ASTME451997钢中非金属夹杂物评定方法中文1.docx
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ASTME451997钢中非金属夹杂物评定方法中文1
ASTME45-05 钢中夹杂物含量的评定方法
1范围
1.1 本标准的试验方法为测定锻钢中非金属夹杂物含量的方法。
宏观试验法包括微蚀、断口、台阶和磁粉法。
显微试验法通常包括5种检测。
根据夹杂物形状而不是化学特点，显微法将夹杂物划分为不同类型。
这里主要讨论了金相照相技术，它允许形状类似的夹杂物之间略有不同。
这些方法在主要用来评定夹杂物的同时，某些方法也可以评估诸如碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物和金属间化合物的组成。
除了钢以外，其它合金在有些情况下也可以应用这些方法。
根据这些方法在钢中的应用情况，将分别给予介绍。
1.2 本标准适用于人工评定夹杂物含量。
其他ASTM标准介绍了用JK评级图的自动法（ASTME1122）和图像分析法（ASTME1245）。
1.3 按照钢的类型和性能要求，可以采用宏观法或显微法，也可以将二者结合起来，以得到最佳结果。
1.4 这些试验方法仅仅为推荐方法，对任何级别的钢而言，这些方法都不能作为合格与否的判据。
1.5 本标准未注明与安全相关的事项，如果有的话，也只涉及本标准的使用。
标准使用者应建立适当的安全和健康操作规程，并且在使用标准前应确定其适用性。
2 参考文献
2.1 ASTM标准：
A295高碳耐磨轴承钢技术条件
A485强淬透性耐磨轴承钢技术条件
A534耐磨轴承用渗碳钢技术条件
A535特种性能的滚珠和滚柱轴承钢技术条件
A756耐磨轴承用不锈钢技术条件
A866耐磨轴承用中碳钢技术条件
D96用离心法分离原油中水和沉淀物的试验方法
E3制备金相试样指南
E7金相显微镜术语
E381钢棒，钢坯，钢锭和锻件的宏观试验法
E709磁粉检测指南
E768自动测定钢中夹杂物的试样的制备和评定操作规程
E1122用自动图像分析法获得JK夹杂物等级的操作规程
E1245用自动图像分析法确定金属中夹杂物或第二相含量的操作规程
2.2SAE标准：
J421，磁粉法测定钢的清洁度等级
J422，钢中夹杂物评定的推荐操作规程
2.3航空材料技术条件
2300，高级飞行性能钢的清洁度：
磁粉检测程序
2301，飞行性能钢的清洁度：
磁粉检测程序
2303，飞行性能钢的清洁度：
耐腐蚀马氏体钢磁粉检测程序
2304，特种飞行性能钢的清洁度：
磁粉检测程序
2.4ISO标准：
ISO3763，锻钢——非金属夹杂物的宏观评定法
ISO4967，钢——使用标准图谱的非金属夹杂物显微评定方法
2.5ASTM附加标准：
钢中夹杂物评级图Ⅰ-r和评级图Ⅱ
低碳钢的4张显微照片
3 术语
3.1 定义：
3.1.1 本标准中用到的定义，见ASTME7。
3.1.2 ASTME7中定义了夹杂物数量；由于这些试验方法中有些涉及到长度的测量，或将长度或（和）数量数值化，因而用“夹杂物等级”一词更好。
3.2 本标准的专业术语定义：
3.2.1 纵横比——显微镜下的长、宽比。
3.2.2断续条状夹杂物——3个或3个以上的B型或C型夹杂物排成一列，并且平行于热加工轴,列与列之间相距不超过15µm，一列内任意两个相邻的夹杂物间距不小于40µm。
3.2.3 夹杂物类型——对硫、铝、硅类的夹杂物的定义，见ASTME7。
球状氧化物，有的试验方法中称为游离的、相对不易变形的夹杂物，纵横比不大于5：
1。
在其他的方法中，氧化物被划分为可变形的和不可变形的两类。
