钢材洁净度与非金属夹杂物评级

钢材洁净度的含义——夹杂物评级并不意味着什么

作为非金属颗粒群体的洁净度

钢材洁净度描述的是钢材产品中非金属夹杂物的群体特征，而不是某一种通用的单一等级。非金属夹杂物是在炼钢或铸造过程中形成的、不溶性杂质颗粒，并在金属凝固时被截留其中。氧化物、硫化物、硅酸盐、铝酸盐以及复杂的球状颗粒都可能构成这一群体。其中一些通过脱氧反应形成，另一些则来自炉渣、耐火材料侵蚀、结晶器保护渣或再氧化。

必须将几个变量区分开来。成分用于确定夹杂物所含的物质，例如硫化锰、氧化铝、铝酸钙或经钙改性的氧化物。尺寸涉及其实际尺寸或等效面积。数量描述在规定体积或受检面积内出现了多少颗粒。分布考察颗粒是均匀分散、成簇分布、沿条带状夹杂排列，还是集中在特定带状区域。位置则确定其出现在哪里：靠近表面、位于中心线、沿偏析区分布、处于粉末锻造颗粒之间，或位于零部件中最终会成为高应力部位的区域。

这些变量并不会同步变化。某一炉钢可能含有许多非常细小的氧化物，却没有异常大的颗粒；另一炉钢的平均颗粒数量可能较少，却含有一个具有破坏性的夹杂物。具有相同最大尺寸的轧制硫化物条带状夹杂和致密氧化物，不会产生相同的应力集中，也不会在加工过程中表现出相同的响应。ASTM B796:2020 针对近全致密粉末锻造材料提出了相关观点：夹杂物的成分、尺寸、分布和位置会显著影响最终材料。

加工会改变夹杂物的形貌。黏性硫化物可能在轧制过程中延伸，脆性氧化物可能发生断裂，而某些颗粒在钙处理后可能仍保持棱角状，或变得更加球状。因此，观察到的夹杂物群体既反映炼钢历史，也反映变形历史。只有结合产品形态、取样位置、变形压缩历史、受检面积和试验方法，洁净度结果才具有明确意义。

为什么评级不是直接的化学分析

传统的夹杂物评级是依据特定方法对夹杂物形貌和含量程度进行的观察，并不是对每个颗粒进行化学分析。ASTM E45-25 提供了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告变形钢中的夹杂物含量。其常见的显微分类为 A、B、C 和 D：A 类为硫化物型，B 类为氧化铝型，C 类为硅酸盐型，D 类为球状氧化物型。这些标签描述的是在该方法下观察到的外观和形貌类别，并不能证明某一类别中的每个颗粒都具有单一且纯粹的化学成分。

ASTM E45 参考图谱采用 100× 放大倍数下的薄系和重系图片，试样视场面积约为 0.50 mm²。因此，诸如“B 1.5 重系”这样的报告结果，表示在规定的检验程序下，所观察视场的形貌与图谱中规定的某一等级相似。这并不意味着钢材含有经化学测定、且浓度达到某一通用阈值的氧化铝，也不能据此确定该炉钢中任何位置的最大夹杂物尺寸。

其他标准可能会对同一显微组织作出不同分类。JIS G 0555:2020 将在加工过程中通过黏性变形形成的夹杂物定义为 A 型，将颗粒状和不连续夹杂物定义为 B 型，将无黏性变形且不规则分散的夹杂物定义为 C 型。DIN EN 10247:2017 规定使用标准图片进行显微组织检验，而 ISO 4967:2026 则规定了适用于轧制或锻造钢材产品的相应国际方法，其压缩比至少为 3。不同标准中的类别名称不能直接相互转换，必须核对各自的定义、试样制备、放大倍数、视场选取和报告规则。

如果要回答化学成分问题，就需要使用另一种工具。配备能量色散 X 射线分析的扫描电子显微镜（SEM/EDS）可以表征单个颗粒，并区分富氧化铝氧化物、铝酸钙或含锰的复杂夹杂物等不同类型。由 DOE 资助的 ASCAT 项目采用计算机控制的扫描电子显微镜和 X 射线分析，将单个夹杂物的尺寸、成分和分布与总体洁净度联系起来。自动图像分析可以在大量视场中统计颗粒数量并测量其尺寸，但其阈值设定规则和对比度限制仍会影响结果。

