概述 夹杂物分类及形貌

钢中非金属夹杂物 (non-metallic inclusions in steel)钢中夹带的各种非金属物质颗粒的统称。

钢中含有氧、氮、硫等元素，它们在钢中的溶解度在高温下高，而在室温下溶解度很低，在钢冷却和凝固时析出并同铁和其它金属等结合成为各种化合物，称为非金属的夹杂物。

除此以外，炉渣、耐火材料、泥沙等外来物质也可能混入钢中形成非金属夹杂物。

早期文献曾把钢中非金属夹杂物称为“夹渣”，这个名称容易使人误解，以为非金属夹杂物就是混入钢中的炉渣。

现在通常把各种混入钢中的物质称为外来夹杂物，它们的形状不规则(图1、图2)，而将由于内部物理和化学反应产生的夹杂物称为内生夹杂物，其典型特征是尺寸较小，数目多，分布均匀。

钢中生成夹杂物的过程大致如下：脱氧剂加入钢液中以后，脱氧元素和氧发生化学反应生成不溶于钢的氧化物；有的脱氧元素也能和硫、氮化合生成硫化物、氮化物。

这类化合物称为初生夹杂物。

除极少数颗粒细小的夹杂物外，大多数初生夹杂都能从钢液中浮升出来进入渣中。

而当钢液冷却和凝固时，由于溶解度下降和氧、硫等的偏析，在凝固过程中又产生氧化物和硫化物等，称为次生夹杂物。

次生夹杂难以从钢中排除而残留在树枝晶间或最后析出于晶粒界上。

图3为FeO夹杂，图4为FeS夹杂。

钢液脱氧后，继续接触到空气或其他氧化物如耐火材料等，使钢液重新吸收氧，即发生二次氧化。

二次氧化是成品钢中非金属夹杂物的重要来源。

钢中有非金属夹杂物存在，破坏了金属基体的连续性，使钢的品质变坏。

在特殊情况下，有的夹杂物有利于钢的某种性能(如切削性)，但这只是在特殊的条件下。

一般说非金属夹杂物对钢的力学性能、物理性能和化学性能都有相当大的危害。

用通俗的话来说，含夹杂物多的钢是“脏”的，纯净的钢所含有的夹杂物很少。

然而纯净钢是一个相对的概念，钢的洁净与否和它的用途有关，也和夹杂物的形状、颗粒大小和可塑性等有关。

数量虽少但颗粒较大的夹杂物往往比数量较多但尺寸细小的夹杂物危害更大；形状不规则的比球形的夹杂物危害大。

一、夹杂物的分类1、按夹杂物来源分类：可分为内生夹杂物和外来夹杂物。

内生夹杂物包括脱氧产物，凝固再生夹杂物；外来夹杂物包括二次氧化产物、夹渣耐火材料侵蚀物等。

2、按夹杂物尺寸分：一般分为超显微夹杂物、显微夹杂物和大型夹杂物。

超显微夹杂物是指尺寸小于1μm的夹杂物，包括氮化物、氧化物及硫化物等；显微夹杂物是指尺寸为1μm-100μm（或1μm-50μm）的夹杂物，主要是脱氧产物。

大型夹杂物是指尺寸大于100μm（或大于50μm）的夹杂物，主要是外来夹杂物。

3、按夹杂物组成分：钢中夹杂物可分为简单金属氧化物、硅酸盐、钙铝酸盐和尖晶石类夹杂物，硫化物，氮化物。

①简单金属氧化物包括：FeO、MnO、SiO2、Al2O3；②硅酸盐包括：FeO-MnO-SiO2、Al2O3·SiO2、MnO-SiO2、复杂硅酸盐FeO-SiO2-MnO-Al2O3；③钙铝酸盐包括：CaO·Al2O3、12 CaO·7Al2O3、6CaO·Al2O3、CaO·2Al2O3；④尖晶石杂物包括：MnO·Al2O3 、MgO·Al2O3 、MgO·Cr2O3。