3.2.4 JK夹杂物等级——一种基于瑞士Jernkontoret程序的、测定非金属夹杂物的方法。
方法A和D主要是JK评定法，方法E也使用了JK评级图。
3.2.5 条状夹杂物——一个在变形区被大大拉长的夹杂物，或者3个或3个以上的B型或C型夹杂物排成一列，且平行于热加工轴，列与列之间相距不超过15µm，一列内任意两个相邻的夹杂物间距不小于40µm。
3.2.6 最差视场评定——通过给试样表面某处各类夹杂物最严重的视场赋值来评定试样中各类夹杂物的方法。
4 意义和使用
4.1 这些试验方法包括4个宏观、5个微观试验方法，它们是用来描述钢中夹杂物含量和试验结果的程序。
4.2 夹杂物是以尺寸、形状、密集程度和分布状态，而不是以化学成分为特征的。
尽管化学成分尚未确定，显微试验法已把夹杂物归入几种化学成分相似的某一类物质（如把硫化物、氧化物和硅酸盐——最终归为氧化物一类）。
第12.2.6条描述了更容易分辨夹杂物的金相照相技术。
用该技术检测到的是分布于试样表面的夹杂物。
4.3 宏观试验法相对显微试验法来说，能测定更大面积的表面，而且由于其检测是肉眼可见或低倍的，因而它们更适合于检测大夹杂物，而不适于检测长度小于0.40mm的夹杂物。
但它不能分辨夹杂物的类型。
4.4 显微试验法用来表述某些夹杂物的特征，这些夹杂物因脱氧或在固体钢中溶解度有限（成为析出夹杂物）而形成。
这类夹杂物在几何外形上，如尺寸、形状、密集度和分布，具有明显的特点，而在化学成分上无特殊性。
显微试验法并非用来评估外来夹杂物（如熔渣或难熔物），也不是评估碳化物、碳氮化物、氮化物、硼化物或金属间化合物的，尽管有时也用于后者。
4.5由于许多给定钢中的夹杂物数量随位置而异，钢坯必须进行统计抽样，才能测确定其夹杂物含量。
抽样数必须与钢坯尺寸和特性相符合。
由于自动图像分析法能够进行更准确的微观评定，因而对夹杂物很少的材料，适用于自动图像分析法（见ASTME1122）。
4.6宏观和显微试验法的结果可以作为材料外运凭证，但不能作为接收或拒收材料的依据。
这些试验数据的评判标准可见ASTM产品标准或用户与厂方的协议。
4.7这些试验方法计划用于锻造金属件。
由于没有规定最低变形量，故这些试验方法不适用于铸件和少量加工件。
宏观法
5宏观试验法
5.1概述
5.1.1微蚀试验——该试验用来显示夹杂物含量和分布，这些夹杂物通常分布于横截面或与轧制、锻造方向垂直的截面。
一些实例也进行了纵截面上的检测。
在需要检测区域切取并加工一截面，用合适的腐蚀剂腐蚀。
通常使用的腐蚀剂为盐酸和水在71~82℃的混合溶液，正如本试验名称所示，腐蚀后，用肉眼或低放大倍数即可看出被腐蚀表面的夹杂物。
有关本试验的详细内容可见ASTME381。
对有疑义的结果应通过显微法或其他方法确认。
5.1.1.1用5.1.1的方法，硫化物表现为浸蚀麻点。
5.1.1.2这种方法只能检测大块氧化物。
5.1.2断口试验——该方法用于确定厚度约为9~13mm的硬化工件断口上的夹杂物。
本试验基本用于钢的分析，因为钢才有可能达到约60HRC的硬度，而且其断口的晶粒尺寸可达7级或更细。
试样外部不能有过量的导致断裂的凹槽或划痕。
断口最好在通过工件轴心的纵向上。
用肉眼或放大约10倍即可检测夹杂物的长度和分布。
回火色或发兰能够有助于对断续状氧化物的判断。
ISO3763为断面夹杂物的评定提供了一种图示法。
实例表明，用这种方法可以测出长度仅为0.40mm的夹杂物。
5.1.3台阶法——该试验方法用来评定轧钢或锻钢加工面上的夹杂物。
按规定的在表面下的直径加工试样。
在良好光照度下，肉眼或低放大倍率即可观察到夹杂物。
有时也把试样加工成更小的直径，以便检测原直径试样后做进一步检验。
该试验一般用于检测3mm及其以上长度的夹杂物。