区分洁净度、总氧含量与力学性能

总氧含量与夹杂物洁净度存在关联，但两者不是可以互换的测量指标。总氧含量测量的是被分析钢样中的氧总量，包括结合在氧化物夹杂物中的氧，以及根据具体试验程序可能包含的溶解氧。它不能描述颗粒形状、尺寸分布、位置，也不能说明氧化物是否集中在少数几个大型夹杂物中。因此，两个总氧含量相近的炉次，可能具有不同的夹杂物群体和不同的风险。

图谱评级本身也无法预测零部件寿命。疲劳强度、断裂韧性、滚动接触疲劳、延性、切削加工性和可锻性，除了受夹杂物影响外，还取决于钢材牌号、基体组织、热处理、应力状态、表面状况、载荷谱以及零部件几何形状。位于高应力次表层区域的一个大型夹杂物，可能比其他位置的许多小颗粒更为重要。位置会改变结论。

对于极洁净的轴承钢，传统的 ASTM 和 JIS 评级可能无法区分不同炉次，因为在图谱分辨率下，受检视场中可能只有很少或根本没有颗粒。经过同行评审的 JIS 研究说明，在采用极值统计进行评估时，以 √area 表示的最大夹杂物尺寸可能提供更多信息。ASTM E2283-08(2019) 与 ASTM E45-25 同属 ASTM E04.09 分委员会的标准，涉及这类极值分析。此时，问题就从“这些视场中出现了什么图谱类别？”转变为“在更大的受检体积或生产体积中，可能出现多大尺寸的稀有夹杂物？”

没有任何单一结果能够回答所有关于洁净度的问题。图谱评级是在规定方法下比较夹杂物形貌；图像分析提供颗粒数量和尺寸分布；SEM/EDS 确定颗粒化学成分；总氧含量测量氧的总体数量；极值方法则用于评估稀有的大型夹杂物。将其中任何一种结果视为通用的合格/不合格数值，都会混淆不同的测量指标，并可能据此作出试验本来并未设计用于提供的使用寿命预测。

钢铁加工过程中非金属夹杂物的形成与变化

炼钢与浇注过程中的来源

美国国家标准与技术研究院（NIST）将非金属夹杂物描述为在炼钢和浇注过程中形成、在凝固时被捕获的不溶性杂质颗粒。这一定义很重要，因为夹杂物并不只是炉料中原本就存在的“脏东西”。其成分和形状可能通过熔融钢液、炉渣、耐火材料、合金添加物以及周围气氛之间的反应逐步形成。

氧化物夹杂物通常在溶解元素与氧发生反应时形成。例如，铝镇静钢中，铝从钢液中去除溶解氧后，可生成氧化铝 Al₂O₃。脱氧产物可能相互碰撞并聚集，也可能通过钙处理转变为具有不同熔化和变形行为的铝酸钙相。硅酸盐夹杂物可能源于钢液–炉渣反应、耐火材料侵蚀或复杂氧化物反应。卷入钢液的炉渣和耐火材料颗粒则提供了另一种来源，尤其是在湍流将渣层带入金属液中，或水口、钢包衬、浸入式水口系统发生材料剥落时。

硫化物夹杂物主要在冷却过程中由硫与锰及其他元素结合形成。硫化锰 MnS 在低合金钢和易切削钢中尤为重要。在易切削钢牌号中，有意增加的硫化物数量可能远高于低硫轴承钢，因此，如果不说明钢种、产品形态和试验方法，单纯进行数值比较可能会产生误导。氮化物和碳氮化物颗粒也可能在冷却过程中或后续热处理期间析出，尽管标准夹杂物评级未必能够从化学成分上识别它们。

NIST 的 IMPACTS 说明将夹杂物成分、尺寸和数量确定为洁净度参数。分布同样具有重要影响：少量集中在某一区域的大颗粒，与相同数量但分散于整个截面的颗粒，其风险并不相同。全氧含量测量的是氧化物群体所携带的氧，但无法揭示最大夹杂物的尺寸、其化学成分，或颗粒是否发生聚集。自动图像分析以及配备能量色散 X 射线分析的扫描电子显微镜（SEM/EDS），所回答的问题不同于全氧含量试验。

浇注过程决定了这些颗粒的去向。在连续浇注过程中，夹杂物可能上浮进入炉渣、附着在气泡上、被凝固前沿捕获，或一直悬浮到最终被凝固组织包裹。流动模式、拉速、钢液过热度、电磁搅拌以及结晶器保护渣的行为都会影响这一竞争过程。因此，在轧制开始之前，最终夹杂物群体已经记录了此前的加工历史。

