实验五非金属夹杂物的分析与评定 (验证性)
一、实验目的及要求
1．掌握钢中非金属夹杂物的分类与形态特征。
2．掌握使用标准评定钢中非金属夹杂物的级别。
二、实验原理
钢铁中的非金属夹杂物的出现是不可避免。
钢中非金属夹杂物的金相检验主要包括夹杂物类型的定性和定量评级。
夹杂物的检验评定可按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》执行。
1、检验钢中的非金属夹杂物的必要性
因为非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性、均匀性，易引起应力集中，造成机械性能下降，导致材料的早期破坏，其影响程度主要取决于夹杂物的形状、大小、分布和聚集状态。
钢中夹杂物的检验一般在出厂前钢厂检验或者收货单位验收时检验。
2、钢中非金属夹杂物的来源
a）内在的：包括①铁矿石②钢厂在冶炼时，用Si、Al脱氧造成，反应式：
3FeO + 2Al →3Fe + Al2O3
2FeO + Si → 2Fe + SiO2
b）外来的：浇铸过程卷入的耐火材料、炉渣等。
3、制样要求
a、取样时沿轧制方向，磨制纵向截面观察夹杂物大小、形状、数量，横向截面观察夹杂物从边缘到中心的分布。
试样表面无划痕、无锈蚀点、无扰乱层。
b、淬火以提高试样的硬度，保留夹杂物的外形。
c、试样表面不浸蚀。
4、非金属夹杂物的分类
a、氧化物：FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3；
b、硫化物：FeS、Mn S及其共晶体；
c、硅酸盐：2FeO·SiO2、2MnO·SiO2；
d、氮化物：TiN、VN；
e、稀土夹杂物
5、非金属夹杂物的金相鉴别方法
主要是指利用光学显微镜中的明场、暗场和偏振光灯照明条件下夹杂物的光学反映差异，以及在标准试剂中腐蚀后，夹杂物发生化学反应而出现色差及侵蚀程度的不同来区分鉴别。
a明场：检验夹杂物的数量、大小、形状、分布、抛光性和色彩。
不透明夹杂物呈浅灰色或其他颜色，透明的夹杂物颜色较暗。
b暗场：检验夹杂物的透明度、色彩。
透明夹杂物发亮，不透明夹杂物呈暗黑色、有时有亮边。
c偏光：检验夹杂物的各向同性和各向异性，色彩、黑十字现象。
金相法鉴定夹杂物的优点是简单直观，易与钢材的质量联系起来；缺点是不能确定夹杂物的成分和晶体结构。
6、非金属夹杂物的特征
具体形貌如图：
a）硫化物主要有硫化铁（FeS）和硫化锰（MnS），以及它们的共晶体等。
在钢材中，硫化物常沿钢材伸长方向被拉长呈长条状或者纺锤形，塑韧性较好。
在明场下，硫化铁呈淡黄色，硫化锰呈灰蓝色，而两者的共晶体为灰黄色；在暗场下一般不透明但有明显的界限，硫化锰稍呈灰绿色；在正交偏光下都不透明，转动载物台一周，硫化铁有四次明亮、四次消光，呈各向异性，硫化锰及其共晶体都为各向同性。
图3-2-20，3-2-21，3-2-23，3-2-27
b）氧化物常见氧化物有氧化亚铁（FeO）、氧化亚锰（MnO）、氧化铬（Cr2O3）、氧化铝（Al2O3）等。
压力加工后，它们往往沿钢材延伸方向呈不规则的点状或细小碎块状聚集成带状分布。
在明场下，它们大多呈灰色；在暗场下，FeO不透明，沿边界有薄薄的亮带；MnO透明呈绿宝石色；Cr2O3不透明，有很薄一层绿色；Al2O3透明，呈亮黄色。
在偏光下，FeO、MnO呈各向同性，Cr2O3、Al2O3呈各异性。
二氧化硅（SiO2）也是常见的氧化物。
在明场下呈球形，深灰色；在暗场下无色透明，在偏光下呈各向异性、透明，并称黑十字现象。
图3-1-1，3-1-4，3-1-7，3-1-8，3-1-10，3-1-11，3-1-16，3-1-17，3-1-183-1-19，3-1-20，3-1-36，3-1-34
c）硅酸盐夹杂物来源于炼钢时加入Si-Ca脱氧剂或者与耐火砖发生作用。
