Hoe insluitsels de staalprestaties en -sterkte beïnvloeden

Inleiding

Staal is een veelzijdig materiaal met zeer wijdverspreide toepassingen. Het is van belang voor diverse toepassingen vanwege voordelen als een hoge sterkte-gewichtsverhouding, duurzaamheid, veelzijdigheid, herwinbaarheid, en vooral de economische haalbaarheid ten opzichte van andere constructiematerialen. Naast gangbare toepassingen is het ook het materiaal van keuze voor veel industriële componenten in kritische toepassingen. Deze eisen zeer strikte eisen aan de staaleigenschappen. Dergelijke eisen variëren in specifieke behoeften: lichtgewicht, hoge sterkte, hoge zwaarte, weerstand tegen hoge drukken, weerstand tegen sub-nul temperaturen, uitstekende lasbaarheid, goede corrosieweerstand, en vaak een combinatie van dergelijke eigenschappen.

De veelzijdigheid van staal stelt de ingenieur in staat om de eigenschappen af te stemmen door de chemie en/of de microstructuur te wijzigen. Ondanks dat veel ontwikkelingen hebben plaatsgevonden met betrekking tot deze twee variabelen, is een ander cruciaal aspect dat de prestaties in dienst van staal bepaalt, hoe vrij het is van onzuiverheden (soms 'zuiverheid' genoemd). De staalzuiverheid wordt bepaald door de niet-metallische insluitsels (of simpelweg insluitsels) die erin ingesloten zijn. Om de prestaties van stalen te verbeteren, moeten insluitsels gecontroleerd worden, omdat insluitsels een kritiek probleem zijn voor structurele toepassingen en, afhankelijk van hun grootte, vorm en verdeling, kunnen ze zeer schadelijk zijn voor de mechanische eigenschappen.

Classificatie en kenmerken van insluitsels

Insluitsels zijn chemische verbindingen bestaande uit een combinatie van een metallisch element (ijzer, mangaan, silicium, aluminium, calcium, etc.) en een niet-metallisch element (zuurstof, zwavel, stikstof, koolstof, etc.). De meest voorkomende insluitsels zijn oxiden, sulfiden, oxysulfiden, fosfaten, nitriden, carbiden en carbonitriden. Afhankelijk van hun aard en afkoelcondities tijdens de solidificatiefase kunnen ze een kristallijne of glazen toestand vertonen. Insluitsels vormen fasen die verschillend zijn van het staal, hoewel sommige een grotere mismatch vertegenwoordigen dan anderen, afhankelijk van hun kristallijne structuur en atoomgroottes. Insluitsels die meer dan één verbinding bevatten, worden complexe insluitsels genoemd (spinellen, oxysulfiden, carbonitriden, etc.).

Wat de grootte betreft, kunnen insluitsels micro-insluitsels of macro-insluitsels zijn. De drempelwaarde die gebruikt wordt om te onderscheiden tussen micro- en macro-insluitsels is normaal 100 micrometer. Recent, met de vooruitgang in staalproductiepraktijken om de grootte van insluitsels te controleren, is een andere manier voorgesteld om micro-insluitsels te benoemen: diameter onder hun zweeflimiet, met een waarde in de tientallen micrometers voor moderne stalprocessen. Micro-insluitsels zijn het meest voorkomend vanwege hun kleine grootte en neigen ertoe meer uniform verdeeld te zijn in het vloeibare staal, en zijn dus minder schadelijk. Macro-insluitsels zijn door hun grotere grootte verantwoordelijk voor breukinitiatie in eindproducten of defecten op halfabrikaten.

Insluitsels beïnvloeden diverse eigenschappen van stalen relevant voor hun prestaties in mechanische en structurele toepassingen. Sommige schadelijke effecten van insluitsels in gegoten staal kunnen verminderd worden door warmvervorming, omdat dit proces oriëntatieveranderingen en opsplitsing van insluitsels kan induceren. Het verkennen van de verschillende factoren die de staalkwaliteit beïnvloeden in termen van fabricage en verdere verwerking helpt hun relatie beter te begrijpen voor consistent kwaliteitseisvolgen aan de steeds strengere mechanische eigenschapseisen voor staalcomponenten in veeleisende toepassingen. Het begrip van hoe dit gebeurt is in het recent verleden geëvolueerd. Aanzienlijke vooruitgang is geboekt in de kwantificering van dit begrip.

Terwijl grote nadruk gelegd wordt op het belang van de staalmicrostructuur, is de invloed van insluitsels op de staaleigenschappen vergelijkend verwaarloosd. In de industrie is er wel aandacht voor het belang van insluitsels op staalprestaties en is de focus op constante studies en verbeteringen. Dit is met name belangrijk geworden aangezien staal wordt uitgedaagd door alternatieve materialen en meer veeleisende toepassingen. De verbetering van diverse eigenschappen werd pas mogelijk met het begrip van hun relatie tot het type, de grootte en de verdeling van de insluitsels in de matrix. In recentere tijd heeft de staalindustrie aanzienlijke procesverbeteringen ontwikkeld die tot veel betere controle van insluitselvolume, grootte en samenstelling hebben geleid.

Het afstemmen van insluitsels om eigenschappen en prestaties te verbeteren is een belangrijk kenmerk van staalproductie en de term 'insluitselengineering', geïntroduceerd in de jaren '80, wordt wijd gebruikt. Insluitselengineering begint met de definitie van de gewenste eigenschappen die de insluitsels moeten hebben. Vervolgens, door de definitie van adequate verwerkingscondities, wordt een product gemaakt waar deze gewenste insluitsels vorwiegend gevormd worden. Het controleren van de insluitselverdeling in het eindproduct, in het bijzonder die gevormd na het begin van solidificatie (secundaire insluitsels), blijft een aanzienlijke uitdaging.

Insluitsels zijn onvermijdelijke chemische verbindingen ingesloten in de staalmatrix, bestaande uit ten minste één niet-metallisch component, zoals zuurstof, stikstof of zwavel. Deze verbindingen kunnen op verschillende stadia van het staalproductieproces ontstaan. De rol van het staalproductieproces in termen van insluitselcontrole is zeer belangrijk, omdat insluitsels ontstaan en gewijzigd kunnen worden op verschillende stadia langs de procesroute. Verder zijn insluitsels nadelig in de zin dat ze de homogeniteit van de structuur breken zodra deze gesolidificeerd is. De stadia van secundaire staalproductie die een belangrijke rol spelen voor insluitselcontrole omvatten ontzuring, desulfurisatie, vacuümdegassing en argonroeren. Tijdens deze operaties worden legeringselementen toegevoegd, opgeloste gassen in het staal gereduceerd, en insluitsels verwijderd en/of chemisch gewijzigd voor het garanderen van hoogwaardig staal. Fig. 1 toont kritische metallurgische reactoren (ladle, tundish en kokervorm) voor insluitselcontrole bij continue gieting van staal.

