中。此外，加工过程中的冷却和润滑剂也可能成为夹杂物的来源。因此，加工过程中的设备维护、工艺控制和材料选择对于控制夹杂物的生成和分布同样具有重要意义。

二、非金属夹杂物的分类

1.根据化学成分分类

非金属夹杂物在钢材中的存在，其化学成分的多样性是影响其性质和行为的关键因素。根据化学成分，非金属夹杂物主要可以分为以下几类：氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物以及复合夹杂物。氧化物如Al2O3、SiO2等，通常由于冶炼过程中的氧化反应形成，它们具有较高的熔点和硬度，对钢材的加工性能和机械性能产生显著影响。硫化物如MnS、FeS等，主要来源于原材料中的硫元素，它们在钢中的分布较为分散，对钢材的切削性能和耐腐蚀性能有重要影响。硅酸盐夹杂物如钙铝硅酸盐，其形成与冶炼过程中加入的脱氧剂有关，这类夹杂物对钢材的塑性和韧性有一定的影响。氮化物如AlN、TiN等，通常在冶炼过程中由于氮的吸收而形成，它们对钢材的晶粒细化有积极作用，但过量则可能导致脆性增加。复合夹杂物则是由两种或两种以上的化学成分组成，其性质和影响更为复杂。

2.根据形态和分布分类

非金属夹杂物的形态和分布对于钢材的性能有着直接的影响。根据形态，非金属夹杂物可以分为球状、条状、片状、多面体状等。球状夹杂物如硫化物，由于其形态规则，对钢材的机械性能影响较小；而条状或片状夹杂物如氧化铝，其尖锐的边缘可能导致应力集中，增加裂纹的形成和扩展风险。分布方面，夹杂物可以均匀分布或集中分布。

3.根据来源分类

非金属夹杂物的来源多样，主要可以分为冶炼来源和加工来源两大类。冶炼来源的夹杂物主要是在钢材冶炼过程中形成的，包括炉渣夹带、脱氧产物、合金元素的氧化物等。这些夹杂物的大小、形态和分布受到冶炼工艺的直接影响。加工来源的夹杂物则是在钢材的轧制、锻造等加工过程中引入的，如氧化皮、润滑剂残留等。这些夹杂物通常分布在钢材的表面或近表面区域，对钢材的表面质量和后续加工性能有显著影响。

三、非金属夹杂物的检验方法

1.宏观检验技术

宏观检验技术是一种通过肉眼或低倍放大镜观察钢材表面和断面的方法，用以识别和评估非金属夹杂物的分布和形态。这种方法简单直观，能够快速提供关于夹杂物的大致信息。宏观检验通常包括酸浸试验、断口检验和超声波检验等。酸浸试验是通过将钢材浸入特定的酸溶液中，使非金属夹杂物在钢材表面显现出来，从而进行观察和分析。断口检验则是通过观察钢材断裂后的表面，分析夹杂物的分布和影响。超声波检验则利用超声波在材料中的传播特性，检测材料内部的缺陷和夹杂物。

2.微观检验技术

微观检验技术涉及使用光学显微镜、电子显微镜等高分辨率设备，对钢材中的非金属夹杂物进行详细的形态、成分和分布分析。光学显微镜检验是最常用的方法之一，通过金相制备技术，将钢材制成金相试样，然后在光学显微镜下观察夹杂物的形态和分布。电子显微镜，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），则提供了更高的分辨率和更详细的成分分析能力。SEM通过扫描样品表面，生成高分辨率的图像，可以清晰地显示夹杂物的三维结构。TEM则通过透射电子，能够观察到更细微的结构和成分信息，对于研究夹杂物的微观行为和影响具有重要意义。

3.无损检测技术

无损检测技术是一种在不破坏钢材结构的前提下，检测和评估非金属夹杂物的方法。这类技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测和涡流检测等。超声波检测利用超声波在材料中的传播和反射特性，检测材料内部的缺陷和夹杂物。磁粉检测则是通过在钢材表面施加磁场，然后撒上磁粉，观察磁粉的聚集情况来判断夹杂物的存在。射线检测，如X射线和γ射线检测，通过射线穿透钢材，根据射线的吸收和散射情况来分析内部结构。涡流检测则是利用电磁感应原理，通过检测钢材中涡流的变化来识别夹杂物。

四、非金属夹杂物对母体性能的影响

1. 对力学性能的影响

非金属夹杂物在钢材中的存在，显著影响其力学性能。这些夹杂物通常表现为硬质点，它们在钢材中形成应力集中点，导致材料在受力时的不均匀性。在拉伸或压缩过程中，夹杂物周围容易形成微裂纹，这些裂纹在应力作用下扩展，最终可能导致材料的断裂。此外，夹杂物的存在还会降低钢材的韧性，使得材料在冲击载荷下更容易发生脆性断裂。

2. 对加工性能的影响

非金属夹杂物对钢材的加工性能同样具有显著影响。在冷加工过程中，如轧制、锻造等，夹杂物可能导致材料内部产生不均匀变形，从而引起加工硬化和裂纹的形成。这些裂纹会降低材料的延展性和可塑性，使得加工过程更加困难，甚至可能导致加工中断。此外，夹杂物还可能与加工工具发生摩擦，加速工具的磨损，影响加工效率和成本。

3. 对耐腐蚀性能的影响

非金属夹杂物对钢材的耐腐蚀性能也有重要影响。夹杂物通常具有不同的电化学性质，它们在腐蚀介质中可能成为阳极或阴极，从而在钢材表面形成局部腐蚀电池。这种局部腐蚀会加速钢材的腐蚀速率，尤其是在含有氯离子的环境中，夹杂物周围的点蚀现象尤为严重。此外，夹杂物还可能成为腐蚀介质渗透的通道，进一步加剧钢材的腐蚀。

结束语：

通过对钢材中非金属夹杂物的深入分析，本文揭示了夹杂物的来源、分类及其对钢材性能的影响。这些信息对于控制和减少夹杂物，提高钢材的整体性能具有重要的指导意义。未来的研究应继续关注夹杂物的形成机制和控制技术，以进一步优化钢材的质量。

参考文献

[1]孙乾. 钢材中非金属夹杂物的来源、分类、检验及其对母体性能影响的宏观概述[J].山西冶金,2022,45(09):60-62. DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2022.09.023.