概述 夹杂物分类及形貌
夹杂物
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。
夹杂物成分及形态控制
2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂 物成分的热力学优化
2.3 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物优化 2.3.1 Al2O3 含量对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的 影响 Al2O3 的来源：炼钢过程的加入物，钢液被耐火材料 颗粒玷污。 钢液中溶解铝和溶解氧反应达到平衡时其平衡常数很 低，即便是钢水用无铝合金脱氧，或溶解的铝量很低，夹 杂物中也常常会含有一定量的Al2O3。 可以通过控制加入合金中铝含量和控制渣中Al2O3 含 量来控制钢液中酸溶铝含量的大小。
精炼渣组成对高碳帘线钢钢液平衡铝含量的影响
精炼渣组成对高碳帘线钢钢液钙活度的影响
2）高碳帘线钢在合金化时析出的平衡夹杂 物组成主要决定于钢液中的[Al]s 的含量
当[Al]s<3×10-6 时，平衡夹杂物组成落在锰 铝榴石（M3AS3）范围内。
������ 3）1823K 时当钙和铝同时参与脱氧时， 当[Al]s >22.3×10-6 时钢中只析出Al2O3， 当[Al]s<22.3×10-6， a[Ca]< 1×10−9时钢中 可析出CaO· Al2O3· 2SiO2。
CaO 含量不同时，低于1400℃区域占总相图的百分比
2. SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂 物成分的热力学优化
2.3.3 CaO/Al2O3 对SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系夹杂物熔点的影响 随着CaO/Al2O3 比的增加，低熔点区域 是先增加后减少。 CaO/Al2O3 为0.94 时，低熔点区域面 积所占百分比最大，占50%左右。 控制 SiO2-Al2O3-CaO-MnO 系中 CaO/Al2O3 比为1 左右有利于降低夹杂物 的熔点。
夹杂物研究
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。
非金属夹杂物
上海轨道交通检测技术有限公司
概述
钢中非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化 物等一般都呈独立相存在，主要是由炼钢中的脱氧产物 和钢凝固时由于一系列物化反应所形成的各种夹杂物组 成。非金属夹杂物的存在，破坏了钢基体的连续性，使 钢组织的不均匀性增大。一般来说钢中非金属夹杂物， 对钢的性能产生不良影响，如降低钢的塑性、韧性和疲 劳性能，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏等。 因此评定钢中夹杂物类别、级别对保证钢材质量十分重 要。
原DIN 50 602：1985检测方法
目前该标准已作废，但由于仍被许多企业沿用，因此仍作介绍。 该标准把非金属夹杂物分为四类 DIN 50 602标准中划分的四种非金属夹杂分类及图列号
代号 SS OA OS OG 注： 夹杂物类别 硫化物夹杂 氧化物夹杂 氧化物夹杂 氧化物夹杂 粗体为基本系列。 条状 松散状 条状（硅酸盐） 球状 标准中图列号 0、 1 2、 3 、 4 5、 6 、 7 8 、9
钢中非金属夹杂物显微检测评定方法
目前钢中非金属夹杂物含量显微测定方法基本为标准评级 图法以及相应的图像分析法，常用标准有： GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评 级图显微检验法》 ISO 4967:2013《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级 图显微检验法》 JIS G 0555:2003《钢中非金属夹杂物的显微镜试验方法》 ASTM E45-2013《测定钢中夹杂物含量的试验方法》 BS EN 10247:2017《标准评级图显微检测法测定钢中非 金属夹杂物含量》 其中GB/T 10561、JIS G 0555基本都源自ISO 4967，主 要适用于压缩比大于或等于3的轧制或锻制钢材。 此外，DIN 50 602:1985《优质钢中非金属夹杂物含量的测 定 标准评级图显微检验法》是常用的夹杂物评定标准，但 目前已被废除，然而仍被许多企业沿用。
【2017年整理】钢中非金属夹杂物的金相检验
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。
夹杂物成分及形态控制ppt课件
各区域相对应夹杂物热加工前后的形态控制
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1.4 夹杂物塑性与钢中应力发布
软夹杂物周围应力较硬夹杂物要低，对
钢的影响比较小。
夹杂物周围的应力分布
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1.5 夹杂物成分控制策略
• 问题：
1）夹杂物是多元的；
2）夹杂物有时熔点较高，是固态的，
反应未达到平衡；
3）炼钢、精炼工艺对夹杂物组成影响
较大；
4）热力学相图局部区域组元活度测量
有较大误差
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1.5 夹杂物成分控制策略
• 利用相应体系相图预测夹杂物性能
• 根据钢－夹杂物反应热力学，利用相
图内钢液成分等值线来预测夹杂物组
成及钢液中氧、硅、锰、铝、钙等成
分的控制，并制定顶渣成分控制.