Na uitvoering van de secundaire staalproductie-operaties wordt het geraffinade staal overgebracht naar de continue gietmachine om het vloeibare staal te gieten in gegoten product (plaat, bloem, of billet, etc.). Tijdens gieten kunnen verschillende interacties tussen staal en insluitsels optreden. Reacties tussen het gietpoeder en het vloeibare staal kunnen plaatsvinden, en insluiting van gietpoeder kan voorkomen. Ontwerp van de ondergedompelde inlaatmondstuk (SEN) en vloeistofstroom, elektromagnetische roering, en het gebruik van een verticale of gebogen kokervorm zijn enkele van de belangrijkste fenomenen die een impact hebben op de uiteindelijke insluitselinnhoud van het staal. Fig. 2 toont insluitselfenomenen die optreden in het continue gietproces door verschillende interacties tussen staal en insluitsels.

Het gehele proces van insluitselverwijdering in de vloeibare toestand bestaat uit een 'nucleatie-groei-verwijdering' cyclus. De vorming van insluitsels kan in verschillende stadia verdeeld worden, afhankelijk van de fenomenen die in elk van hen optreden. Nucleatie treedt op als gevolg van oversaturatie van het vloeibare staal met de opgeloste stoffen door een verandering in temperatuur of chemische samenstelling van het systeem. De groei van insluitsels gaat door tot er geen oversaturatie meer is of chemisch evenwicht bereikt is. De beweging van vloeibaar staal door thermische convectie of magnetische roerkrachten zorgt voor coalescentie of agglomeratie van (respectievelijk vloeibare of vaste) insluitsels. Insluitsels met hogere oppervlakte-energie neigen ertoe gemakkelijker te samensmelten dan insluitsels met lagere oppervlakte-energie. Het is gemakkelijker de grotere insluitsels naar de slak te laten zweeven waar ze geabsorbeerd worden, maar dit verwijderingsproces hangt af van de deeltjesstraal. In Fig. 3 worden de processen, fenomenen en evolutiemechanismen van insluitsels in verschillende stadia van de staalfabricage beschreven.

Insluitsels kunnen globulaire, plaatvormige, dendrietvormige, en polyhedrische vorm hebben. Wat hun vorm betreft, is de globulaire vorm het meest wenselijk vanwege hun isotrope aard ten aanzien van hun effect op de mechanische eigenschappen. Plaatvormige of dunne films bevinden zich aan korngrenzen door de eutectische transformatie tijdens solidificatie. Deze zijn het meest schadelijk voor mechanische eigenschappen omdat ze de bindingen aan korngrenzen verzwakken. Dendrietvormige, veroorzaakt door een overmaat aluminium. Deze insluitsels hebben een hoog smeltpunt en kunnen verstoppingen in de vloeibare fase veroorzaken. In het gesolidificeerde staal kunnen de scherpe randen en hoeken van de dendriet concentratie van interne spanningen veroorzaken en de mechanische eigenschappen negatief beïnvloeden. De polyhedrische insluitsels hebben een lager effect op mechanische eigenschappen dan dendriet- of plaatvormige insluitsels vanwege hun meer globulaire vorm. De morfologie van dendrietvormige insluitsels kan gewijzigd worden in polyhedrische vorm door kleine toevoegingen van zeldzame aardelementen (cerium, lanthaan) of aardalkalielementen (calcium, magnesium).

Om het gedrag van insluitsels beter te begrijpen, is het nodig de overgang van de vloeibare naar vaste toestand te begrijpen voor zowel de staalmatrix als de insluitsels. De fysieke eigenschappen van de omringende matrix en de insluitsel bij solidificatietemperatuur zijn van belang, aangezien ze verschillende scenario's kunnen vertonen. Als de insluitsel vloeibaar is (d.w.z. met een lager smeltpunt) bij staalsolidificatietemperaturen, ontstaat een compressief residueel spanningsstelsel dat coherentie tussen de insluitsel en de matrix garandeert. Aan de andere kant, als de insluitsel vast is wanneer het staal solidificeert, hangt de spanningsontwikkeling af van de verschillende thermische uitrekcoëfficiënten van beide soorten. Wanneer een insluitsel in mindere mate krimpt dan de matrix, ontstaat een compressieve residuele spanning in de insluitsel en een resulterende trekkrachtspanning in de matrix rond de insluitsel. Aan de andere kant, als de insluitsel sneller krimpt dan de matrix, dan worden trekkracht residuele spanningen in de insluitsel gegenereerd en ontstaat decohesie van het insluitsel en de matrix in de vorm van een holte.

Insluitsels vormen een zeer klein deel van het gesolidificeerde staal en zijn normaal fijn verdeeld. Ze zijn nadelig in de zin dat ze de homogeniteit van de structuur breken. Het deformatiegedrag van insluitsels tijdens de warmvervorming van staal is van groot belang voor de eigenschappen van het eindproduct. Zowel de staalmatrix als de insluitsels zijn normaal meervoudige fasestructuren, maar voor vergelijking kan staal worden beschouwd als een homogene fase, aangezien de structuren van de insluitsels grover zijn vergeleken met staalmicrostructuren.

Interne spanningen kunnen ontstaan door verschillen in thermische uitrekking tussen insluitsel en matrix. Het effect van de staalmatrix die over en om de insluitsels vloeit, genereert de deformatie van de insluitsels en de graad van deformatie neemt af met de utrekking van insluitsels als gevolg van wrijving aan de interface in de walsrichting. Als een insluitsel een sterke interfacebinding heeft, wordt de insluitsel verlengd en blijft ongebroken tijdens warmvervorming. Aan de andere kant, als een insluitsel een zwakke interfacebinding heeft, interageert het niet met de stroom van staal en kunnen discontinuiteiten ontstaan. Vanuit dit oogpunt kunnen insluitsels gecategoriseerd worden als: (i) inherent plastische insluitsels (zoals mangaan sulfides), (ii) niet-kristallijne glazen insluitsels die rigied gedragen maar plastisch worden bij een karakteristieke temperatuur (zoals sommige glazen silicaten), en (iii) kristallijne ionische vastestoffen (zoals calciumaluminaten, aluminaat-oxiden en sommige kristallijne silicaten) die geen plasticiteit vertonen en spröde gedragen.

Verschillende elementen die acceptabel zijn in staalsamenstelling hebben een hoge affiniteit voor zuurstof en kunnen dus als ontzuringsmiddelen gebruikt worden, vormend niet-metallische ontzuringproducten wanneer toegevoegd aan het vloeibare staal. Voorbeelden zijn silicium, mangaan en aluminium. Ontzuringproducten kunnen belangrijke oxide-insluitsels worden. In het geval van zwavel, aan de andere kant, hebben alleen elementen met lage oplosbaarheid in ijzer (zoals calcium en mangaan) of zeldzame aardelementen voldoende hoge affiniteit voor zwavel om niet-metallische sulfiden te vormen bij vloeibare staaltemperaturen. Daarom moet de meerderheid van de zwavel in staal uit de oplossing verwijderd worden door slakverfijning en de rest, door neerslaagreacties die voornamelijk tijdens solidificatie optreden. Het meest voorkomende sulfides dat tijdens solidificatie neerslaat, is mangaan sulfides.