常见的硅酸盐夹杂物有铁橄榄石（2FeO·SiO2）、锰橄榄石（2MnO·SiO2）、复合铁锰硅酸盐（nFe·mMnO·pSiO2）以及硅酸铝（3Al2O3·2SiO2）等。
在明场下均呈暗灰色，带有环状反光和中心两点；在暗场下，一般均透明，并带有不同的色彩；在偏光下，除多数铁锰硅酸盐表现出各向同性外，其余均为各向异性。
图3-3-1，3-3-2，3-3-3，3-3-33，3-3-34，3-3-35 d）氮化物主要有氮化钛（TiN），常见为三角形、正方形、矩形、梯形等形态。
在明场下，呈金黄色；在暗场下不透明；在偏光下，呈各向同性，不透明。
氮化钒外形规则，明场下呈粉玫瑰色，其他性质同TiN。
此外，还有氰化钛[Ti(NC)]，大部分性质与TiN相似，在明场下随着含碳量的增加呈现玫瑰色→紫色→淡紫色顺序变化。
图3-4-20，3-4-21，
断口中夹杂物的形态。
图3-3-21，3-3-23
7、GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》
a、非金属夹杂物的评级方法
金相图片比较法：放大100×，视场直径为0.8㎜，选取最严重的视场，按夹杂物的数量、大小、长度及其分布与标准图比较。
综合考虑评定时，允许评0.5级，如：0.5级，1.5级等。
b、JK标准图
JK标准中，非金属夹杂物的形态和分布分为四个基本类型：
A类：硫化物类型
B类：氧化物类型
C类：硅酸盐类型
D类：球状氧化物类
每种类型按照厚度或直径不同分为粗系和细系，每个系列由1～5级图片组成。
c、结果表示
在每个试样的夹杂物类别字母后标+最恶劣视场的级别数。
如：
A2：表示硫化物细系2级。
B1e：表示氧化铝粗系1级（e表示粗系夹杂物）。
举例：
1）材料：GCr15-轴承钢试样2个，放大100×，各1个视场。
第一个视场：A3：硫化物3级（细系）
B2：氧化物2级（细系）
第二个视场：A3：硫化物3级（细系）
B4：氧化物4级（细系）
2）两个试样的平均含量:
A3 =
23
3+
= 3级（硫化物）（细系）
B3 =
24
2+
= 3级（氧化物）（细系）
3）非金属夹杂物的最高含量:
B 4级（细系）
4）各类夹杂物平均级数量总和：
A+B=3+3=6级（细系）
对于长度超过视场直径和厚度大于标准评级规定的夹杂物均应单独记录。
5）实验报告见标准。
d、评级原则
分为A、B、C、D四类，粗系、细系。
（1）评级图为下限图片，若出现两级之间（长度或点数）的夹杂物时，按照相邻较小级别评定。
（2）对于同类夹杂物，当出现在粗系或者细系两系之间时，其形状或厚度（或直径）接近哪个系列级别按哪个相应的系列图片进行评级，若恰在中间则按照粗系评定。
（3）在同一视场中同时出现最严重的粗大或细小夹杂物时（呈同一母线分布或不呈同一母线分布），不能分开评定，其级别应按照长度或数量相加后并按占优势的夹杂物进行评级（评定时不必测量，直接对照图片）。
（4）同一视场中出现同一母线而断续的同类同系的B、C类夹杂物时，若两条夹杂物断开间距大于0.127㎜（在100×下，12.7㎜），应按照二条计算（将间距除去），若小于0.127㎜则算作一条夹杂物。
（5）当出现大于22
1级的夹杂物时，可参照ASTME45的图（即JK 图）进行评级。
三、实验仪器及材料
1．实验仪器 XJG-01型立式金相显微镜， XJG-02立式型金相显微镜，XJG-05型卧式金相显微镜，4XC 型金相显微镜
2．试验材料 非金属夹杂物试样
四、实验内容及步骤
1、分析夹杂物产生原因；
2、识别钢中各种夹杂物的形态特征；
3、画出钢中各种夹杂物的形态；
4、根据标准判断非金属夹杂物试样中夹杂物级别。
五、思考题
1．根据Jk 标准级别图，夹杂物的类型和分布有哪几种, 其代号为?
2．夹杂物的评定原则。
3．为什么要检验钢铁中的非金属夹杂物?。
