晶界有害元素偏析问题：晶界低熔点的挑战

钢的纯净度是指钢中有害元素S、P、N、H、O（总氧）的水平。随着炼钢原料中废钢用量的增加和循环使用，Cu、Zn、Sn、Bi、Pb、Sb等低熔点残余有害元素也有机会进入钢中，这些低熔点残余有害杂质元素数量虽少，但是它们多以显微元素偏析或它们的化合物偏析形式存在于晶界。晶界低熔点有害元素偏析对钢性能的危害作用不可低估，由于它们偏聚在晶界而使晶界强度弱化产生的失效事故时有发生，后果不堪设想。例如：某冶金企业几十吨的钢坯表面上出现严重的鱼鳞状或网纹状裂纹，这批钢因裂纹严重以至于无法修磨继续轧制而报废，造成巨大经济损失。某油田，几千米的石油井钢管因发生射孔破裂，石油喷涌泄露，造成重大损失。是什么原因使得钢在生产过程中和产品使用中发生如此严重的恶性事故，如何在生产中控制质量，做到好钢不报废，坏钢不出厂，这引起冶金工作者的高度重视。化学分析和光谱分析证明，在这两起质量事故中，钢中锡、砷、锑、铅、铋这些低熔点残余有色金属的含量已经超过标准的100倍，如图2-23至图2-28所示。

图2-23 钢坯出现的严重鱼鳞状或网纹状裂纹形貌

由于锡、砷、锑、铅、铋低熔点残余有色金属含量超量，在钢坯中出现的严重鱼鳞状或网纹状裂纹。

图2-24 低熔点元素偏聚在晶界上产生的锯齿状黑线酸浸低倍特征

在酸浸低倍试片上，锯齿状黑线是晶界上的锡、砷、锑、铅、铋低熔点残余有色金属受酸腐蚀所致。

从这些图片，对铅、锡、砷、锑、铋的破坏作用机理看得更清楚，由于这些残余有害元素的熔点都低于1000℃（如铅的熔点327℃，砷的熔点814℃），而轧制的温度在1200℃左右，所以在轧制温度下它们处于熔融状态。大量的锡、砷、锑、铋低熔点元素偏聚在晶界，成为一种晶界上的显微偏析，大大降低了晶界的强度，在轧制压力的作用下，造成“热脆”或回火脆现象，沿着晶界产生裂纹，裂纹的扩大就形成鱼鳞状或网纹状宏观裂纹。

图2-25 有害元素以熔融蜂窝状的形式偏聚在晶界形貌(www.xing528.com)

在扫描电子显微镜下，找到了锡、砷、锑、铅、铋在钢中存在的踪迹，从图中可以非常明显地看出白色网纹就是低熔点的这些有害元素以熔融蜂窝状的形式偏聚在晶界上。

图2-26 熔融状的低熔点元素锡、砷、锑、铋以网状形式分布在晶界形貌

由钢中低熔点元素锡、砷、锑、铋超标引起的脆性沿晶断裂，熔融状的低熔点元素以网状形式分布在晶界上。

图2-27 低熔点元素铅偏聚在晶界上产生蜂窝状熔融特征的X射线能量面分布图

图2-28 低熔点元素铅、锡、砷偏聚在晶界上产生蜂窝状熔融特征的X射线能谱图

有人称这些残余低熔点有害元素是钢癌症的元凶，因为它们在冶炼中不能脱除而被带入成品钢材，而为追求市场利益，铅、铋易切削钢的继续生产，更是雪上加霜，随着废钢的循环使用，形成一种恶性循环，就会导致半成品成批报废和结构件失效的恶性事故发生。如何处理和管理这些含残余低熔点有害元素超标的废钢已经成为世界性难题。