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1200℃以上）下可以变形；
3） 二氧化硅：在室温下不变形，在更高的温度下变形，它是由
二氧化硅的组成决定的；
4） FeO, MnO, (Fe, Mn)O：在室温下为塑性，但从400℃开始
随着温度的升高逐渐失去塑性；
5） MnS：：直到1000℃MnS 都是塑性的，当高于1000℃后塑
钢中夹杂物浅析
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。
夹杂物分类 chemical classification
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。
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材料与冶金学院 金属材料工程系
从善海主讲
夹杂物工程（第一部分）钢中夹杂物的种类、形态及对钢性能的影响
第一讲：概述、夹杂物分类及形貌
注意：一切关于它的组成、形貌、来源、以及如何消除它都是有价值的。
●一个夹杂物核（内生的或外来）从它进入钢液的瞬间开始就一、 概述
非金属夹杂物最难掌握的特点：
不能预先确定它们将在什么地方以何种形式出现。
武钢机总大型夹杂物引起的淬火裂纹
因为碳化物是钢的基体中的组分，不应属于夹杂物。
碳化物或金属间相是否夹杂物
非金属夹杂物是指其存在状态不受一般热处理的显著影响的非金属化合物。
化学式:Al 2O 3 ，熔点2050ºC，比重：3.96，
显微硬度：3000-4500㎏/㎜2，结晶类型：六方系(在钢的夹杂物中只发现Al 2O 3 )
氧化铝物性
氧化物特征氧化铝电镜形貌
氧化铝能谱
o
Al
Elmt Element Atomic Compound
% % % Al 37.01 30.47 Al2O3 69.93 Ca 21.49 11.91 CaO 30.07 Elmt Element Atomic Compound Element Atomic Compound % % %
Mg 0.52 0.48 Mg 0.52 0.48 MgO MgO MgO 0.86
0.86 Al 33.73 28.22 Al2O3 63.74
Ca 25.30 14.25 Ca 25.30 14.25 CaO CaO CaO 35.40
35.40 O 40.45 57.05 Elmt Elmt Element Element Atomic Atomic Compound
Compound % % % % % % % Mg Mg 1.88 1.88 1.88 1.62 1.62 1.62 MgO MgO MgO 3.12 3.12 Al Al 46.85 46.85 46.85 36.22 Al2O3 88.52 36.22 Al2O3 88.52 Ca Ca 5.98 5.98 5.98 3.11 3.11 3.11 CaO CaO CaO 8.36
8.36 O 45.29 O 45.29 59.05 59.05 59.05
Elmt Element Atomic Compound Elmt
Elmt Element
%
Mg
Mg
Al
Al 23.00
Si Si
0.99
Ca
Ca
O
O 7.29
Elmt Element Atomic Compound
% % %
Al 5.78 6.15 Al2O3 10.92
Ti 27.83 16.69 TiO2 46.43
Energy (keV)
Mn 33.03 17.27 MnO 42.65
O 33.35 59.88
㎜2 a=8.08
a=8.08Å Elmt Element Atomic Elmt Element Atomic Compound Compound % % % % % % Mg 15.49 12.96 Mg 15.49 12.96 MgO MgO MgO 25.69 25.69 Al 39.33 29.64 Al2O3 74.31 O 45.18 57.41 Total 100.00 100.00 100.00
Elmt Elmt . Element . Element . Element Atomic Compound % % % % % % % Mg 14.62 12.23 Mg 14.62 12.23 MgO MgO MgO 24.24 24.24 Al 40.09 30.22 Al2O3 75.76 O 45.28 57.55
Total 100.00 100.00 100.00
铝酸一钙
二铝酸一钙
七铝酸十二钙
Elmt Element Atomic Compound
Element Atomic Compound % % %
% % % 31.11 31.11 26.16 26.16 26.16 MgO MgO MgO 51.58 51.58 20.78 20.78 20.78 15.13 15.13 15.13 SiO2 SiO2 SiO2 44.46 44.46
六铝酸钙
镁橄榄石
Elmt Element Atomic
% %
S 36.19 49.28
Mn 63.81 50.72
Total 100 100
硫化铬。