凝固过程中的捕获

当钢坯、方坯或钢锭发生凝固时，凝固前沿会将部分溶解元素排斥到剩余液相中。硫、含氧物种及其他溶质可能在枝晶间区域富集，新夹杂物会在此形成，或已有颗粒在此被捕获。当界面推进速度快于颗粒移离界面的速度时，颗粒更容易被凝固前沿吞没；不过，颗粒尺寸、界面能、流体流动和局部化学成分同样会产生影响。

这会造成空间上的差异。夹杂物可能集中在中心线附近，与枝晶间偏析带取向一致，或在整个方坯截面上分布不均。孔隙和缩孔还可能为氧化物聚集提供额外位置。因此，同一炉钢可能得到不同的试验结果，具体取决于试样取自中心、四分之一厚度位置、表层区域、纵向平面还是横向平面。

位置也会改变其工程后果。孤立分布在基体中的小型氧化物可能影响很小，而疲劳关键表面附近的氧化铝夹杂物簇则可能诱发裂纹。风险往往由最大夹杂物或接近最大尺寸的夹杂物控制，而不是由平均数量控制。ASTM 分委员会 E04.09 列出了 ASTM E45-25 和 ASTM E2283-08(2019)，后者涉及钢中非金属夹杂物的极值分析。一项关于轴承钢的同行评议研究报告指出，传统 ASTM 和 JIS 评级可能无法区分洁净度极高的材料；将最大夹杂物尺寸表示为 √area 并应用极值统计方法，可以区分那些在常规图表评级下看起来相同的群体。

凝固组织还决定了后续加工将如何暴露夹杂物。夹在枝晶之间的颗粒可能在压下过程中沿产品轴向被拉长。位于约束较小区域的另一颗粒则可能发生破碎、分散，或保持较为致密的形态。

轧制与锻造过程中的变形

轧制和锻造并不能去除所有夹杂物。它们会改变夹杂物的几何形状、取向、间距，有时还会改变其内部结构。像 MnS 这样的塑性硫化物可以随周围钢材一起变形，形成平行于轧制方向的长而窄的条带状夹杂物。氧化铝等氧化物通常比基体更硬、塑性更低。它们可能破碎成若干段、发生旋转、与钢基体脱粘，或仍保持相对球状的形态。一些硅酸盐在热加工温度下会软化并发生拉长；另一些则表现得更像脆性颗粒。其响应由化学成分决定。

这就是为什么类似硫化物的条带状夹杂物与球状氧化物在外观和影响方面都存在差异。轧制钢的纵向截面可能显示 MnS 呈细长、近似连续的线状，而横向截面则可能显示为短小的点状或扁平斑点。氧化铝夹杂物簇在一个平面上可能表现为数个棱角状碎片，而在另一个平面上则可能显示为一个不规则颗粒。夹杂物群体的数量未必发生变化；变化的是截面与这些三维物体的相交方式。

压下比会产生影响。经过大压下量轧制的产品可以使夹杂物沿更长距离铺展，并减小其表观厚度；而锻造则可能通过反复压缩使夹杂物簇破碎，并将颗粒重新分散。相反，加工不足可能留下集中的夹杂物簇或与缩孔有关的缺陷。ISO 4967:2026 规定了适用于轧制或锻造钢产品的显微组织检验方法，其压下比至少为 3；这一适用范围将观察方法与此前的变形过程联系起来，而不是将所有铸态条件视为等同。

不同标准对这些形态效应的规定方式也不同。ASTM E45-25 提供了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告变形钢中夹杂物的含量。其中显微评级类别 A、B、C 和 D 是形态学报告类别，并非直接的化学鉴定。ASTM E45 参考图表将 A 类与硫化物、B 类与氧化铝、C 类与硅酸盐、D 类与球状氧化物联系起来；薄系列和重系列均在 100× 放大倍数下进行评级，试样视场面积约为 0.50 mm²。这些标签有助于描述观察结果，但 A 型线状夹杂物并不是针对 MnS 的化学分析。

DIN EN 10247:2017 使用标准图片进行显微组织检验，而 ISO 4967 规定了相应的国际方法。相比之下，JIS G 0555:2020 将 A 型定义为加工过程中通过黏性变形形成的夹杂物，将 B 型定义为颗粒状且不连续的夹杂物，将 C 型定义为无黏性变形、呈不规则分散的夹杂物。这些类别在用途上有所重叠，但并不是可以互换的评级体系。