Op basis van deze observaties zijn twee mogelijke classificaties voor insluitsels die naar voren komen: (i) gebruikmakend van hun chemische samenstelling (oxiden, sulfiden, etc.), of (ii) overwegend het moment dat ze vormen ten opzichte van het begin van de solidificatie, zoals primair, vóór solidificatie begint, en secundair, nadat vast staal begint te vormen in de kokervorm. Ook worden insluitsels afkomstig van het staalproductieproces geclassificeerd als 'endogeen' en die afkomstig van 'externe' bronnen (fragmenten van refractairen, ingesloten slak, etc.) als 'exogeen'. Zelden overleeft een 'exogeen' volume materiaal lang genoeg in het staal zonder uitgebreide reactie met het vloeibare staal te ondergaan. Deze reacties produceren veranderingen in de insluitsels. Daarom kan deze classificatie soms verwarrend zijn.

Tot slot is een veelvoorkomende manier van classificatie van insluitsels gerelateerd aan de insluitselgrootte, waarmee insluitsels geclassificeerd kunnen worden als macro-insluitsels en micro-insluitsels. Een zinvolle afsnijwaarde tussen groottes is dat een insluitsel een macro-insluitsel is als het groot genoeg is om direct falen van het product te veroorzaken tijdens verwerking of gebruik. Alle andere insluitsels worden geclassificeerd als micro-insluitsels. Dus, hoewel belangrijk, is dit een moeilijke classificatie om toe te passen.

Sommige eigenschappen van insluitsels hebben een sleutelbelang voor hoe ze het gedrag van stalen beïnvloeden. Deze omvatten plasticiteit of hardheid als functie van temperatuur, coëfficiënt van thermische uitrekking (CTE), kristallisatiedrag (in het geval van glazen insluitsels), en in mindere mate, oplosbaarheid van metallische opgeloste stoffen. Insluitsels hebben ionische, covalente, of gemengde bindingskarakter. Als zodanig zijn ze in het algemeen spröde bij kamertemperatuur en hebben geen sterke binding aan de metallische matrix. Naarmate de temperatuur stijgt, worden sommige insluitsels plastischer.

Verschillende metingen van hardheid en plasticiteit van insluitsels wijzen erop dat de waargenomen veranderingen te complex zijn om op een eenvoudige manier te beschrijven. Een van de meest gebruikte concepten om deformatiegedrag te beschrijven is de insluitsel 'relatieve plasticiteit'. Dit concept is met name nuttig wanneer er gebrek is aan nauwkeurige kennis van de eigenschappen van de insluitsels. Het concept van relatieve plasticiteit, geïntroduceerd in de jaren '60, geeft de verhouding van de ware deformatie van insluitsels tot de ware deformatie van het staal. Afhankelijk van temperatuur en insluitselsamenstelling variëren de relatieve plasticiteiten van insluitsels, en de insluitsels kunnen vervormen, barsten, of gemengd gedrag vertonen. Dit wordt in Fig. 4 getoond.

Zoals in Fig. 4 getoond, leidt de combinatie van lage bindingssterkte met de matrix en matrixdeformatie tot holtecreatie en scheiding (of debonding). Ook harde insluitsels breken typisch en herverdelen in het staal onder deze omstandigheden. Dit is besproken aan de hand van het geval van alumina. Het begrijpen van de breuk en herverdeling van alumina wordt verder gecompliceerd door het feit dat alumina-insluitsels frequent clusteren tijdens de verwerking in de vloeibare toestand. Voorspelling van het gedrag van harde insluitsels of insluitsels die minder plastisch worden bij lagere temperaturen is een uitdaging geweest.

Er zijn echter basisparameters nodig om het mechanische gedrag van insluitsels en dus hun effecten op staaleigenschappen kwantitatief te beschrijven. Insluitsels die plastisch zijn bij de verwerkingstemperatuur vervormen wanneer staal verwerkt wordt. Dit resulteert in de utrekking van de insluitsels langs de belangrijkste verwerkingsrichtingen. Dit introduceert, in verschillende gevallen, vorm-anisotropie in de insluitsels. Dit resulteert in anisotropie van de eigenschappen beïnvloed door de insluitsels. Recent is de relatie tussen hoge temperatuur plasticiteit en smeltpunt van oxide-insluitsels bevestigd, door de berekende liquidus temperatuur van de insluitsels te correleren met hun gemeten aspectratio.

In sommige modelleringwerk van insluitseldeformatie tijdens warmvervorming, wordt de plastische deformatie van de insluitsels geassocieerd met zijn viskeuze stroom en wordt redelijke voorspelling van anisotropie bereikt. In een kwantitatieve studie is aangetoond dat de verhouding van de stromingsspanning van de insluitsel tot die van de matrix de utrekking van de insluitsels definieert. Het gedrag van composiet insluitsels, met alumina omringd door mangaan sulfides, is getoond in Fig. 4(d). De resultaten bevestigen de experimentele waarnemingen die tonen dat naarmate de zwavelgehalte onder 60 ppm (delen per miljoen) daalt, de aspectratio van de alumina/mangaan sulfides insluitsels aanzienlijk afneemt. Deze resultaten zijn van bijzonder belang voor moderne hoge zuiverheid, schone stalen.

De anisotropie geïntroduceerd door de insluitselvormverandering kan niet geëlimineerd worden door verdere warmtebehandeling. De deformatie van insluitsels en van segregaten is normaal verantwoordelijk voor het 'vezel' uiterlijk waargenomen tijdens de macrografische onderzoek van stalen. Een eventuele kristallisatie van de insluitsels tijdens de staalverwerking kan de voorspelling van de mate van hun deformatie en de variatie van plasticiteit met temperatuur bemoeilijken. Insluitsels die initieel 'glazen' of amorf zijn, zijn aangetoond om te kristalliseren wanneer onderworpen aan behandelingen bij temperaturen in het bereik van warmvervormingstemperaturen van stalen. De gekristalliseerde insluitsels hebben een ander rheologisch gedrag (of relatieve plasticiteit) vergeleken met de 'glazen' insluitsels. Dit kan met name belangrijk zijn wanneer de plasticiteit van de insluitsels kritiek is.

De coëfficiënten van thermische uitrekking (CTE) van insluitsels verschillen van die van staal. De verschillen in CTE kunnen residuele spanningen rond insluitsels beïnvloeden. Insluitsels die meer schadelijk kunnen zijn door omringd te zijn door een trekkrachtspanningsveld geassocieerd met de getesseleerde (duidende op of gekenmerkt door een patroon van herhaalde vormen, met name polygonen, die dicht bij elkaar passen zonder gaten of overlappingen) spanningen. Dit kan met name belangrijk zijn onder vermoeidheidscondities. Deze spanningen worden ook relevant geacht voor bewerkbaarheid. Het wordt geglove dat de vorming van spanningsvelden, holten en poriën in de staalmatrix rond de insluitsels een gunstig effect heeft op bewerkbaarheid. Insluitsels met hogere CTE dan het staal scheiden van de matrix bij afkoeling van staalverwerkingstemperaturen. Dit kan ook problemen veroorzaken bij de metallografische monsterbereiding en moeilijkheden bij groottebepaling.

