钢中非金属夹杂物存在状态的不确定性与检测.ppt

钢中非金属夹杂物存在状态的不确定性与检测 北京科技大学冶金与生态工程学院 1.前言 检测目的与测不准 研究钢中非金属夹杂物，重要的问题是检测确认它的存在状态，借此来判断生产过程产生的影响，提出改善生产条件的措施。 状态检测的项目一般包括夹杂物的形状、类别、尺寸、成分、数量，但是无论进行多么详细的调查，结果也只能大致表征钢中非金属夹杂物的状态，其原因是测不准。 2.钢中非金属夹杂物状态的不确定性 电子显微镜下看到的非金属夹杂物举例 微观下分布不均匀,位置不确定 非金属夹杂物与生产条件的联系 非金属夹杂物的出现，与钢种、生产工艺、操作水平、设备条件、耐火材料等有密切的关系，但具体到某一个非金属夹杂物，却不见得反映出与全部生产条件的联系。 钢中非金属夹杂物存在状态不确定的原因 钢中非金属夹杂物存在状态不确定的原因，是其形成、凝聚、位移过程的无规则。 夹杂物形成无规律 外来夹杂物来源于卷渣和耐火材料的剥落等，其形成没有任何规律； 内生夹杂物起因于钢水中某一局部区域元素的富集而发生的化学反应，这种局部的富集也是无规律的。 用金属原位分析仪扫描某铸坯试样得到的火花光谱图 用电子显微镜对某铸坯局部做面扫描得到的结果 非金属夹杂物粒子移动不确定 夹杂物粒子随着钢水的流动而移动，同时自身也作布朗运动。 在钢水凝固之前一个夹杂物粒子会与其他哪些夹杂物粒子碰撞凝聚而长大，又在哪个位置最终被凝固的钢水固定，显然是不可能确定的。 用原位分析仪探测到的试样上夹杂物的位置与成分的无规律性 3.夹杂物颗粒平均成分测不准及其原因 成分偏析 研究结果表明，尽管钢中非金属夹杂物的尺寸都非常小，但其颗粒也有成分偏析，因此在电子显微镜的视场下用能谱分析法收取成分的时候，得到的平均成分与操作有很大的关系。 电子显微镜的放大倍数、采用点扫描或线扫描还是面扫描、X射线强度等都影响能谱分析的结果，而无法得知非金属夹杂物颗粒的平均成分，夹杂物中元素偏析的情况因颗粒而异。 钢中非金属夹杂物断面上某些元素的偏析 非金属夹杂物颗粒中几种元素的存在区域、密集程度都很不均匀，可见无论怎样选取扫描范围都不可能得到各元素的平均成分。 元素偏析与其形成过程的关系 可以设想到的影响因素有，非金属夹杂物由哪几种化合物构成，各种化合物的成分，由几个颗粒碰撞凝聚而成，凝聚时几个颗粒的熔点，从哪个方向碰撞，凝聚后各颗粒是否有移动，内部发生了什么反应等等，这些因素中显然大都是不确定的。 元素偏析与结晶过程的关系 结晶过程造成偏析，根据已经掌握的理论知识分析可以断定，只要非金属夹杂物不是单一的高熔点组分，在钢水中不是完全的固体，那么在其冷凝过程中颗粒内部都应该经过选分结晶的过程，把低熔点的成分从高熔点成分中间排挤出来形成偏析。 即使钢中有单一组分的 非金属夹杂物颗粒---- 设想某非金属夹杂物在钢水中形成时就是完全单一的高熔点组分，没有选分结晶会造成的偏析，但能谱分析时X射线是否已经穿透了夹杂物本体，而收取了钢基体中的其他元素的成分也不可知。 迄今为止的研究中还没有发现这种夹杂物，而能谱分析时X射线穿透夹杂物本体的可能性很大，因此能够准确确定此类夹杂物成分的可能性很小。 4.存在状态不确定性的理论解释 用分形理论来解释 存在状态不确定性源于钢中非金属夹杂物粒子的形成、移动和凝聚无规则，要用非线性物理学的分形理论来解释。 根据分形理论在二维条件下模拟，结果表明，粒子开始凝聚时条件相同，而结束时的形状却完全不同，因此不能认为生产条件相同，钢中非金属夹杂物的状态就相同，所以由检测得到的某些夹杂物的状态不能表征其他未检的状态。 在二维条件下模拟大量钢中非金属夹杂物粒子凝聚 模拟粒子凝聚得到的形状举例 模拟时的初始条件都相同，但结束时凝聚体的形状各不相同。这就从理论上说明了钢水凝固后非金属夹杂物的形状是不可能完全一样的，其存在状态是不确定的，未检的非金属夹杂物的存在状态不可能由已检的结果推测得到。 5.现在检测方法的局限性 采用原位法和移位法直接观察钢中非金属夹杂物 原位法：仅仅能够看到一个平面上的形象，即使多次研磨多次观察，也只是在有限的几个平面内观察，而得不到夹杂物的全貌。 移位法：非水溶液电解、且夹杂物都是独立颗粒的条件下，可能得到与钢中形状相同的颗粒，但在水溶液中电解，则不可能得到原来的颗粒。 观察结果与实际非金属夹杂物之间可能存在的区别示意图 钢中的链状非金属夹杂物 如果是链状非金属夹杂物，即使是采用非水溶液电解，收集到的夹杂物也肯定不会保持原来在钢中存在的那种形状，所以想由得到的数据（包括图片、电解分离收得物）来确切表征一个钢中非金属夹杂物（簇团）原来的形貌、尺寸，是没有充分理论依据的，这些数据只有参考意义。 现在对非金属夹杂物形状的认