因此，如果采用不同的观察平面、放大倍数、视场、压下历史或标准，即使检验的是同一炉钢的材料，两个实验室也可能报告出外观不同的夹杂物群体。图表评级描述的是所选方法能够观察到的情况。SEM/EDS 可以逐个颗粒识别成分和形态；图像分析可以量化尺寸和分布；全氧含量可以估算含氧物质的含量；极值分析则针对最大颗粒。它们彼此都无法替代。

ASTM E45：方法、类别与参考图评级

ASTM E45-25 是一组宏观和显微方法，而不是一种适用于所有情况的统一钢材洁净度等级。 Strong evidence

[1][1] ASTM E45: Standard Practice for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E45-25 并非单一的显微镜检测程序，也不会为钢材指定一个通用的洁净度等级。它是一系列用于测定和报告变形钢中非金属夹杂物含量的方法。ASTM International 表示，2025 版包括四种宏观方法和五种显微方法。所选方法会改变观察方式、检验面积、对夹杂物尺寸和形状的敏感性，以及报告结果的形式。

这一点很重要，因为夹杂物是在炼钢或铸造过程中形成、并在金属凝固时被包裹其中的不溶性颗粒。评级可以描述制备截面上出现的情况，但未必能够完整确定颗粒的化学成分，也不能预测其在每种应用中的影响。NIST 的 IMPACTS 研究将成分、尺寸和数量确定为重要的洁净度参数；夹杂物的分布和位置也会影响其在轧制、锻造、机械加工、疲劳和断裂过程中的行为。

四种宏观方法和五种显微方法

宏观方法检验钢材中相对较大的区域，或较大尺度的显示特征。它们适用于检测偏析、夹杂物簇、条带、大型夹杂物及其他可能在小范围显微视野中被遗漏的不连续性。根据方法和产品的不同，检验可能涉及断口、宏观浸蚀表面、深度浸蚀截面，或其他用于显示较大尺度不连续性的制备区域。这些方法所回答的问题不同于抛光截面夹杂物计数：它们关注的不是“这个小视野中有多少颗粒”，而是“在所检验区域内，产品是否含有明显的或异常集中的不连续性”。

显微方法在规定的放大倍数下检验抛光并浸蚀的截面，并将观察到的夹杂物与规定的评级标准进行比较。ASTM E45 包括基于评级图的评级方法，以及基于夹杂物计数或测量的方法；因此，五种显微方法不应被视为同一试验的可互换版本。其中一种方法可能强调最差视野，另一种可能记录规定面积内的夹杂物数量或长度，还有一种可能采用自动图像分析。结果取决于截面取向、取样方案、视野选择、显微镜设置、阈值规则，以及该程序报告的是最大观察值还是平均值。

评级图评级尤其容易受到视野选择的影响。如果操作人员寻找并报告最差视野，局部夹杂物条带可能决定最终结果。如果系统地选择视野并计算平均值，则同一钢材可能得到较低的数值描述，尽管其中仍然存在相同的局部特征。在不了解材料规范所要求的方法之前，任何一种结果都不能自动被视为“正确”。

自动化分析可以增加对长度、宽度、面积分数、等效直径、长宽比和数密度的测量，但自动化并不能消除方法选择所带来的问题。如果不对成像和验证规则进行控制，抛光划痕、浸蚀对比度、孔隙、碳化物颗粒以及相互接触的夹杂物都可能被错误分类。DOE 资助的 ASCAT 项目展示了利用计算机控制的扫描电子显微镜结合 X 射线分析，将单个夹杂物的尺寸和成分与其分布联系起来的价值。这属于表征，而不仅仅是常规的 E45 评级图比较。

A、B、C 和 D 形态类别

熟悉的 ASTM E45 显微类别是形态学报告类别，用于描述夹杂物或夹杂物条带在抛光截面上的外观。

A-硫化物指通常与硫化物条带相关的细长、可变形夹杂物。ASTM 附录将 A 型确定为硫化物。在轧制产品中，这些夹杂物通常沿加工方向呈现较长的尺寸。

B-氧化铝描述与参考评级图中的氧化铝相关的棱角状、通常呈脆性外观的夹杂物或夹杂物簇。它们可能以离散颗粒、排列成组的颗粒或破碎的夹杂物簇形式出现，其形状可能反映加工过程中的变形和破碎。

