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非金屬夾雜物對(duì)鋼性能的影響
作者：admin
發(fā)布時(shí)間：24-02-23
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隨著近代精煉技術(shù)的發(fā)展,鋼的“潔凈度”大大提高,然而還無法避免鋼中內(nèi)生夾雜物的產(chǎn)生。非金屬夾雜物降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能,使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變壞。因此夾雜物的數(shù)量及分布形態(tài)是衡量鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,筆者結(jié)合失效實(shí)例,探討非金屬夾雜物對(duì)鋼質(zhì)量及性能的影響。
1、非金屬夾雜物的來源
鋼中非金屬夾雜物來源歸納為內(nèi)生和外來,內(nèi)生夾雜物是鋼在脫氧和凝固時(shí)產(chǎn)生的。由于鋼的冶煉過程是一種氧化-還原過程,在鋼液中存在大量氧、氮、硫等雜質(zhì)元素,為了防止雜質(zhì)元素有害作用,往往在冶煉過程中需經(jīng)脫氧和脫硫處理,從而生成大量的脫氧和脫硫產(chǎn)物,此脫氧和脫硫產(chǎn)物在鋼液凝固前大部分已上浮,部分殘留在鋼中形成內(nèi)生夾雜物。外來夾雜物是由耐火材料、熔渣等在冶煉、出鋼、澆注過程中進(jìn)入鋼中來不及上浮而滯留在鋼中造成的,一般外來夾雜物的特征是：形狀不規(guī)則,尺寸較大,偶爾在這里或那里出現(xiàn)。
2、非金屬夾雜物與裂紋的形成
夾雜物往往被視為顯微裂紋的發(fā)源地,在疲勞裂紋和塑性加工中生成的裂紋也往往與夾雜物存在有密切關(guān)系,這是由于比較容易變形的金屬在難以變形的夾雜物周圍塑性流動(dòng)時(shí),產(chǎn)生很大的張力而使金屬和夾雜物界面的聯(lián)結(jié)斷裂,形成空隙。另一種情況是由于夾雜物周圍的應(yīng)力而使夾雜物破碎生成空隙。材料從屈服到斷裂的過程,可以認(rèn)為是夾雜物導(dǎo)致裂紋萌生和裂紋長大變寬的過程。
3、非金屬夾雜物對(duì)鋼的塑性和韌性的影響
3.1非金屬夾雜物與材料塑性
金屬材料的斷裂過程是裂紋的發(fā)生和不斷發(fā)展的過程,而夾雜物是裂紋生成的發(fā)源點(diǎn),因此夾雜物對(duì)金屬材料的延伸率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)影響很大。從圖1中可以看出：每個(gè)視場內(nèi)夾雜物的數(shù)目增多,則鋼的橫向斷面收縮率減小。
3.2非金屬夾雜物與材料韌性
夾雜物在韌性斷裂中起著決定性的作用,金屬的韌性斷裂過程是由夾雜物處在應(yīng)力作用下引起的空隙開始的,由于夾雜物和析出物同基體金屬的彈性、塑性有相當(dāng)大的差別,所以在金屬的變形過程中,夾雜物和析出物不能隨基體發(fā)生變形,這樣在它的周圍就產(chǎn)生愈來愈大的應(yīng)力,而使夾雜物本身破裂,或者是使夾雜物與基體的界面脫開而產(chǎn)生微裂紋。隨著變形的不斷進(jìn)行,微裂紋不斷發(fā)生和發(fā)展成空洞,它們隨應(yīng)變方向延伸。隨著空洞的不斷擴(kuò)大,以致最后相鄰空洞互相連接而導(dǎo)致最終破斷[1]。失效實(shí)例：65鋼盤條用做硬線的母材,在后續(xù)拉拔成制品過程中常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,斷口形貌如圖2所示。
對(duì)該斜斷口進(jìn)行掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)斷裂源起源于鋼絲表面。斷裂源附近有夾雜(圖3),由于非金屬夾雜物同基體金屬的彈性、塑性有相當(dāng)?shù)牟顒e,非金屬夾雜物對(duì)鋼的塑性和韌性的影響很大,所以盤條在拉拔變形時(shí),夾雜物不能發(fā)生相應(yīng)的變形,這樣在它的周圍就產(chǎn)生越來越大的應(yīng)力,使夾雜物和基體的界面產(chǎn)生微裂紋,一旦受到拉應(yīng)力或切應(yīng)力的作用,沿夾雜物方向就產(chǎn)生破裂,從而造成盤條在拉拔過程的斷裂。
4、夾雜物對(duì)鋼的疲勞性能的影響
一般來說,非金屬夾雜物誘發(fā)鋼中的疲勞裂紋有兩個(gè)途徑：其一是鋼在服役條件下夾雜物不能傳遞鋼基體中存在的應(yīng)力,在夾雜物的周圍可達(dá)到臨界的峰值應(yīng)力,夾雜物對(duì)裂紋的形成就有直接成核的效果；另一途徑是在鋼冷熱加工期間,夾雜物具有的變形度,在加工過程中可在夾雜物與基體的界面上導(dǎo)致微裂紋,因此可以認(rèn)為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源。從圖4所示的結(jié)果表明：對(duì)于同一類型的夾雜物來說,隨其含量增加疲勞極限下降。當(dāng)其他條件相同時(shí),夾雜物顆粒愈大,則不利的影響愈大。
失效實(shí)例：圖5所示冷變形彈簧鋼絲斷裂宏觀形貌,從宏觀形貌可以看出箭頭所示部位為斷裂源,其斷口具有疲勞斷口的宏觀特征,微觀觀察,在裂紋源處存在大顆粒夾雜物(圖6),引起彈簧早期疲勞斷裂的主要原因是鋼絲表面存在夾雜物,在使用時(shí)以夾雜物為核心形成疲勞源。
5、鋼中卷渣(或夾渣)對(duì)鋼的影響
鋼中卷渣(或夾渣)是不允許出現(xiàn)的,它通常是在冶煉以及澆注過程中鋼液表面的爐渣或者從出鋼槽、鋼水包等剝落的耐火材料,在鋼液凝固前未能浮出而存留在鋼的內(nèi)部。這種缺陷的存在將造成鋼材
圖5彈簧斷口形貌Fig.5Fracturemorphology圖6裂源處夾雜SEM照片1000XFig.6SEMphotoofinclusioninfracture5鋼中卷渣(或夾渣)對(duì)鋼的影響鋼中卷渣(或夾渣)是不允許出現(xiàn)的,它通常是在冶煉以及澆注過程中鋼液表面的爐渣或者從出鋼槽、鋼水包等剝落的耐火材料,在鋼液凝固前未能浮出而存留在鋼的內(nèi)部。這種缺陷的存在將造成鋼材軋制時(shí)的開裂。
失效實(shí)例：圖7所示是在軋制彈簧鋼板時(shí)出現(xiàn)的翹皮缺陷,經(jīng)檢驗(yàn)翹皮缺陷中存在大量夾渣和大量夾雜物(圖8),此類夾雜物直接導(dǎo)致彈簧鋼板在軋制時(shí)開裂而失效。
6、結(jié)語
從失效實(shí)例說明非金屬夾雜物對(duì)鋼的性能的影響是很大的,生產(chǎn)出非金屬夾雜物少的潔凈鋼或控制非金屬夾雜物的性質(zhì)和形態(tài),這是冶煉和澆注過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。
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