Wanneer automatische methoden gebruikt worden, wordt een grijswaarde-drempel ingesteld om te differentiëren tussen oxiden en sulfiden. Afhankelijk van de geselecteerde drempel, kan het donkere gebied tussen matrix en insluitsel verschillend bijdragen aan de gemeten insluitselgrootte. Aanzienlijke verschillen bestaan in het gebruik van de expressie 'insluitsels' in de discussie van breukmodellering. Sommigen omvatten carbiden, carbonitriden en andere tweede-fase deeltjes in de definitie van 'insluitsels'. Bij het overwegen van het ductiele breukproces, lijkt het belangrijk om rekening te houden met beide typen deeltjes. Speciale aandacht is vereist voor het verschil in de sterkte van de matrix-insluitsel interface, en de grootte en verdeling van de verschillende typen deeltjes.

De interface tussen de insluitsels en staal heeft in het algemeen zeer lage of geen sterkte. Aan de andere kant, de sterkte van de interface tussen carbiden en staal, bijvoorbeeld, is geschat in het bereik van 1.200–2.000 MPa. Dit verschil heeft groot belang voor het effect van insluitsels op de staaleigenschappen, met name breuk. De scheiding tussen insluitsels en tweede-fase deeltjes kan vervaagd worden. In sommige stalen wordt titanium gebruikt voor het fixeren van stikstof, en titaniumnitride insluitsels kunnen in de vloeibare toestand gevormd worden. Aan de andere kant, in elektrostalen wordt mangaan sulfides gevormd als fijn neerslag om korngrenzebeweging te controleren. In een studie, met alumina deeltjes in staal, is de controlerende rol van deeltjesgrootte en volumefractie in het beïnvloeden van korngrenzebeweging gedemonstreerd.

Invloed van insluitsels op de eigenschappen van staal

De invloed van insluitsels op de eigenschappen van staal wordt al lange tijd bestudeerd. Insluitsels kunnen vanuit het staalproductieproces afgestemd worden voor gegoten producten om de staaleigenschappen te verbeteren. Ook, door de vereiste prestaties van vervormde producten te kennen, kunnen de insluitsels van een bepaalde staalkwaliteit 'ge-engineerd' worden. Om de verbetering van de staaleigenschaften door middel van insluitselengineering op de juiste manier aan te pakken, is het belangrijk om kennis te hebben van fenomenen en gedrag van insluitsels langs de gehele verwerkingsroute, van de vloeibare fase tot na de gietoperaties en hun effecten in vervormde producten.

In 2009 publiceerde de Europese Commissie een onderzoeksreview bestaande uit studies uitgevoerd bij 4 grote staalproducenten, met als doel de optimalisatie en evaluatie van verschillende secundaire metallurgie routes om hoogwaardig bandstaal te bereiken door insluitsels te controleren, waar voor de productie van bulk materialen het een kwestie is van reproduceerbaarheid, terwijl voor speciale stalen het individueel afgestemd is. Daarom is het belangrijk om de effecten van de route op insluitselpopulaties en het effect dat insluitsels hebben op de staaleigenschappen te begrijpen.

Een recent onderzoek naar het effect van insluitsels op de staaleigenschappen is gedaan op de kritieke metingen in moderne staalproductie om de invloed van procescondities op producteigenschappen van koolstof-aluminium gedood stalen, middelkoolstof-aluminium gedood stalen, geavanceerde hoge sterkte stalen, en vrijkliede stalen te beoordelen, al deze rekening houdend met de strikte eisen van staaleigenschappen voor automobietoepassingen, die lage insluitselinnhoud en calciummodificatie omvatten om hogere vormbaarheid en verbeterde mechanische prestaties van autodeel te garanderen.

De vereisten voor zuiverheid ten aanzien van de insluitsels variëren van product tot product. Er kan geen universele definitie van zuiverheid ten aanzien van insluitsels zijn. De vereisten moeten overwogen worden met betrekking tot de eisen van de specifieke toepassing waarvoor het staal gebruikt gaat worden en ook voor veel andere aspecten zoals hun locatie, vorm en verdeling in het staalcomponent.

Effecten op verwerking (warm en koud vervormen en vormen)

Het is soms handig om de invloed van insluitsels tijdens verwerking te scheiden van die tijdens toepassing, aangezien de condities tijdens verwerking normaal niet die zijn die voor de staaltoepassing beoogd zijn. Dit is waar, zelfs rekening houdend met het feit dat de meerderheid van de kwesties geassocieerd met de insluitsels gerelateerd zijn aan hun relatieve plasticiteit en hun invloed op staal ductiele breuk. Insluitsels die een aanzienlijk deel van de materiaaldwarsdoorsnede innemen tijdens warm of koud werk of die in gebieden zijn waar verwerkingsdeformatie hoog is, kunnen breuk tijdens verwerking veroorzaken. Daarom is controle van de volumefractie, grootte en verdeling van insluitsels belangrijk. Ook is insluitselengineering belangrijk voor de vermoeidheidseigenschappen en dat redelijke voorspelling van anisotropie bereikt wordt.

Belangrijke gebieden die uitdagingen bieden voor verdere vooruitgang zijn: (i) de juiste karakterisering van de eigenschappen van insluitsels en hun interfaces met staal, (ii) een adequate maatstaf voor het karakteriseren van grootte, vorm en verdeling van de grote multi-deeltjes populatie, en (iii) de moeilijkheden geassocieerd met computationele methoden rekening houdend met de multi-deeltjes populatie.

Invloed op de trekkracht

De trekkracht van staal kan beïnvloed worden door de uiteindelijke volumefractie van insluitsels, en ook de morfologie en oriëntatie van insluitsels. De oriëntatie van insluitsels ten opzichte van de belastingrichting is van belang vanwege het feit dat bepaalde insluitselniveaus de ductiliteit van het materiaal beïnvloeden. In het geval van kleinere dwarsdoorsnedes, is het effect van insluitsels hoger door de rol van insluitselgroottes die fungeren als nucleatieplaatsen van micro-holten ofwel door decohesie met de matrix ofwel door breuk van de insluitsel, wat negatief de ductiliteit van het staal beïnvloedt. De insluitsel volumefractie niveaus in de huidige staalproductiepraktijken zijn aanzienlijk gereduceerd, tot het punt dat hun effect op de trekkracht praktisch verwaarloosbaar is in standaard testformaten. In een studie die stalen met verschillende onzuiverheidsniveaus heeft onderzocht om de tolerantieniveaus voor insluitsels in ultra hoge sterkte stalen te bepalen, is gevonden dat terwijl uitgerekte mangaan sulfides ductiliteit en buigbaarheid reduceren, ze echter geen opvallend effect hebben op de sterkte.

