稀土对钢中夹杂物的影响

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1、稀土对钢中夹杂物的影响钢在冶炼、浇注中不可避免的会形成夹杂，钢中的夹杂物对材料性能的影响主要取决于夹杂物的形状、尺寸、类型、分布、数量以及与钢基体的结合方式等。夹杂物在钢中是以不同于基体金属的的额外相存在的，它能将完整的组织分割开，使钢中组织变得不均匀，影响材料最终的使用性能。一方面它同基体的弹性模量不同，当外加应力作用时夹杂物相当于基体缺陷，在其周围容易形成应力集中；另一方面，夹杂物的热膨胀系数与基体材料有不同，因而两者在冷却时收缩程度会有差异，容易在钢中形成较多的缩孔，降低材料抗疲劳性能。数量较多且分布混乱的夹杂物明显降低钢最终的

2、使用性能，如韧性、塑性、焊接性和耐腐蚀性等，特别是沿晶界析出的夹杂和团簇状的Al₂O₃大夹杂对钢中组织和性能的破坏性更大。材料中夹杂物的形成机理主要是夹杂物先以异质点为核心独立形核、长大，同时在长大过程中，由于各个质点、元素表面活性不同，会发生相互吸引、靠拢，最终合并长成大尺寸的夹杂物。图3.1中所选照片为众多扫描照片之一，观察照片看到，A试样中夹杂物形态主要以椭圆形和纺锤形存在，能谱仪的元素分析表明该夹杂物主要由S、O、Mn、Al等元素组成，进一步推断试验钢基体中夹杂物的MnS、Al₂O₃夹杂，此外可能还有含有Ti元素的夹杂物出现，

3、推断可能以TiS、TiO的混合夹杂物。总之，照片中观察到的夹杂物并不是由单一的化合物组成，而是由MnS、Al₂O₃、TiS、TiO组成的复合夹杂物。研究显示，当钢中Mn含量较高时，硫化物夹杂主要是以MnS(或MnS和FeS）的形式存在。并按其特征可以分为以下三种：第一种是在含氧量较高的情况下形成，这种MnS夹杂在铸态中以球状分布，且加工塑性较低；第二种MnS夹杂沿晶界分布，在加工时容易沿着加工方向拉长；第三种MnS夹杂主要形成在加有过量铝（脱氧剂）的钢中，此时MnS会呈现复杂形状分布，这种夹杂加工时塑性较好。通常第二种MnS夹杂对材料

4、的综合性能影响最大，因此，在钢中要尽量避免第二种MnS夹杂在晶界的分布。图3.2为钢在加稀土后夹杂物的能谱照片，观察发现，添加稀土后夹杂物发生明显变化，形态由原来的椭圆形和纺锤形变为近球形，另外能谱仪分析结果发现，原先存在的MnS、Al₂O₃和含Ti的一些夹杂物没有找到，转而代替的是稀土硫化物和稀土硫氧化物。稀土夹杂物在形成过程中首先是以先析出的熔点较高的氧化物、硫化物作为形核质点，稀土的活性很大，会有部分稀土逐渐吸附到这个硬质核心表面，另外，化学位梯度的存在，致使晶核与其周围存在的稀土原子产生浓度差，进一步加强了稀土元素的扩散，有利

5、于稀土原子向硬质核心处移动，通过不断的吸引、靠拢、融合，最终形成稀土的氧硫化物。另外夹杂物的尺寸与稀土元素的聚集量有关，稀土元素越多，吸附的其他杂质元素就多，稀土元素少，吸附的其他元素也就越少。试验所用钢中的大部分稀土夹杂物由于稀土的量并不很多，于是夹杂物尺寸也比较合理。另外，细小且弥散的稀土夹杂物可以显著提高材料抗腐蚀性能，尤其对缓解点状腐蚀对材料性能破坏有显著效果。3.2试样中夹杂物的位置分析对于钢中的夹杂物，国内外研究人员主要是针对夹杂物的种类、形貌、数量等研究较多，而对于夹杂物的分布特点最近几年研究比较少，文中利用水浴加热将试

6、样用饱和苦味酸溶液侵蚀，显示奥氏体晶界后，在利用扫描电镜观察夹杂物，分析试样钢中夹杂物与奥氏体晶界位置关系。晶界在钢中处于比较特殊的地位。相对晶粒内部结构特征而言，晶界上原子排列比较混乱，存在有大量缺陷；同时，晶界能量较晶体内部高，活动能量强，而且最容易受到侵蚀；另外，晶界也是钢中合金元素容易富集的位置，理论上杂质物在晶界处比较容易生成。晶界往往是材料中结构、能量、成分起伏变化较大的位置，晶界的特性对钢中组织转变和最终力学性能都有显著的影响。对于元素在晶界的富集理论，国内外专家都有过深入的研究，其中一些具有代表性的理论已被人们所熟知和

7、接受。一般来讲，元素在晶界偏聚有平衡和非平衡两类：溶质原子存在于晶界上，并在晶界上产生富集或者贫化现象，称之为平衡偏聚，其行为属于热力学范畴；而非平衡偏聚则是指外界因素变化而产生的过饱和的点缺陷和杂质的混合体，所以非平衡偏聚是动力学过程。元素偏聚主要对晶界产生三方面的作用：晶界扩散、晶界能和晶界应力。这三种作用同时也是微量元素的基本作用，材料中出现的晶界滑移、晶界断裂等都与这三种作用有直接联系。稀土由于其特殊的物理化学特性，在钢中添加稀土后会明显改变钢中夹杂物的种类，使其转变为稀土氧化物、稀土硫氧化物、稀土硫化物等稀土类夹杂，除此之外

8、，在钢中添加稀土还可以明显改变钢中夹杂物的分布。观察图3.3可以看到，试验钢A中夹杂物在晶界分布明显，且晶界存在的夹杂物形状各异。通过上文能谱仪分析知道，这些夹杂物主要是由Mn、S、Al、O等元素组成的复合夹杂物为主。有