5.1.4磁粉法——磁粉法是台阶法的一种变异。
它是针对铁磁材料，通过加工、磁化试样来判定夹杂物的。
断续的仅有0.40mm长的夹杂物形成缺磁区，吸引磁粉，进而显现夹杂物。
详细内容见第6章。
5.2优点：
5.2.1这些方法使试样表面大泛围的检测变得很容易。
多数情况下，人们更关心的是钢中更大的夹杂物，它们呈不均匀分布，且间距较大，这为大面积检测创造了更好的机会。
5.2.2制备宏观检验用试样较快，仅需要机加工和磨削即可。
不需要高抛光的表面，宏观法对评定大块夹杂物具有足够的灵敏度。
5.3缺点：
5.3.1不能区分不同夹杂物的形态。
5.3.2不适宜检测小球状夹杂物或很小的被拉长的链状夹杂物。
5.3.3磁粉法会导致对显微结构的错误判断，如残奥沟痕、树枝状晶或某合金中的碳化物。
如果磁化电流很大，这种误判很容易出现。
6磁粉法——详细程序
6.1试样：
6.1.1试样应按6.2制备，由圆形或方形截面的钢锭、钢坯或钢棒上切取试样的步骤推荐如下：
6.1.1.1横截面面积在230cm2以上——如图1或图2所示，切取1/4截面，用锻造或（和）机加工的方法制成直径为60~150mm的圆柱形试样。
还可以用另一种方法，即锻或轧制成150mm的方形或圆形截面，按6.1.1.2加工出1/4截面。
6.1.1.2横截面面积在100~230cm2（包括100cm2和230cm2）——如图1或图2所示 ，切取1/4截面，用锻造或（和）机加工的方法制成最大直径的圆柱试样。
6.1.1.3横截面面积在100cm2以下——把试样加工成圆柱体。
另一种方法是制成3个直径的台阶试样，每一个直径对应的圆柱体长度为75mm。
D为第一个台阶的直径，其值低于标准允许的圆柱试样尺寸；第二个台阶的直径为3/4D；第三个台阶的直径为1/2D。
6.1.2试样应符合以下要求，除非6.1.1.1~6.1.1.3另有规定。
6.1.2.1检测表面长度一般为125mm，通常还需要25mm的延伸量。
6.1.2.2从坯料上切取试样的最小值如下：
圆形或方形截面坯料尺寸，mm 试样最小尺寸，mm
≤12.7 0.76
12.7~19（包含19） 1.13
19~25.4（包含25.4） 1.52
25.4~38（包含38） 1.89
38~51（包含51） 2.28
51~64（包含64） 3.17
64~89（包含89） 3.96
89~115（包含115） 4.75
115~152（包含152） 6.35
6.1.2.3切取的1/4截面应大于图1和图2所示尺寸，以保证试样表面包含坯料的中心。
坯料中心在试样表面上的位置应贴以标记。
6.2试样制备：
6.2.1试样粗加工后，在稍高于临界温度的温度下水淬或油淬，并根据化学成分进行200~650℃的回火，使硬度达到约300HB。
注意避免淬裂。
热处理会形成一个更为均匀的组织，其硬度足以使该组织保留一部分磁性，有助于试验后磁粉聚集。
6.2.2热处理后，磨削试样（包括端部），或者进行清理，以保证磁粉的良好吸附。
磨削应在与试样长度垂直的方向上进行，并避免形成磨削裂纹。
纵向划痕可能足够深，使磁粉聚集，以致夹杂物模糊不清。
6.2.3磁化前，应用快干溶剂彻底清洗试样，去除油脂和手指印。
6.3步骤：
6.3.1沿试样纵向反复通电1/5~1/2s，电流强度应为在试样直径上160~470A/cm。
6.3.2正常情况下，用连续法湿法，即试样在磁悬液中磁化。
硬化钢试样（硬度不小于50HRC）磁化后，可以采用剩磁法湿法。
注意检测完成前，不要破坏磁痕。
有关磁粉检验的各种湿法描述见ASTME709。
6.3.3通常人们把磁粉浸泡于粘度约为40SUS的煤油或其他轻质油中。
每升油约含7.7g非荧光磁粉。