Effect op zwaarte

Breukzwaarte is de eigenschap van een materiaal om de voortplanting van een kraak te weerstaan, en is een cruciale eigenschap gebruikt in het ontwerp van diverse ingenieurscomponenten. De meerderheid van de insluitsels worden beschouwd als spanningsverhogers in de gesolidificeerde structuur en kunnen falen veroorzaken door middel van breuk. De verdeling van holte-nucleerende deeltjes wordt beschouwd als twee grootte-schalen te omvatten: (i) grotere insluitsels die holten nucleeren bij relatief kleine vervormingen, en (ii) kleinere deeltjes die holten nucleeren bij veel grotere vervormingen. De nucleatie van een kleine kraak gebeurt normaal bij grotere formaten van insluitsels en de voortplanting van de kraak gebeurt door koppeling van micro-holten gecreëerd bij kleinere insluitsels. De grootte van de holte-nucleerende deeltjes is typisch tussen 0,1 micrometer tot 100 micrometer, met volumefracties van niet meer dan een paar procent, hoewel dit kleine percentage een grote rol speelt in de kraakgroeiweerstand van structurele legeringen. De breukmodi in stalen bestaan uit drie hoofd verschillende mechanismen:

• Kluivering – Het is een trans-kristallijne breukmodus waarin breuk voortplant door kristallografische vlakken binnenin korrels en het breukoppervlak verschijnt als een reeks vlakke vlakken. In deze breukmodus is de belangrijkste manier om zwaarte te verbeteren door het controleren van de microstructuur-eenheid die de voortplantingsvlakken produceert, wat in ferrietische stalen de ferrietkorrelgrootte is en in perliet en bainiet de voorafgaande austenietkorrelgrootte.
• Lagetemperatuur interkristallijne breuk – Het is een breukmodus die langs korngrenzen optreedt door microsegregatie of neerslag van tweede fasen langs korngrenzen. In lage legeringsstalen wordt mangaan sulfides neerslag vaak gevonden als gevolg van hoge temperatuurbehandelingen normaal boven de herkristallisatietemperatuur van stalen (rond 1.250 °C). Deze deeltjes fungeren als holte-nucleatieplaatsen voor interkristallijne gedimpelde breuk.
• Dimpelbreuk – Het is een type breuk waar holten nucleeren bij insluitsels en breuk optreedt wanneer deze holten groeien en coalesceren onder vervormingscondities (vaak aangeduid als 'holtecoalescentie'). Mangaan sulfides is bekend om van de matrix te decohereren nog vóór vervorming, terwijl de meeste oxide-insluitsels decohereren bij kleine vervormingen. Dit is gerelateerd aan de cohesie-binding door thermische uitrekcoëfficiënt. Het resulterende oppervlak is een redelijk evenzijdig gedimpeld breukoppervlak.

De eerste twee modi treden normaal onder de ductiel-naar-spröde overgangstemperatuur op, terwijl de derde boven de overgangstemperatuur optreedt. Figuur 5 toont de nucleatie van holten bij kleine vervormingen (5a), grote vervormingen (5b), en breuk van staal (5c).

Ductiele en spröde breuken zijn de twee hoofdtypen falen in lage legeringsstalen. Ductiele breuk treedt op wanneer het materiaal blootgesteld wordt aan hoge temperaturen terwijl spröde breuk normaal bij lage temperaturen optreedt. Fig. 6 toont het verschil tussen statische en dynamische breukmoduscurves, gekenmerkt door de verschillen in de toegepaste vervormingssnelheid. Er zijn twee testen om statische en dynamische breukmodi te evalueren. De Charpy-V-kerbtest wordt gebruikt om dynamische breuk te beoordelen en de 'crack tip opening displacement' (CTOD) test om quasi-statische breukzwaarte te beoordelen. CTOD-testen worden toegepast op materialen die enige plastische vervorming kunnen vertonen voor het falen van een component. De meting van deze verplaatsing is zeer belangrijk voor ingenieursdoeleinden en het belang van deze test berust op de nauwkeurige meting van deze parameter.

Een ander belangrijk factor die zwaarte beïnvloedt is de anisotropie in breukgedrag van warmgewalste producten. Dit is geassocieerd met de oriëntatie van uitgerekte insluitsels of insluitselclusters. De hoogste geabsorbeerde energie treedt op in de monsters waar het kraakvlak normaal is op de uitgerekte insluitsels, en de kraak kan afgelenkt worden langs de interfaces van de insluitsels. Lagere energiëen worden geabsorbeerd wanneer een kraak voortplant langs de interfaces van de uitgerekte insluitsels. In Fig. 7 worden twee stalen vergeleken, aan de linkerkant kan conventioneel gewalst staal worden gezien, de anisotropie is hoger door de utrekking van insluitsels parallel aan de walsrichting. Als het materiaal in deze richting geladen wordt (rode pijlen) is de sterkte hoger dan als het materiaal in de dwarsrichting geladen wordt (gele pijlen). In het staal aan de rechterkant is staal met insluitselcontrole. In dit staal is de anisotropie minder door betere insluitselcontrole die minder, geïsoleerde en kleinere insluitsels produceert. Als het materiaal in dit geval geladen wordt, is er niet veel verschil tussen de meest en minst gunstige belastingcondities.

Mangaan sulfides insluitsels zijn een belangrijke oorzaak van breukanisotropie. Vanwege mangaan sulfides insluitsels zijn dwars- en dikterichtingsoriëntaties de meest beïnvloede door insluitselanisotropie. Dit kan verbeterd worden door zwavelbevattende insluitsels te modificeren om harde insluitsels te vormen die sferisch blijven tijdens verwerking of, als de toegevoegde kosten gerechtvaardigd zijn, de zwavelgehalte te verlagen door verdere desulfurisatie of vacuümroeren.

Oxide-insluitsels zijn geassocieerd met ductiele breuk gekenmerkt door koppeling van dimples. Holtevorming rond oxide-insluitsels speelt een dominante rol in schuifbreuk. Met toenemende sterkteniveaus van het staal is het effect van insluitsels, met name bij lage temperaturen, sterk opgemerkt.

Normaal lage insluitselniveaus zijn voldoende om acceptabele ductiliteit en zwaarte criteria in ultra-hoge sterkte stalen te garanderen. Echter, als in de toekomst de vraag ontstaat om deze eigenschappen te ontwikkelen, moet de noodzaak om uitgerekte mangaan sulfides te vermijden en het aantal grove titaniumnitriden te minimaliseren worden nagestreefd, aangezien dit de meest achteruitgaande insluitseltypen zijn voor ductiliteit van relatief lage onzuiverheidsniveaus in ultra hoge sterkte stalen.

Effect op vermoeiding

Wanneer de falen van een staalcomponent te wijten is aan een herhaald aantal belastingstoepassingen (cycli) onder de strekkingsgrens van het materiaal, wordt dit een vermoeidingsfalen genoemd. In dit opzijn zijn er zeer belangrijke aspecten waarin insluitsels een grote rol spelen. Een van de eerste studies om een relatie tussen hardheid en vermoeidingsgrens te vestigen was die uitgevoerd door Garwood en medewerkers. Sindsdien is de relevantie die niet-metallische insluitsels hebben met name ten aanzien van hoge sterkte stalen het onderwerp van diverse studies. De meerderheid van deze studies hebben diverse factoren aangewezen die gerelateerd zijn aan spanningsconcentratie, namelijk insluitselvorm, adhesie van insluitsel aan de matrix, elastische constanten van insluitsels, en matrix- en insluitselgrootte.