C-硅酸盐描述在附录中被确定为硅酸盐的细长、可变形夹杂物。与 A 类夹杂物一样，C 类夹杂物可能形成条带，但其形态和评级图位置使其区别于 A 系列。

D-球状氧化物涵盖通常呈圆形或球状的氧化物夹杂物。ASTM 参考评级图将 D 型确定为球状氧化物，其评级依据是观察视野中颗粒的尺寸、数量和外观。

这些名称不能被随意理解为完整的化学鉴定。例如，“B-氧化铝”是与特定形态和评级图类别相关的 ASTM 参考 designation，并不能证明该类别中的每个颗粒都由纯 Al₂O₃ 构成。夹杂物可能含有混合氧化物、硫化物、硅酸盐、铝酸钙、尖晶石相、卷入的炉渣或反应产物。确认化学成分需要采用其他技术，通常是结合能量色散 X 射线光谱的扫描电子显微镜（SEM/EDS）；即使使用 SEM/EDS，也必须谨慎，因为小颗粒可能受到周围钢基体的影响。

其他标准采用不同的类别体系。JIS G 0555:2020 将 Type A 用于在加工过程中通过黏性变形形成的夹杂物，将 Type B 用于颗粒状和不连续夹杂物，将 Type C 用于无黏性变形且不规则分散的夹杂物。这些 Type A、B 和 C 标签不能与 ASTM E45 的 A、B、C 和 D designation 互换使用。

参考视野中的细系列和重系列

ASTM E45 附录参考评级图对 A-硫化物、B-氧化铝、C-硅酸盐和 D-球状氧化物夹杂物采用细系列和重系列进行评级。“细”和“重”描述参考图所代表的夹杂物群体数量及其视觉严重程度；它们不是不同的化学类型。

评级图比较是在 100× 放大倍数下进行的，试样视野面积约为 0.50 mm²。这个固定的参考视野为评级图编号提供了明确的尺度。这并不意味着整个钢坯、棒材、钢板或锻件中仅含有一个视野内可见的那些颗粒。评级是对取样截面和视野所作的观察，因此取样位置和取向仍然至关重要。纵向截面与横向截面暴露夹杂物条带的方式可能不同，而少量的大颗粒也可能完全逃过小面积检验。

正因如此，如果没有适用的产品规范，就不应将 E45 评级图结果转换为通用的合格/不合格结论。例如，报告为 D 1.0 的钢材，其结果与 D 类别、细系列或重系列、放大倍数、参考视野、所检验的截面以及所选评级程序相关。它不是一个单一的洁净度百分比，也不能单凭这一结果说明检验视野之外的最大夹杂物尺寸。

对于洁净度非常高的轴承钢，传统的 ASTM 或 JIS 评级可能无法区分有意义的差异，因为评级图视野中出现的夹杂物过少。极值分析可以处理另一种风险：在所取样体积中可能出现的最大夹杂物。ASTM E2283-08(2019) 与 ASTM E45-25 一同列于 ASTM Subcommittee E04.09 名下，用于钢中非金属夹杂物的极值分析。一项日本研究报告称，可以利用极值统计学评估以 √area 表示的最大夹杂物尺寸。ISO 4967:2026 同样规定了一种显微组织学方法，可使用参考评级图或图像分析，对压缩比至少为 3 的轧制或锻制钢产品进行检验。

因此，E45 评级图评级仍然适用于基于标准化形态的比较，但它们不是化学分析、全氧测量，也不能保证不存在罕见的大型夹杂物。每种方法回答的都是范围更窄的问题。

ISO 4967 和 DIN EN 10247：金相标准图谱框架

ISO 4967:2026 的适用范围和压缩比

ISO 4967:2026 规定了一种用于评定轧制或锻制钢材中非金属夹杂物的金相显微方法，适用于压缩比至少为 3 的产品。这一限定并非无关紧要的细节。轧制和锻造会改变夹杂颗粒的形状和间距，因此，该方法假定产品已经经历了足够程度的加工变形，从而形成适用于本程序的夹杂物形态。铸钢截面或变形程度较小的产品，不应自动按照本标准赋予相同含义。

该方法通过将制备好的、经腐蚀或未经腐蚀的抛光截面与标准参考图谱进行比较来开展检验；如果程序和报告系统支持，也可采用图像分析。因此，所得结果是对选定显微视场中所见特征的描述，而不是对钢材进行直接化学分析。非金属夹杂物是在炼钢或浇注过程中形成、并在凝固过程中保留下来的不溶性颗粒。它们的成分、尺寸、数量、形态、分布和位置都可能影响性能，但传统图谱评级只能反映其中一部分变量。