退磁时，非萤光磁粉磁悬液的体积分数应为1.0%~2.0%，并在符合ASTM标准的100mL刻度的锥形分离管中放置30~40min。
有关锥形分离管的描述见ASTMD96。
6.3.4作为油基系统的替代系统，可以用水基系统。
使用水基系统时，应控制蒸发率。
通过加水保持正常液面。
6.4试样检验：
6.4.1检验应在良好光照下进行，最好是标准的白色荧光灯。
为获得最好的散射效果，应使灯的纵轴垂直于试样纵轴。
这样可以清楚地看到大夹杂物，小一点的夹杂物也可以看到。
如果要检测0.8mm或更小的夹杂物，可借助于手工放大镜。
至于是由夹杂物产生的磁痕，还是由其他原因，如裂纹、金属纤维（流线）、碳化物等产生的磁痕，有经验的操作人员能够进行区分。
记录试样表面的磁痕尺寸。
6.4.2夹杂物产生的磁痕可以用照相、绘制或转入接收器介质的方式记录下来。
例如，用气溶胶或其他方法制成塑料涂层材料溶液，尤其是可以充分利用制备好的吸收纸如染印接受纸或清理胶片（cleanoutfilm）。
将它们制成各种尺寸，或从摄影棚得到。
固定在卡片上的普通透明胶带也能吸起试样上的磁粉。
转移法速度快，能够准确地提供低倍率下的检测结果，且比检测曲面用的照相法来得更准确。
另外，转移法还能保留磁痕在试样上的位置，而试样是与坯料原表面及其中心线有关的。
6.5结果表示：
6.5.1磁粉试验结果一般由频率和严重级别数表示。
6.5.2频率是指给定区域内磁痕的总数。
一般此区域面积为258cm2。
也可由检测表面单位面积内的磁痕数表示。
用频率和严重级别表示每平方英寸内夹杂物的方法已被汽车工程师协会以SAEJ41标准所采纳。
参见AMS2300，AMS2301，AMS2303和AMS2304。
6.5.3严重级别数是根据AMS2300，2301,2303和2304中所列的磁痕宽度来表示的。
该值如下：
磁痕长度，mm（AMS2300，2304） 严重级别宽度因数
0.4~0.8（不含0.8） 2
0.8~1.6（不含1.6） 4
1.6~3.2（不含3.2） 16
≥3.2 256
磁痕长度，mm（AMS2301，2303） 严重级别宽度因数
1.6~3.2（包含3.2） 0.5
3.2~6.4（包含6.4） 1
6.4~12.8（包含12.8） 2
12.8~19（包含19） 4
19~25.4（包含25.4） 8
25.4~38.10（包含38.10） 16
6.5.3.1严重级别数是按给定长度的磁痕数乘以宽度因数，并将乘积相加得到的。
严重级别数由给定区域的磁痕宽度表示，也可以由检测表面每单位面积的磁痕宽度表示（见AMS2300，2301，2303，2304）。
6.5.4一个熔炼炉次的所有试样的平均频率和严重级别数可用来表示该炉次磁粉检测的结果。
6.5.5一个熔炼炉次的频率和严重级别数可以方便地与另一炉次的值相比较。
但要注意比较的是相近尺寸的钢坯或钢棒的测试结果。
6.5.6如果采用台阶试验，其结果应与各自直径有关。
6.5.7磁粉检测结果也可以用某一规定区域内磁痕的总长度表示。
在上面提到的AMS标准中，用每平方英寸内的磁痕的长度表示。
显微法
7综述
7.1显微法用于测定抛光试样表面上夹杂物的尺寸、分布、数量和类型。
通过光学显微镜对试样的检测，用几张有代表性的金相照片报告观察到的夹杂物类型。
这种方法没有统一的报告格式。
因而产生了标准引用图的情况，这些图描述了一组典型夹杂物的特征，将试样的显微视场直接与这组图作比较即可得到检测结果。
7.2这里引用的各种图都出自于JK评级图和SAEJ422中的SAE评级图。
本标准就是用这些图来作准确对比的。
其中方法A（最差视场法）、方法D（低夹杂物含量法）和方法E（SAM评定法）用JK评级图，而方法C（氧化物和硅酸盐法）用SAE评级图。
