浅析非金属夹杂物的危害

根据某公司工程现场的反馈，其生产的某型号安全部件上用的螺栓出现了断裂不良，为找出螺栓发生断裂的原因，对退回来的不良品进行了断口和金相分析。

1.1 断口宏观分析

如下图1所示，首先对退件样品进行宏观断口分析。从上两断口图中可以看出，螺栓断裂基本上是沿螺纹根部发生，断口附近无明显的宏观塑性变形，断口齐平，该断口属于疲劳断口，疲劳裂纹源产生于螺纹根部(1区)，裂纹从表面向内部方向扩展。2区为疲劳裂纹扩展区，2区的起始位置存在有明显的撕裂痕迹，这说明裂纹在开始扩展时速度很快。随着裂纹的加深，扩展速度不断减小，最后僵持停留一段时间，在断口上留下停留痕迹，如3区，在此区域，沿主裂纹向各个方向发展二次裂纹。各方向二次裂纹在交变应力的作用下继续扩展，当裂纹扩展到临界值，螺栓的剩余截面无法克服交变应力时，就造成以撕裂力为主的瞬时破坏。4区为瞬断区，瞬断区与轴线垂直，面积占断口面积的75%，呈明显的脆性，说明断裂时应力较大或材料强度不足。

 1－裂纹起源区；2－裂纹扩展撕裂区；3－停留痕迹； 4－瞬时断裂区

如下图2、图3所示，螺栓基体中存在严重的非金属夹杂物，螺纹底部已经存在裂纹，且裂纹附近还可以观察到有夹杂物存在。 

     图2  螺栓内部的非金属夹杂物(100×)

   图3 螺纹底部组织（100×）

用4%硝酸酒精腐蚀后，观察螺栓的金相组织。腐蚀后发现，在螺纹根部发现了较长的裂纹，裂纹起始于螺纹底部的夹杂物，一次主裂纹扩展到一定程度后，产生二次裂纹，二次裂纹已经扩展到材料内部。

   图4  螺栓螺纹根部的裂纹扩展形貌（500×）

1.3 小结

1) 螺栓所选用的材料中存在严重的非金属夹杂物。夹杂物坏了螺栓基体的均匀连续性，在受力过程中容易造成应力集中；

2) 螺栓在滚压加工的过程中，应力在夹杂物的位置集中，导致螺栓在螺纹的根部产生裂纹源；

3) 螺栓在使用的过程中由于反复应力的作用，在螺栓底部夹杂物的位置产生裂纹源；同时，夹杂物的存在也加快了已有微裂纹的扩展，并最终导致了螺栓早期的疲劳断裂。

从前面的案例可知，夹杂物对金属材料的影响是非常巨大的，为保证产品的安全可靠性，需要对钢材中非金属夹杂物进行严格的控制。

由于夹杂物在钢中存在的形态比较复杂，它的类型、形态、尺寸大小，组成与结构等常常随着钢的成分，冶炼方法和其他处理条件的变化而变化，所以鉴定钢中夹杂物很难应用一门技术满足要求，必需应用各种技术从不同角度进行综合分析。目前，研究夹杂物的方法很多，有化学法、金相法、X射线衍射法、电子探针法、扫描电镜法等。

用金相法不但可以判断夹杂物的类型，根据夹杂物的情况及数量参照有关标准给予评定级别，或运用自动图像分析仪进行定量分析，从量的方面给出数据。并且样品的制备和操作均较为简便，对于生产过程中控制钢的质量具有比较现实的意义，因此，在日常检验中，金相法被广泛采用。

依照GB/T 10561-2005 ，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，实际检验时应该标准进行相应的分类。作为参考，以下列出了各类型夹杂物的大致特点。

A类（硫化物类）：具有较好的延展性，长度与宽度比大，一般呈连续的长条状，在显微镜下一般呈灰色，端部一般呈圆角，如下图4所示。

       图4  A类（硫化物夹杂物）

B类（氧化铝类）：一般呈颗粒状，颜色为黑色，长度与宽度比小（一般＜3），沿轧制方向排成一行（至少有3个颗粒），如下图5所示。

         图5  B类（氧化铝类夹杂物）

C类（硅酸盐类）：具有一定的延展性，长度与宽度比较大（一般≥3），颜色为黑色，呈单个或断续链状分布，一般端部呈锐角，如下图6所示。

    图6   C类（硅酸盐类夹杂物）

D类（球状氧化物类）：不变形，圆形的，长度与宽度比小（一般＜3），颜色为黑色，呈无规则分布的颗粒状，如下图7所示。

图7   D类（球状氧化物类）

DS类（单颗粒球状类）：圆形或近似圆形的，直径≥13μm的单颗粒夹杂物，如下图8所示。

图8   DS类（单颗粒球状类）

二、非金属夹杂物的危害及案例

3.1 夹杂物对材料疲劳强度的影响

硫化物类夹杂物、氧化铝类夹杂物、硅酸盐类夹杂物在材料中的存在往往是呈长条状或链状形式出现。这一类的夹杂物对材料的危害主要是其破坏了材料基体的连续性，材料在使用的过程中容易造成应力集中，促进了疲劳裂纹的产生，并在一定条件下加速了裂纹的扩展，从而加速了疲劳破坏的过程。如前面第一章所述的案例。

3.2 夹杂物对钢在冷加工上的影响

非金属夹杂物的存在对钢在冷加工过程有严重的影响，往往导致钢材在滚压、弯折等冷加工过程中沿夹杂物产生裂纹。

1） 如某公司的产品膨胀螺栓，因为螺栓材质存在严重的夹杂物，螺栓在滚压加工的过程中，应力在夹杂物的位置集中，导致在螺纹位置出现裂纹，如下图9所示。

    图9  螺栓裂纹及夹杂物示意图  

    图10 不锈钢裂纹及夹杂物示意图

3.3 夹杂物对钢的耐冲击性能的影响

夹杂物属于硬脆相，其存在将严重降低钢的耐冲击性能，使工件在使用的过程中容易出现剥落，从而导致工件发生脆裂。如某公司某型号制动子部件，在进行制动试验过程中出现崩齿现象，如下图11a所示。经本体取样进行金相分析，发现部件齿部位置出现严重的夹杂物，如下图11b所示。         a) 崩齿位置                        b) 内部夹杂物

    图11 部件崩齿现象及内部夹杂物示意图

3.4 夹杂物对钢在热处理过程中的影响

夹杂物基本上不溶于钢材基体，呈单独的相存在，并且没有塑性，它的存在破坏了钢材基体组织的连续性，当钢材在热处理的过程中容易在夹杂物的位置产生应力集中，从而形成裂纹源，导致钢材产生“热裂”。如某公司生产的的板型弹簧，在热处理的过程中出现开裂，如下图12所示。

图12  弹簧表面裂纹示意图

a)                                             b)

图13 弹簧内部夹杂物及裂纹示意图

沿裂纹垂直方向取样进行观察，如上图13 a）所示，钢材表面有严重的大块状非金属夹杂物，夹杂物的一端有延伸的微裂纹。用硝酸酒精腐蚀后进一步观察，如图13 b）裂纹开始于夹杂物端部，并沿着晶界扩展成多条裂纹。这是由于的热处理过程中，因为热处理工艺控制不当，基体金属在冷却的过程中收缩过快，在夹杂物端部产生大的内应力，基体金属与夹杂物的之间的结合力不足于承受内应力，导致撕扯开裂。