非金属夹杂物对钢材机械性能方面的影响

帛林宝

    非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂韧性、切削、疲劳、热脆以及耐蚀等性能有很大影响。一般认为，夹杂物的成分、数量、形状、分布以及在基体中的空间分布等影响钢的性能。S.Ruddnik指出，只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm，且其数量少、夹杂物彼此之间的距离大于10μm时，才不会对材料的宏观性能造成影响。当然，不同钢种用途不同，对夹杂物的要求也不一样，例如，不同钢种和不同受力状态时，夹杂物对性能无害的临界尺寸是不同的。

（1）非金属夹杂物对钢的强度影响

     夹杂物对钢的强度的影响与颗粒尺寸密切相关。通过在烧结铁中加入不同尺寸（0.01－35μm）、形状（球形和棱角的）、比例（0－8%）的氧化铝颗粒进行试验得出：室温下，氧化铝颗粒超过1μm时，使屈服强度和抗张强度降低；当夹杂物的含量很低时，对屈服强度的降低特别敏感。长谷川正义向浇注的钢流中喷射高熔点氧化物，研究了不同的氧化物颗粒直径，体积比对常温抗张强度的影响，结果表明：无论喷射氧化铝或氧化锆试样，屈服和抗张强度都随粒子体积比的增大而升高。另外，金属断裂时，裂纹不仅在基体中形成，而且也经常在夹杂物中形成，造成钢的断裂，Smith提出边界夹杂物开裂的强度断裂理论。

（2）非金属夹杂物对钢的塑性影响
     通常夹杂物对钢材的纵向延性影响不大，而对横向延性的影响却很显著。研究表明，高强度钢的横向断面收缩率随夹杂物总量的增加而降低。夹杂形状对对横向延性的影响更为显著，随着带状夹杂物的增加，横向断面收缩率明显降低，这种带状夹杂物主要是硫化物。Funnell等[29]研究指出，夹杂物对钢的高温延性有很大影响，低碳钢在奥氏体区延性大大降低，其原因是细小的第二相析出物（如AlN、TiN、Nb(C,N)等）能有效钉扎奥氏体晶界，从而降低延性。

（3）非金属夹杂物对钢的断裂韧性影响
     文献中指出，S及硫化物的含量增加降低钢的各种韧性指标，钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而下降。曾光廷等研究了硫化物和氮化物夹杂对钢的断裂韧性的影响，并与Krafft模型计算值进行了比较，结果得出：对断裂韧性的危害由小到大依次为VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS ；夹杂物含量与断裂韧性大小呈线性反比关系，TiS对断裂韧性没有影响。一些研究工作讨论了夹杂物作为裂纹根源的作用问题，研究证明，钢中的脆性夹杂物由于与钢基体的热膨胀系数不同，在夹杂物周围容易产生内应力。
   李代锺认为，为使钢材具有良好的韧性和使韧性各向异性尽可能降低，对夹杂物的要求是：
      ①夹杂物的体积分数尽可能低；
      ②夹杂物分布均匀；
      ③夹杂物要有紧凑的外形；
      ④夹杂物的硬度最好为钢基体的两倍，以使夹杂物在热加工时变形最小。