物理测试小讲堂——钢中非金属夹杂物的分类

非金属夹杂物在钢中含量虽小，但对性能影响很大，是钢材检验中不可缺少的一环。

按来源分类

钢中非金属夹杂物主要来源于钢的冶炼，按照来源可分为内生夹杂物和外来夹杂物两类。 一般来说外来夹杂物颗粒较大、外形不规则、分布比较集中没有规律；而内生夹杂物则与此相反， 分布比较均匀、颗粒也较小。

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内生夹杂物

内生夹杂物是指钢在冶炼时由物理化学反应而形成的夹杂物，主要是指在冶炼过程中所形成的化合物以及脱氧时产生的脱氧产物等，在钢液凝固过程中含有氧、硫、氮等元素的杂质随溶解度的降低没有浮出而残留在钢中。其组成和结构都极为复杂，数量一般占钢中总夹杂量的40～60%。正确的操作和合理的工艺措施可以减少内生夹杂物数量和改变其成分、大小及分布情况，但一般情况下内生夹杂物是不可避免的。

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外来夹杂物

外来夹杂物是指钢在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物，主要是指钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料，或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中，包括从炉衬或包衬、或从汤道砖、中包绝热板、保护渣迸人钢水中的夹杂物。外来夹杂物是可以通过正确的操作避免的。

按化学成分分类

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氧化物系夹杂物

氧化物系夹杂物分为3种，第1种是简单氧化物，主要有FeO、Fe₂O₃、MnO、SiO₂、Al₂O₃和MgO等，比较常见的夹杂有SiO₂和 Al₂O₃，一般情况下 Al₂O₃在钢中常常以球形聚集，呈颗粒状成串分布。第2种是复杂氧化物，主要有2FeO·SiO₂( 铁硅酸盐) ，其在钢的凝固过程中由于冷却速度较快，液态的硅酸盐来不及结晶，全部或部分以玻璃态的形式保存于钢中。第3种是硅酸盐2MnO·SiO₂( 锰硅酸盐) 和CaO·SiO₂( 钙硅酸盐) 等。

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硫化物系夹杂物

硫化物系夹杂物主要是指FeS和MnS  等，低熔点的FeS 在钢中易形成热脆，一般在炼钢时要求含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的MnS 而消除FeS 的危害，因此钢中硫化物夹杂主要是MnS。钢中硫化物夹杂主要以球形、极细的链状和针状以及外形不规则的块状存在。低碳钢中的硫化物夹杂物如图1所示。

图1  硫化物夹杂物形貌

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氮化物系夹杂物

氮化物系夹杂物主要是指AlN、TiN、ZrN 和VN 等，由钢液与空气接触而形成的。钢中氮化物夹杂物如图2所示。

图2  氮化物夹杂物形貌

按形态分类

钢在加工变形时，由于不同夹杂物在加热温度下具有不同的塑性，所以成型的钢中不同夹杂物就会呈现出不同的形态，其对钢的性能就会有不同的影响。按形态可将非金属夹杂物分成以下3类。

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脆性夹杂物

脆性夹杂物主要是指Al₂O₃以及钒、钛、锆的氮化物等，这类高熔点、高硬度的夹杂物完全没有塑性，在热加工时其尺寸和形状都没有变化，一般沿加工方向成串排列或呈点链状分布。

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塑性夹杂物

塑性夹杂物主要是指FeS和MnS等，该类低熔点的夹杂物在钢加工变形时随之变形，沿变形方向延伸成条带状。

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球状（或点状）不变形夹杂物

球状（或点状）不变形夹杂物主要是指SiO₂ 、含SiO₂ 较高（>70%）的硅酸盐以及高熔点的硫化物，铸态呈球状，热加工后保持球状（或点状）不变。钢中球状（或点状）不变形夹杂物如图3所示。

图3  金相试样检验中的球状夹杂物

经过上面的介绍，大家是否都对钢中非金属夹杂物有了一定的初步认识呢？

选自：《理化检验-物理分册》 Vol.51 2015.4

作者：吕建刚，工程师，中国工程物理研究院