ISO4967用的也是JK评级图。
7.3由于一张图不能全面反映出各种夹杂物的类型和形式，因而使用任何一张图在检测最普通类型的夹杂物时都会受到限制。
故要注意这样的检测并不是纯粹地研究夹杂物的金相照片。
7.4除了比较（或评级图）法A、C和D外，还有一种方法B。
方法B（长度法）是根据夹杂物的长度来检测的。
无论夹杂物为何种类型，只要其长度不小于0.127mm就可以进行评定。
用这种方法能得到夹杂物的最大长度和平均长度。
此外，金相照片可以用来评定短得无法测量的背景夹杂物。
7.5显微评定法的优点：
7.5.1可以评定夹杂物的尺寸、类型和数量。
7.5.2可以评定极小的夹杂物。
7.6显微评定法的缺点是评估视场很小（0.50mm2）。
这样试样尺寸较小，只能用有限数量的视场来评定大试样。
如果夹杂物分布不均匀，则由显微评定法得到的大截面钢坯上夹杂物的分析结果就具有偶然性。
钢的最终使用决定了显微评定结果的重要性。
应具有整理评定结果的经验，以便于在某些应用中不夸大夹杂物的重要性。
7.7在评定夹杂物时，无论采用什么方法，很重要的一点是评定结果仅出自于被检试样区。
由于实际的原因，这种试样与其所代表的钢的总数相比是很少的。
为获得夹杂物的评定数据，进行足够数量的抽样与选择正确的试验方法同样是很重要的。
7.8对夹杂物来说，不仅在不同熔炼炉次的钢中不同，就是同一熔炼炉次、甚至是同一钢坯的不同部位也不同。
需要测定夹杂物含量的单位批量的钢应不超过1个熔炼炉次，这是基本常识。
选取足够数量的试样以充分代表各种情况。
应该把正确的抽样程序列入产品的技术要求或技术条件中。
对半成品而言，应在充分切除废料之后切取试样。
如果在完成全部检测后，还无法确认对同一熔炼炉的不同钢坯和钢坯不同部位的检测，则对相当重量的钢来说应进行大量试样的随机抽样。
一个钢坯的夹杂物评定结果即使很精确，也不能代表一个熔炼炉次的结果。
7.9被测锻钢制品的尺寸和形状对夹杂物的尺寸和形态影响很大。
在铸造毛坯的轧制和锻造过程中，夹杂物随毛坯横截面的挤压而延伸和打碎。
因此，在报告夹杂物评定结果时，必须说明用于取样的钢坯尺寸、形状及制造方法。
在比较不同钢中夹杂物时，钢坯应尽可能轧制或锻造成同一尺寸和形状。
试样应沿纵向或平行于轧制或锻造方向切取。
7.10为了更容易地获得可比较的结果，可以很方便地从更大的钢坯中锻造试样。
然后，用与轧制截面上抽样同样的方法在锻造截面上抽样。
注意，应从锻造坯料上节取足够长的试样，否则会有切斜端试样混入的危险。
这种形状改变的材料将产生一个错误的评定结果。
锯掉锻料的端头，从中间取样有助于避免这种情况的发生。
7.11这些方法中有几种方法都是对制备好的试样表面的规定区域进行检测，而且所有重要夹杂物都应记录，并在结果中表示出来。
因此，对每一个试样的检测结果比金相照片或评级图能更准确地代表其所含夹杂物。
最差视场法的缺点无法获得这样的夹杂物评估分布。
7.12为了比较不同熔炼炉次和同一炉次不同部位钢的夹杂物，其评定结果应表示为一个熔炼炉次不同试样的夹杂物的平均值。
评定夹杂物长度时，最简单方法就是把每一被检区内的夹杂物长度相加。
然而，最好是不仅得到总长度，还要根据各自的长度加权计算夹杂物。
也可以表示为最大夹杂物长度和夹杂物总数。
8抽样
8.1为了对一批材料中夹杂物种类进行正确的评定，应尽可能选择具有代表性的试样，至少应检测6个位置的试样。
这里所指的一批材料，是指同时加工和具有相近加工参数的一批材料。
同一批材料只能出自一个熔炼炉次。
例如，同一熔炼炉次的一批材料，取样点宜选在浇注开始、中间和结束的可用钢坯上。
对连铸或底注工艺，也应对每炉做出类似的抽样计划。