⑤硫化物：MnS、FeS、CaS；⑥氮化物：TiN等。

4、按性能分类：可分为塑形夹杂物、脆性夹杂物和不变形夹杂物。

塑性夹杂物轧制时延伸成条带状，FeS、MnS以及SiO2含量为40%-60%的低熔点硅酸盐夹杂。

脆性夹杂物热加工时不变形，会沿加工方向破裂，Al2O3、尖晶石型复合氧化物等高熔点高硬度夹杂物。

不变形夹杂物轧制时保持原来球状，这类夹杂物有SiO2含量大于70%的硅酸盐、钙铝酸盐、高熔点硫化物（如CaS）以及氮化物等。

5、根据夹杂物的形态和分布，标准图谱分为A ,B,C,D 和DS 五大类。

这五大类夹杂物代表最常观察到的夹杂物的类型和形态：A类(硫化物类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(长度/宽度) 的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角；B类(氧化铝类)：大多数没有变形，带角的，形态比小(一般＜3) ，黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行(至少有3 个颗粒)；C类(硅酸盐类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(一般≥3) 的单个呈黑色或深灰色夹杂一般端部呈锐角；D类(球状氧化物类)：不变形，带角或圆形的，形态比小(一般＜3) ,黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒；DS类(单颗粒球状类)：圆形或近似圆形，直径≥13μm 的单颗粒夹杂物。

钢中非金属夹杂物的金相检验碳素钢和合金钢中非金属夹杂物主要有硫化物、氧化物、硅酸盐、氮化物等。

非金属夹杂物往往是工件失效的主要原因。

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/T 10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》执行。

为什么要检验钢中的非金属夹杂物？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或者收货单位验收时检验。

钢中非金属夹杂物的来源1、内在的：包括①铁矿石②钢厂在冶炼时，用Si、Al脱氧造成。

3FeO + 2Al →3Fe + Al2O32FeO + Si →2Fe + SiO22、外来的：浇铸过程卷入的耐火材料等。

对试样的要求1、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。

2、淬火以提高试样的硬度，保留夹杂物的外形3、试样表面不浸蚀。

非金属夹杂物的分类1、氧化物：FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3；2、硫化物：FeS、Mn S及其共晶体3、硅酸盐：2FeO·SiO2、2MnO·SiO2；4、氮化物：TiN、VN；非金属夹杂物的鉴别方法1、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。

2、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。

3、偏光：检验夹杂物的各向同性和各向异性，色彩、黑十字现象。

具体形貌主要有硫化铁（FeS）和硫化锰（MnS），以及它们的共晶体等2、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。

二氧化硅（SiO2）也是常见的氧化物。

钢中夹杂物浅析1. 钢中夹杂物的分类1.1 根据钢中非金属夹杂物的来源分类（1）内生夹杂物钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。

溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学变化而形成的夹杂物。

内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。

（2）外来夹杂物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。

它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。

如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。

这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称为粗夹杂。

这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。

1.2 根据夹杂物的形态和分布，标准图谱分为A、B、C、D和DS五大类。

这五大类夹杂物代表最常观察到的夹杂物的类型和形态:（1）A类(硫化物类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(长度/宽度)的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角；（2）B类(氧化铝类)：大多数没有变形，带角的，形态比小(一般<3)，黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行(至少有3个颗粒)；（3）C类(硅酸盐类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(一般>3)的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角；（4）D类(球状氧化物类)：不变形，带角或圆形的，形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒；（5）DS 类(单颗粒球状类)：圆形或近似圆形，直径>13μm的单颗粒夹杂物。

2. 钢中夹杂物主要类型及特征2.1 硫化物硫化物是钢液中所含的硫在凝固时以沉淀物析出形成的产物。

化学分类 chemical classification
根据分析条件，定义夹杂物所属的组成分类。

化学分类可宽泛分类，如分为硫化物，氧化铝，硅酸盐类，也可精细分类，如硫化钙，硅酸钙，钙长石等。

3.3
临界长宽比 critical aspect ratio
定义球状夹杂和串（条）状夹杂长宽比的界限值。

3.4
不连续串（条）状夹杂物 discontinuous stringer
两颗或多颗C类、三颗或多颗B类夹杂排成一行，平行于热加工轴的方向，偏移串（条）状夹杂的中心线小于或等于10µm，任意两颗相邻夹杂物的间距小于或等于40µm。

3.5
串（条）状夹杂物 stringer
单颗在变形方向高度延长的氧化物夹杂；两颗或多颗C类、三颗或多颗B类夹杂排成一行，平行于热加工轴的方向，偏移串（条）状夹杂的中心线小于或等于10µm，任意两颗相邻夹杂物的间距小于或等于40µm。

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。

1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。

2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1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。

2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。