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编者注
根据钢中非金属夹杂物的来源和分类，综述了钢中非金属夹杂物的识别方法和定量评级标准，并给出了典型夹杂物的扫描电镜照片，并对不同类型的夹杂物进行了分析。 光学显微镜下的产生机理及其基本特征。
随着现代工程技术的发展，对钢材综合性能的要求越来越严格，相应地对钢材的材质要求也越来越高。 非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏钢碳化物的连续性，强化钢组织的不均匀性，严重影响钢的各项性能。 例如，非金属夹杂物引起挠度集中，导致疲劳断裂； 大量且分布不均匀的夹杂物会显着提高钢的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性； 会引起热延展性。 因此，夹杂物的数量和分布被认为是评定钢材质量的重要指标，但被列为优质钢和中优质钢的常规检验项目。
非金属夹杂物的性质、形状、分布、尺寸和浓度不同，对钢性能的影响也不同。 因此，提高金属材料的质量，生产洁净钢，或控制非金属夹杂物的性质和所需形态，是炼铁和焙烧过程中的一项艰巨的任务。 对于金相分析工作者来说，如何正确判定和识别非金属夹杂物因此非常重要。
一
钢中非金属夹杂物来源分类
内源性杂质
钢铁在炼铁过程中，脱氧反应会形成氧化物、硅酸盐等产物。 如果它们在钢水熔化前没有浮出，它们就会留在钢中。 钢水中溶解的氧、硫、氮等杂质元素在冷却熔化时由于溶解度增加而以化合物的形式从固相或碳化物中析出，最后残留在钢坯中。 它是金属冶炼过程中产生的杂质。 内源杂质分布比较均匀，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，改变其成分、尺寸和分布，但一般来说，这是不可避免的。
异物
炼铁、铸造过程中漂浮在钢水表面的褐煤，或从焦炉、出钢槽、钢包等内壁掉落的耐火材料或其他杂质。 它是金属在冶炼过程中与异物接触时形成的杂质。 例如，炉料表面的土层和熔池与熔融金属反应产生炉渣并留在金属中，包括添加的釉料。 此类夹杂物通常外观不规则，规格较大，也称为粗夹杂物。 通过适当的处理可以避免此类夹杂物。
二
钢中非金属夹杂物按物理成分分类
钢中非金属夹杂物按其物理成分的详细分类如图1所示，主要分为三类。
图1 钢中非金属夹按物理成分分类图
氧化物掺杂
简单氧化物包括 FeO、Fe2O3、MnO、SiO2、Al2O3、MgO 和 Cu2O。 在铸件中，当用硅锰或铝脱氧时，掺杂更为常见。 在钢中，常以球状聚集，以粒状成簇分布。 复杂氧化物，包括尖晶石夹杂物和各种氮化钙等，以及氮化钙（图2）。 硅酸盐掺杂也属于复合氧化物掺杂，此类掺杂包括2FeO SiO2（硅酸铁）、2MnO SiO2（硅酸锰）和CaO SiO2（硅酸钙）等（图3）。 在钢的熔化过程中，一些液态硅酸盐因冷却速度快，来不及结晶，全部或部分以玻璃态保存在钢中。
图2 扫描电子显微镜下的碳化硅和氮化钙掺杂
图3 扫描电镜下硅酸盐和硫化锰掺杂
硫醇掺杂
主要是FeS、MnS和CaS等。由于熔点低的FeS容易产生热脆，因此通常要求钢中富含一定量的锰，使硫和锰生成熔点较高的MnS消除FeS的危害。 因此，钢中的硫化氢掺杂主要是MnS。
铸钢中硫化氢的掺杂形式一般分为三类：
①形状呈球状，这些杂质一般出现在未用硅锰完全脱氧的钢中；
②光学显微镜下观察分枝状的极细棒状夹杂物；
③外观呈球状，不规则，过量铝脱氧时出现。
硫化物掺杂
当钢中添加与氮亲和力较大的元素时，会产生 A1N、TiN、ZrN 和 VN 等胺。 在出钢和浇注过程中，钢水与空气接触，载体数量明显减少。
三
按夹杂物塑性变形能力分类
延展性夹杂物
这些杂质的形状和规格在热处理过程中不会发生变化，但它们可能沿加工方向串联或点分支排列。 Al2O3和Cr2O3就属于此类杂质。
塑料夹杂物
这类夹杂物在热变形过程中具有良好的延展性，并沿变形方向延伸成条状。 属于这一类的有硫化氢和低浓度SiO2（40%~60%）的硅酸锰铁。
球面不变性
铸态呈球形，热处理后球形形状保持不变，如SiO2和SiO2含量较高（>70%）的硅酸盐。
半塑性夹杂物