Murakami en Endo ontwikkelden het oppervlaktemodel voor het evalueren van het effect van kleine defecten (gaten) in metallische materialen. In hun studie toonden ze aan dat het probleem van een klein defect essentieel een klein kraakprobleem is en dus dit probleem opgelost moet worden met spanningsintensiteitsfactoren in plaats van spanningsconcentratie. Ze vonden dat er een sterke correlatie is van de maximale spanningsintensiteitsfactor met de geprojecteerde oppervlakte van het defect in een vlak loodrecht op de maximale hoofdspanning. Insluitsels kunnen in feite behandeld worden als mechanisch equivalent aan kleine defecten met dezelfde waarde van de geprojecteerde oppervlakte (vierkantswortel van kraakoppervlakte).

Het is niet alleen die factoren die de vermoeidingslevensduur van een component beïnvloeden, maar ook de locatie van de insluitsel of defect binnenin het component. Een insluitsel van een bepaalde grootte gevonden dicht bij het oppervlak heeft een hogere impact op de vermoeidingslevensduur dan een insluitsel van dezelfde grootte op een locatie verder van het oppervlak. Murakami publiceerde kwantitatieve vergelijkingen voor de voorspelling van de vermoeidingssterkte van een materiaal met een oppervlakte defect, dicht bij het oppervlak en een intern defect. Fig. 8 geeft classificatie van insluitsel per locatie.

De relatie tussen de schadelijke effecten van insluitsels op vermoeidingslevensduur en insluitselgrootte wordt in Fig. 9 getoond. Deze figuur helpt te illustreren dat grote globulaire insluitsels het meest schadelijk zijn vanwege hun grootte, niet vanwege hun vorm. Ook dat calcium sulfides vergeleken met oxiden van gelijke grootte minder schadelijk zijn. Ten slotte dat titanium nitriden het meest schadelijke type insluitsels zijn over een gelijk groottebereik vergeleken met andere oxiden of sulfiden.

Het belang van insluitsels op de vermoeiding van staal is lang erkend. Echter, het effect van type, samenstelling, vorm en grootte van insluitsels op vermoeiding is uitgebreid bestudeerd zonder een vaste conclusie. Een recent onderzoek heeft nieuw licht geworpen op het begrijpen van de effecten van insluitsels op vermoeiding, wat hier samenvat. De vermoeidingsgrens gecorreleerd met het bestaan van niet-voortplantende kraken. Het is niet gerelateerd aan kraakinitiatie. De vermoeidingsgrens is een drempelspanning voor kraakvoortplanting en niet de kritieke spanning voor kraakinitiatie. De vermoeidingsgrens correleert met hardheid, tot ongeveer 400 HV. In deze regio 'wordt de vermoeidingsgrens bepaald door een materiaaleigenschap die de gemiddelde weerstand tegen plastische vervorming van het materiaal toont'.

Als men de 400 HV drempel passeert, kan de ideale vermoeidingsgrens, geassocieerd met de materiaaleigenschappen, in het algemeen niet bereikt worden, door de aanwezigheid van defecten (zoals insluitsels). 'Defecten kleiner dan een kritieke grootte zijn niet-schadelijk (niet-nadelig) voor vermoeidingssterkte en de kritieke grootte is kleiner voor materialen met een hogere statische sterkte, zodat een defect van een gegeven grootte meer nadelig is voor hoge sterkte stalen dan voor lage sterkte metalen'. Het is aangetoond met verschillende experimentele voorbeelden dat, aangezien de vermoeidingsgrens een spanning is waarbij kraakvoortplanting niet optreedt, kleine defecten wel kraken vanaf hen kunnen initieren die wel of niet tot vermoeiding leiden, afhankelijk van grootte en spanningen. Er is aangevoerd dat, om deze reden, wanneer een kraak ontstaat aan de insluitsel-metaal interface of door insluitselbreuk, de spanningen binnen de insluitsel ontlast worden en het insluitsel domein mechanisch equivalent kan worden beschouwd aan een spanningsvrij defect of holte. Dus, getesseleerde spanningen, bijvoorbeeld, kunnen minder belangrijk zijn dan eerder gedacht.

Met deze benadering is het mogelijk om adequate relaties te vinden om de vermoeidingsgrens van hoge sterkte stalen te voorspellen, de uithoudingsgrens-relatie met hardheid te verzoenen door een term op te nemen gerelateerd aan de dwarsdoorsnede-oppervlakte loodrecht op de belasting, bezet door insluitsel. Afhankelijk van de belasting kan de positie van de insluitsels belangrijk zijn, en dit wordt meegenomen. Dus, voor insluitsels dicht bij het oppervlak bij rotatie-buiging, is een empirische relatie tussen de uithoudingsgrens en hardheid voorgesteld.

De effecten van deze inzichten op de ontwikkeling van lagerstalen (SAE 52100 of 100Cr6) zijn zeer belangrijk geweest. Dus, bijvoorbeeld, de resultaten van, waar bijzondere relevantie is toegeschreven aan verschillende insluitselsamenstellingen, kunnen herbeoordeeld worden. De resultaten wijzen op veel minder belang van insluitseltype wanneer geanalyseerd in overeenstemming met Murakami's formalisme, zoals getoond in Fig. 9. Volgens Murakami's resultaten is de grootste insluitsel aanwezig in het belaste gebied verantwoordelijk voor vermoeidingsfalen. Met de hoge zuiverheid van deze stalen, zijn de klassieke methoden van insluitsel evaluatie en kwantificatie vrij ineffectief geweest in het voorspellen van vermoeidingsgedrag en extreme waardestatistiek is voorgesteld als oplossing. In deze context heeft Murakami een methode ontwikkeld voor extreme waarde insluitselkwantificering.

Later is een ASTM standaard ontwikkeld, voornamelijk met de lagergemeenschap in gedachten. Met deze methode zijn Murakami en medewerkers in staat geweest om vermoeidheidseigenschappen te voorspellen op basis van extreme waardestatistieken voor insluitsels. Ook toonden ze aan dat, wanneer de insluitselpopulatie en insluitselgrootte uitzonderlijk klein worden, zoals in extra-schone elektronenstraal (EB) gesmolten stalen, microstructuurheterogeniteiten (bainietgebieden) groter zijn dan de insluitsels en fungeren als vermoeidingskernen. Het belang van insluitsels in vermoeiding is nog steeds het onderwerp van frequente discussie, met name in wat wordt aangeduid als zeer hoge cyclus vermoeiding.

De ontwikkelingen geleid door Murakami en medewerkers op het begrip van het belang van insluitsels in vermoeiding van hoge sterkte staal hadden ook een diepe impact op de insluitselengineering van veer- en klepstalen. Samengevat, bij het overwegen van de literatuur over kraakinitiatie en voortplanting in vermoeiding, moet men rekening houden met grootte en volumefractie van insluitsels. Kraakinitiatie kan optreden 'in de matrix' of gerelateerd aan tweede-fase deeltjes, in het bijzonder insluitsels. Het lijkt erop dat voor lagere sterkte stalen, een kritieke kraakgrootte groter dan de grotere insluitsels nodig is voor vermoeiding op te treden. Daarom spelen insluitsels een minder belangrijke rol in lage sterkte schone stalen. Aan de andere kant, in hoge sterkte staal kunnen insluitsels voldoende groot zijn en een belangrijke rol spelen.

