【第三方检测】钢中非金属夹杂物的原位研究应用

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分享： 2020/04/03 08:22:37

钢中非金属夹杂物是指钢中不具有金属性质的氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物。它们是钢在冶炼过程中由于脱氧剂的加入形成氧化物、硅酸盐和钢在凝固过程中由于某些元素(如硫、氮) 溶解度下降而形成的硫化物、氮化物，这些夹杂物来不及排出而留在钢中。

随着近代精炼技术的发展，钢的“洁净度”大大提高，夹杂物在钢中的含量虽然极微，但对钢的性能却具有不可忽视的影响，非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性，致使材料的塑性、韧性降低和疲劳性能降低，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。钢中夹杂物对钢性能的影响主要在对钢韧性的危害，而且危害程度随钢的强度增高而增加。然而其中夹杂物的数量及分布形态是影响钢材质量的重要指标之一。目前，可以利用扫描电镜分析和原位的动态研究对夹杂物的形态特征及分布进行研究。

近日就有学者对于304不锈钢中夹杂物在变形过程中对于材料的微观结构的影响进行了相关的研究。

原位(In situ)测试

基于原位拉伸测试成果案例1[1]：

针对夹杂物对304不锈钢变形行为影响的研究，本文通过原位拉伸的实验手段，采集实验过程中各载荷值下的SEM数据和EBSD数据，以此来分析各阶段夹杂物对304不锈钢基体变形行为的影响。

通常，夹杂物对拉伸条件下基体性能影响的问题只能通过近原位测试方法来研究。只能用组织状态基本相同的几个试样拉伸，然后在达到预定载荷时停止装载和卸载试样。然后，抛光每个样品的表面以观察样品表面的变形。这种方法有很多缺点。它不能保证每个样品的均匀性，在典型现象发生时不能准确获得负载值，并且不能在同一区域内获得不同应力状态下的变形。这些缺点使得无法确保因素的独特性。与原位拉伸试验相比，原位拉伸试验具有以下三个优点：

1.观测区域可以精确定位，在任何载荷下都可以用坐标求出观测区域；

2.准确采集同一区域不同应力状态下的SEM和EBSD信息；

3.它能准确地找出微裂纹萌生、扩展和宏观断裂的时刻。

图1为304不锈钢的原位拉伸实验全过程，展示了不同载荷状态下材料的微观形貌。

图1 原位拉伸微观过程

(a) F=0 N(δ= 0mm); (b) F= 300 N(δ =0.061 mm); (c) F=600 N(δ =0.417mm); (d) F =800 N(δ= 1.102mm); (e)F= 800 N(δ= 1.102mm); (f) F=1130 N(δ =2.233 mm); (g) F< 1130 N(δ =2.25 mm); (h) F< 1130 N(δ =2.261 mm).

图2 不同载荷下夹杂物的形貌

(a) F= 600 N; (b) F = 700 N; (c) F=800 N; (d) F=900 N; (e) F= 1000 N; (f) F= 1100 N.

由图2可知，当夹杂物的长轴方向与拉伸载荷方向垂直时，孔洞及微裂纹的扩展趋势最为剧烈，促进断裂行为的发生；当夹杂物的长轴方向与拉伸载荷平行时，孔洞及微裂纹的扩展趋势更为平缓，对于断裂行为的危害作用相比较小。

图3 原位观察单晶和多晶MnS颗粒的KAM图

(a) F= 0N; (b) F= 300 N; (c) F=500 N; (d) F= 600 N.

由图3可知，原位生成的MnS夹杂物单晶形态和多晶形态并存，在变形过程中两者变形行为有明显差异且对于基体变形行为的影响也不同。

结论：

本文借助原位拉伸实验的手段进行SEM图的信息采集分析，EBSD数据的信息采集分析来研究MnS夹杂物对基体变形行为的影响。得到的结论如下：

1.单晶态的MnS颗粒在变形过程中只会发生和基体界面的脱粘现象，多晶MnS颗粒会多发生内部断裂现象偶尔会发生与基体界面脱粘现象；

2.在变形过程中，长轴方向垂直于拉伸方向的MnS颗粒比长轴方向平行于拉伸方向的MnS颗粒对于基体的影响更加的显著，对于基体的破坏作用更强；

3.MnS颗粒的存在会促进变形过程中孔洞的形核，为孔洞聚集提供机会，促进材料产生准解理断裂特征，使材料失效提前，强度韧性下降。

参考文献：

1.Xin-gang Liu, Can Wang, Jiang-tao Gui, Qi-qi Xiao, Bao-feng Guo, Effect of MnS inclusions on deformation behavior of matrix based on in-situ experiment, Materials Science and Engineering: A 746 (2019) 239–247.

欧波同材料分析研究中心

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