是指包含各种复杂相的铝硅酸盐。 硬质合金铝硅酸盐具有塑性，热加工时会形成塑性变形。 然而，其中所含的析出相，如碳化硅，具有延展性，在加工过程中保持其原始形状或只是远离。
四
杂质鉴定
早期工作者主要采用光学显微镜结合X射线结构分析和物理成分分析，积累了宝贵的经验和丰富的数据。 近年来，利用电子探针分析杂质微量成分的情况不断增加。 目前，杂质的鉴别一般有两种方法。
金相方法与微区成分分析相结合
金相观察中选出待定夹杂物后，用电子探针（EPMA）分析微区成分或用扫描电子显微镜（SEM）自带能谱分析（EDS）进行成分分析。 一般可以测定规格小于1um的夹杂物的组成元素和大致成分，如果采用某些元素的表面扫描，可以得到更直观的结果。 图4是Q460钢中某杂质的扫描电子显微镜表面分析谱。 按顺序扫描硫、锰、硅和铁。 杂质为MnS、SiO2和FeS，可以通过能量色散光谱（EDS）进行分析，可以直接得到各元素的质量分数。
图4 夹杂物的扫描电子显微镜
光学金相学
在光学显微镜下明视场观察杂质的颜色、形状、大小和分布； 暗视野下观察杂质固有的色调和透明度； 在正交偏振下观察杂质的各种光学性质，从而确定夹杂物的类型。 根据夹杂物的分布和数量，评价相应的牌号钢材的形状分类，衡量其对钢性能的影响。 目前，检查和研究钢中非金属夹杂物的方法有很多，主要有物理方法、岩相方法、金相方法、电子探针和电子扫描方法等。 夹杂物的金相鉴定是根据夹杂物在明场、暗场和偏振光下的形貌、分布和光学特征（表1），并与夹杂物的已知特征进行比较来确定夹杂物的类型。 如有必要，可以测定夹杂物的微观强度或抵抗物理因素腐蚀的能力。 非金属夹杂物金相鉴别步骤见表2。
表1 常见非金属夹杂物光学特性
表2 非金属夹杂物金相鉴定
五
非金属夹杂物的定量评级
国家标准评级
定量测定是优质钢和中优质钢的常规检验项目之一。 在已知杂质种类的情况下，采用标准牌号比较法来判断钢材质量的好坏或是否合格。 杂质评级可按GB/-2005标准进行。 样品经过仔细抛光，内含物应保存完好，并在100倍显微镜下观察，无侵蚀现象。 将样品上夹杂物最严重的视野与标准品位图片进行比较钢材的形状分类，以评价其品位。 GB/-2005标准列出了三类杂质的水平图。 氧化物为一类，硫醇按杂质最严重分为两大系列。 每个系列分为5个等级。 品位越高，杂质浓度越高。 如果评级不能分为整数，则可以使用半级。 对于用作重要零件的合金结构钢或工具钢，应根据零件的要求确定非金属夹杂物的合格等级。 对于合金结构钢，通常氧化物和硫化氢的最高含量不应超过三级。 和5.5级。
铬滚动轴承按GB/-2002标准进行分类和评级。 标准中将非金属夹杂物分为延性夹杂物、塑性夹杂物和片状不变夹杂物三类，每一类又分为八个级别的标准等级：0.5、1、1.5、……、4。轴承钢中非金属夹杂物含量不应低于表3的规定。
表3 轴承钢中非金属夹杂物允许含量
为了定量研究杂质对性能的影响，需要测量杂质尺寸和宽度的统计分布。 当杂质比较小时，必须在电子显微镜下进行。 定量测量需要测量更多视野以获得统计分布。 手动图像分析仪的应用可以大大加快测定过程并获得更准确的结果。
JK标准评级
杂质分为A、B、C、D四种基本类型，分别是硫醇、氧化铝、硅酸盐和球形氧化物。 每种杂质按长度和半径可分为细系列和粗系列两个系列。 每个杂质由三级图片（1~5）组成，代表夹杂物数量的增加。 在评估夹杂物水平时，允许半级评级。 结果以每个样品的每种夹杂物的最差视场的等级号来表示。 钢中非金属夹杂物的评价方法可参照GB/-2005标准。
ASTM 分级标准
ASTM 标准评级表也称为修改版 JK 表。 等级表中杂质的分类及系列定义与JK等级标准表相同，但等级表由0.5~2.5组成。 适用于评价高含量钢的夹杂物，常用于承受大量轧制的产品，如薄板、管材和线材。 结果表示为每种类型夹杂物不同级别的总视野。
六
结语
钢中非金属杂质的浓度虽小，但对钢的性能影响很大，因此必须进行定性定量测定。 根据夹杂物在显微镜下的不同光学特征，可以对钢中的非金属夹杂物进行定性鉴别，并结合相关标准和相关显微分析，定量评价夹杂物的级别。面积成分，可以综合判断钢材的质量。 找出规律，改进工艺，尽可能降低有害杂质浓度，提高产品质量。