Insluitsel-staal interface conditie speelt ook een rol in vermoeidingslevensduur. Aan de andere kant is de insluitsel-matrix interface sterkte beschouwd als een belangrijke factor in de microscopische fenomenen betrokken bij vermoeidingskraken. Spriestersbach en medewerkers merkten bijvoorbeeld op dat 'klassieke' insluitsels (oxiden, complexe oxiden en sulfiden) gemakkelijk debonden door de lage insluitsel-staal interfacele sterkte.

Ook verschillen in CTE's kunnen insluitsel-matrix scheiding bevorderen. Daarom kunnen klassieke insluitsels beschouwd worden als gaten, zoals voorgesteld door Murakami. Aan de andere kant heeft titaniumnitride bijvoorbeeld een sterke binding aan de matrix en de titaniumnitride-staal interface toont geen scheiding. Wanneer titaniumnitride blootgesteld wordt aan hoge spanningen, barst het, en de kraken planten zich fort in de matrix. Daarom kan de correlatie tussen titaniumnitride grootte en het vermoeidingsgedrag anders zijn dan die waargenomen voor 'klassieke' insluitsels.

Effect op bewerkbaarheid

Bewerkbaarheid omvat een breed scala parameters, waaronder spanvorming, snijgereedschapslijt, oppervlakte-eigenschappen van het bewerkte werkstuk en omgevingsfactoren. Bewerking kan hoofdzakelijk beschreven worden als bestaande uit twee processen, metaalbreuk en metaalverwijdering om een bepaalde vorm of geboorde gaten op specifieke locaties op het werkstuk te produceren.

Sommige oxide-insluitsels kunnen een positief effect hebben op het proces van spanvorming (wat afhangt van de mogelijkheid om een breuk langs de structuur te creëren) maar kunnen een negatief effect hebben op het snijgereedschapslijt wat de initiële positieve effect op spanvorming kan overwinnen. Mangaan sulfides insluitsels hebben ook een gunstig effect op spanvorming, en het gunstige effect van hoge zwavelgehalte op vrijkliede stalen is lang gerapporteerd, omdat mangaan sulfides insluitsels geen snijgereedschapslijt veroorzaken in dezelfde mate als oxiden. Een grondig onderzoek van het effect van verschillende insluitseltypen op verschillende staalkwaliteiten voor verschillende toepassingen heeft aangegeven dat verschillende staalkwaliteiten verschillende insluitsels met heel verschillende kenmerken hebben. Daarom moeten deze kenmerken geoptimaliseerd worden voor elke groep staalkwaliteiten om verbeteringen aan te brengen in de bewerkbaarheid van staal zonder hun mechanische eigenschappen aanzienlijk te reduceren.

Misschien is een van de eigenschappen die het meest traditioneel gerelateerd is aan insluitsels de bewerkbaarheid. De effecten van sulfiden zijn goed bekend en het ontwerp van deze insluitsels voor bewerkbaarheid is tamelijk succesvol. Computationele thermodynamica is gebruikt om stalen met goede bewerkbaarheid te ontwerpen door sulfiden af te stemmen om lood 'metallische insluitsels' te substitueren. Lood toegevoegd staal presenteert belangrijke gezondheidsrisico's tijdens staalproductie en heeft aanzienlijke milieueffecten. Op dit moment definieert de automobielindustrie minimum zwavelgehalte voor niet-herzwavelde stalen om hun bewerkbaarheid te verbeteren. Dit heeft een interessante uitdaging gecreëerd voor staaffabrikanten die hun processen moeten aanpassen om mondstukverstoppingen te voorkomen door het gebruik van calcium in aanwezigheid van zwavel in het bereik van 0,02%. Strikte procescontrole is in dit geval nodig.

Effect op de nucleatie van ferriet

Insluitsels kunnen een belangrijke rol spelen in fasetransformatie. Ze spelen ook een kritieke rol in de nucleatie van fijn naaldvormige ferriet in letselmetaal. Deze microstructuur is belangrijk om bevredigende mechanische eigenschappen te bereiken met lage koolstofsamenstellingen zonder warm/gecontroleerd vervormen. Dus, letselmetaalsamenstelling wordt afgestemd om de neerslag van adequate kernen voor naaldvormige ferriet te veroorzaken. Enkele van de factoren die relevant geacht worden voor een insluitsel om te fungeren als kern voor naaldvormige ferriet zijn kristalstructuur, verschillen in CTE, en uitholling in austeniet-stabiliserende elementen zoals mangaan rond de insluitsels. Het laatstgenoemde is de meest favoriete verklaring, gevolgd door spanningen gegenereerd door CTE-verschillen tussen insluitsel en de austenietmatrix. Dit krijgt bijzondere relevantie met het vooruitzicht van dunne plaatgieting, waar de mate van warm/gecontroleerd vervormen dat uitgevoerd kan worden om de austenietkorrel te verfijnen, zeer beperkt is.

Een van de eerste en heldere in situ waarnemingen van het nucleatieproces is gedaan door Sugiyama en Shigesato die in detail hun waarnemingen over het belang van mangaan sulfides op ferrietnucleatie bespraken. Li en medewerkers hebben experimenteel en met behulp van eerste principes berekeningen aangetoond dat zirconium- en titaniumoxiden gemangaan-uithollingszones in de insluitsel-matrix interface bevorderen, wat ferrietnucleatie begunstigt. Ook hebben ze aangetoond dat mangaan sulfides kan nucleeren op zirconiumoxide. Als resultaat hebben ze het gunstige effect van zirconium-titanium ontzuring in de micro-gelegerde stalen aangetoond, wat fijner en meer uniforme dispersies van mangaan sulfides en naaldvormige ferrietmicrostructuren bevordert. Grong en medewerkers hebben de mogelijkheden beoordeeld van het produceren van 'dispersoïden', insluitsels met een voldoende fijn formaat en samenstellingen om nucleatie in solidificatie alsook ferrietnucleatie te beïnvloeden. Om dit te bereiken, moeten deze deeltjes echter op een complexere manier gevormd worden dan alleen voortkomend uit klassieke insluitselvormingsreacties.

Effect op oppervlakteafwerking

Hoewel oppervlakteafwerking als een bewerkbaarheidskwestie kan worden beschouwd, presenteert het geval van gereedschapsstalen voor kunststofmallen, bijvoorbeeld, buitengewone eisen. Studies hebben aangetoond dat zowel microstructuur als zuiverheid een belangrijke rol spelen. Eenvoudige vormen van zuiverheidskwantificering zijn echter in het algemeen niet in staat om te correleren met polijstkwaliteit. Insluitseltype speelt een definitieve rol in het proces, zoals in het geval van ESR (electroslakherverhitting) van P20 staal, bijvoorbeeld, is gedemonstreerd dat de typische desulfurisatie van ESR nadelig is voor oppervlakteafwerking en inerte atmosferische herverhitting moet worden gebruikt om desulfurisatie te voorkomen en te garanderen dat sulfides de oxide-insluitsels bedekken, wat een goede oppervlakteafwerking toestaat. De vergeleken resultaten van VAR (vacuümboogherverhitting) en de zogenaamde PESR (ESR onder inert gas) kunnen verduidelijkt worden in het licht van deze waarneming.