8.2 对某一炉次、钢坯或另一批材料，在其取样位置不明确的情况下，应进行更大量的随机抽样。
8.3 评定结果是随钢坯挤压量的变化而变化的。
对材料验收或比较不同炉次的夹杂物而言，应注意在材料加工的适当阶段取样。
9试样的几何形状
9.1 用显微法测定夹杂物时，建议取160mm2的试样抛光表面。
该抛光表面应平行于产品的纵轴。
另外，扁钢的取样截面也应垂直于轧制平面；对圆形或管类产品，截面应在径向方向选取。
9.2厚截面产品（截面厚度大于9.5mm的产品，如锻件，钢坯，钢棒，平板，钢板和管材）
9.2.1 对宽大的产品，通常选取1/4宽度处的截面。
9.2.2 对圆形截面产品，图3显示了在一个直径为38mm的截面上切取试样的方法。
从产品上取一厚度为9.5mm的圆盘。
从该圆盘上切下1/4，如图3所示，其阴影部分为抛光面。
这样试样沿产品长度从外到内为9.5mm。
9.2.3 大截面产品，每个试样应取自半径中点处，见图4中阴影部分。
试样抛光面在产品纵向上的长度为9.5mm，在垂直于径向面的方向长度为19mm，距产品中心和边缘等距离。
这种等距离取样可减少抛光和检测的试样数量。
供检测用的其他区域，如中心和表面，也应进行检测，并在结果中说明。
能从50~100mm的圆或方形钢坯或棒料上取样最好，也可以使用更大或更小的尺寸，但应在结果中说明。
9.3薄截面产品（截面厚度不大于9.5mm，如钢带，钢板，棒料，线材和管材）——按下列规定切取纵截面试样。
9.3.1横截面厚度为0.95~9.5mm，应从同一抽样坯上制取足够数量的试片制成一个约160mm2的抛光试样表面。
（如：
厚1.27mm的板，沿板的宽度方向均匀地选取7到8个纵向试片做成一个试样）。
9.3.2横截面厚度小于0.95mm，从每个抽样位置取10个纵向试片制成一个适当的抛光试样表面。
（根据材料厚度和试片长度的不同，试样的抛光面积可以小于160mm2。
由于镶钳10个以上的试片存在的实际困难，可考虑减小试样面积）。
注意用比较法A，C，D和E时，试样横截面的厚度应不小于规定的最小值。
因此，方法A，D和E用试样的最小厚度为0.71mm，方法C为0.79mm。
更薄的截面应用其他评定方法。
10试样的制备
10.1试样应是抛光的、显微镜下平整的，以便清晰地显示夹杂物的尺寸和形态。
为获得令人满意的评定结果，试样的抛光面不应有人为的凹坑、杂质（如抛光粉）和擦伤。
试样抛光时，夹杂物上不能形成凹坑、变形或模糊不清。
试样抛光后应进行检验，不应留有任何以前腐蚀（如果曾有过的话）过的痕迹。
建议将ASTME3和ASTME768中的程序列于其后。
10.2如果试样无法满足10.1中叙述的抛光条件，则试样抛光前应进行热处理，使之达到所能达到的最大硬度。
要采取必要措施消除热处理造成的影响，如氧化皮，脱碳等。
这部分内容供可热处理的碳钢、低合金和不锈钢参考。
11准确度和偏差
11.1不同试验室所做的JK评估研究表明，在对夹杂物的确认上常存在一个问题，主要是如何区分A类（硫化物）和C类（硅酸盐）可变形氧化物。
这样，JK评估的准确度受到严重影响。
方法A，C，D的准确度受夹杂物含量的影响。
随着夹杂物含量的增加，这种评估的准确度下降。
11.2按评级图I-r，严重级别等级评定到0.5的钢，用最差视场法评定通常在严重级别数±1的区间内是准确的，对低含量夹杂物的钢来说，也可能严重级别数在±0.5内才是准确的。
总的来说，对B和D型夹杂物的评定准确度比A和C型的高。
而且，不论夹杂物为何种类型，厚度小的总比厚度大的准确。
11.3按评级
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