Effect op corrosie

Twee voorbeelden van de invloed van insluitsels op de corrosieprestaties van stalen zijn het belang van insluitsels op waterstofgerelateerde falen zoals waterstof-geïnduceerde kraken (HIC) en op de vorming van putjes.

Insluitsels en waterstofgerelateerde falen

Het belang van insluitsels als vallen en kernen voor HIC is erkend sinds de jaren '70. Het belang van het synergistische effect van segregatie en insluitsels, met name mangaan sulfides, werd snel ook erkend. Nakai en medewerkers observeerden dat vormcontrole van sulfiden een hoge invloed had op HIC. Ze toonden aan dat hogere zuurstof in staal met type I sulfiden (die geen hoge plasticiteit hebben) betere weerstand tegen HIC heeft dan aluminium gedood staal met type II sulfiden die utrekken tijdens walsen. Echter, ze prefereerden calcium of cerium sulfides modificatie om goede eigenschappen te garanderen.

Het is ook duidelijk geworden dat simpelweg zwavel reduceren en sulfidesvorm controleren niet voldoende is om goede HIC-weerstand te garanderen, aangezien kraakvoortplanting gecontroleerd wordt door segregatie. Daarom zijn lagere koolstof- en lagere mangaan stalen ontwikkeld, alsmede versnelde afkoelstrategieën om minder segregatie, met name bandvorming, en meer uniforme hardheid in de microstructuur te bevorderen.

De interactie van segregatie en calciummodificatie is gedemonstreerd in een studie die heeft aangetoond dat in grote segregaten normale calciumbehandeling oneffectief kan zijn om de vorming van mangaan sulfides te voorkomen. Dus, zeer lage zwavel en vermijding van mangaan sulfides is de regel geworden om goede HIC-weerstand te garanderen. Echter, insluitsels blijven een belangrijke rol spelen in HIC-kraaknucleatie. In zeer schone stalen is aangetoond dat mangaan sulfides waterstofkraken bevordert. Bij het bestuderen van de weerstand van API X120 micro-gelegerd staal, hebben Huang en medewerkers staalzuiverheid gerelateerd aan verminderd effect van waterstof, ongeacht het insluitseltype. Echter, ze gaven geen informatie over de zwavelgehalte van hun staal.

Jin en medewerkers rapporteerden dat in calcium behandeld API X100 staal met 50 ppm zwavel, oxiden nadelig zijn voor waterstofweerstand. Domizzi en medewerkers zijn niet in staat om sulfidelengte of zwavelgehalte te correleren met HIC-weerstand in stalen met zwavel in het bereik van 50–150 ppm. Ze stellen voor dat zwavelgehalte en insluitselgrootte de weerstand tegen waterstof beïnvloeden. Ze geven aan dat een klein aantal zeer uitgerekte insluitsels de HIC-weerstand op dezelfde manier kan verminderen als een hoger aantal kortere deeltjes. Ze benadrukken ook de relevantie van bandvorming, wat in micro-gelegerde stalen normaal geassocieerd is met hogere mangaaninhouden.

Bandvorming werd ook kritiek getoond voor de waterstof-geïnduceerde falen van AISI 4140 bouten in zee-toepassingen onderworpen aan kathodische bescherming. Du en medewerkers hebben de gunstige effecten getoond van het genereren van een fijn dispersie van oxide- en sulfides insluitsels door zirconium-titanium ontzuring op HIC-weerstand, vergeleken met conventionele aluminium ontzuring. In een recente review hebben Ohaeri en medewerkers bevestigd dat insluitsels in het algemeen schadelijk kunnen zijn voor weerstand tegen waterstofdegradatie, maar bevestigd dat uitgerekte insluitsels blijkbaar een meer negatief effect hebben. Het belang van uitgerekte sulfides op de omvang van waterstofbelvorming is ook gedemonstreerd. Dus, insluitselvorm, hoeveelheid en type spelen een belangrijke rol in waterstofkraken.

De eventuele clustering van insluitsels, met name regio's van microstructuurbandvorming, heeft een synergistisch effect in het bevorderen van kwesties geassocieerd met waterstof en moet zorgvuldig vermeden worden. Bovendien is op te merken dat Murakami heeft aangetoond dat waterstofvanging bij insluitsels een aanzienlijk effect heeft op super lange levensduur vermoeidingsfenomenen. Uit de bovenstaande discussie is duidelijk dat insluitselengineering een toenemend belangrijk speelt in het ontwerp van waterstofbestendige stalen.

Putvorming

Wranglen rapporteerde het belang van mangaan sulfides als putinitiatieplaatsen zowel in koolstof- als roestvrije stalen. Hij stelde voor dat in koolstofstalen de aanval begint in de matrix dicht bij de sulfides insluitsel, die edeler is dan de matrix, terwijl in roestvrije stalen de aanval begint bij de sulfides insluitsel zelf. Met de ontwikkeling van karakterisatietechnieken hebben Ryan en medewerkers de aanwezigheid van een chroom-uitgehollowde regio rondom sulfides insluitsels in roestvrije stalen gemeten en voorgesteld dat dit de initiatieplaatsen zijn. Ze hebben echter geen mechanisme voorgesteld voor de vorming van deze regio's noch de thermische geschiedenis van hun monster beschreven. Hun resultaten waren betwist door metingen uitgevoerd door Meng en medewerkers in diverse stalen (inclusief Ryan's originele monster).

De waarnemingen van Ryan lijken op de samenstellingsprofielen rond chroomcarbiden in gesensitiseerde roestvrije staal. Terwijl er daar een duidelijke verklaring bestaat voor de vorming van chroom-uitgehollowde regio's in de matrix rond carbiden in sensibilisatie, is dat niet het geval voor de matrix rondom sulfides insluitsels. Recenter hebben Williams en medewerkers een laag van ijzerrijke sulfides waargenomen die de sulfides insluitsels in roestvrije stalen omringt. Deze laag lost preferentieel op en start het putproces. In hun conclusies hebben ze voorgesteld dat insluitselengineering gebruikt kan worden om de samenstelling van de mangaan-ijzer-chroom sulfides te controleren en dit te voorkomen. Park en Kang hebben recent het kwestie van insluitsels in roestvrije stalen gereviewd. Ze bespraken het solidificatieproces van de sulfides dat kan leiden tot de situatie waargenomen door Williams.

Het lijkt duidelijk dat subtiele chemische samenstellingsverschillen rond insluitsels van cruciaal belang kunnen zijn voor de putvorming van roestvrij staal. Beschikbare resultaten wijzen erop dat de samenstellingsvariaties veroorzaakt tijdens sulfidesvorming een zeer belangrijke rol kunnen spelen. Liu en medewerkers hebben recent het effect van alumina clusters op putvorming van koolstofstalen gedemonstreerd. Ma en medewerkers hebben het anisotrope gedrag van putvorming geassocieerd met mangaan sulfides insluitsels getoond. Dus, het is duidelijk dat insluitsels, in het bijzonder sulfides insluitsels, een cruciale rol spelen in putvorming. Park en Kang merkten op dat de aanwezigheid van oxide-insluitsels ook een belangrijke rol kan spelen in putvorming van roestvrije stalen.