压缩变形还会以具有方向性的方式改变夹杂物形态。硫化锰颗粒可能变成长条状夹杂，而坚硬的氧化铝团簇可能发生破碎、铺展，或仍保持为致密的聚集体。因此，在纵向截面上进行的评级，可能与在横向截面上进行的评级存在显著差异。如果希望另一家实验室能够正确解读评级结果，就必须同时注明取样方向、截面位置和视场数量。

ISO 4967:2026 并不建立一个通用的洁净度等级，而是规定一种方法及其适用条件。报告结果可以区分夹杂物类别及其严重程度，但该结果的意义取决于产品、钢种、检验平面和验收规范。全氧含量可以表明总体含氧夹杂物负荷，但无法识别颗粒形状，也不能说明是否存在少量大型夹杂物。反过来，金相评级可以显示形态，却不能证明每个颗粒的化学组成。

DIN EN 10247:2017 和标准图谱

DIN EN 10247:2017 是欧洲标准 EN 10247:2017 的德国采用版本，标题为《采用标准图谱对钢中非金属夹杂物进行金相检验》。其中的“DIN EN”表示该欧洲文件已被纳入德国标准体系；它并不是对某项无关国家程序所作的非正式德语翻译。其标准图谱框架与 ISO 4967 规定的国际金相方法密切相关。

检验人员将观察到的视场与代表夹杂物外观及严重程度的参考图片进行比较。实际上，这意味着要判断长度、厚度、棱角程度、连续性、聚集状态和表观变形等特征。图谱系列提供了一种共同的视觉语言，但不会将外观直接转化为化学成分。例如，深色的长条状特征可能与硫化物条带相符，而紧密的棱角状团聚体可能提示氧化铝；如需确认，则必须采用扫描电子显微镜结合能量色散 X 射线分析（SEM/EDS）等方法。

熟悉的 ASTM E45-25 体系来自另一套标准体系，也说明了同样的局限性。ASTM E45-25 规定了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告变形钢中的夹杂物含量。其显微类别 A、B、C 和 D 描述的是形态，而不是直接识别化学组成。ASTM E45 附录图谱将夹杂物分为 A 类硫化物、B 类氧化铝、C 类硅酸盐和 D 类球状氧化物；在 100× 放大倍数下，使用薄系列和重系列图谱对约 0.50 mm² 的视场面积进行评级。这些标签和图谱数值不得转用于 DIN EN 10247:2017 或 ISO 4967，不能将不同标准的标尺视为可以互换。

JIS G 0555:2020 说明了为什么必须谨慎对待牌号和分类体系。该标准将工作变形过程中因黏性变形形成的夹杂物称为 A 型，将颗粒状且不连续的夹杂物称为 B 型，将无黏性变形、呈不规则分散状态的夹杂物称为 C 型。在不同标准下，外观相似的特征可能具有不同的名称、类别或限值。

参考图谱与图像分析

标准图谱比较速度快、使用熟悉，对生产控制很有用。但其中也包含检验人员的判断。两名检验人员可能选择不同的视场，将临界视场归入不同的严重程度类别，或对团聚体作出不同解释。视场选择尤其重要，因为夹杂物并非均匀分布在整个钢棒或钢坯中。较小的检验区域可能完全漏掉罕见的大颗粒。

图像分析通过测量夹杂物面积分数、等效直径、长度、宽度、长宽比以及单位面积内的数量等参数，取代部分视觉判断。但它并不能消除方法依赖性。试样制备会影响划痕、拉脱坑、边缘圆化和表面起伏。放大倍数决定可检测颗粒的最小尺寸。照明、对焦、相机校准和视场选择规则都会影响图像分割。阈值设定可能将相邻颗粒合并、排除浅色夹杂物，或将抛光损伤归类为夹杂物。随后，报告惯例还会决定结果是表示为数量、面积分数、最大尺寸、尺寸分布，还是类别频率。

因此，不应将 ISO 4967:2026 的图谱评级结果与图像分析结果视为可互换的测量值。两者可能检验的是同一炉钢材，却回答不同的问题。图像分析可以对大量视场进行定量，而图谱方法可能与采购规范或工艺规范更加直接地对应。SEM/EDS 可以提供单个颗粒的成分和形态信息；当关注最大夹杂物时，ASTM E2283-08(2019) 则涉及极值分析。一项经过同行评审的 JIS 研究发现，传统 ASTM 和 JIS 评级可能无法区分洁净度极高的轴承钢，而以 √area 表示的最大夹杂物尺寸可以采用极值统计进行评估。因此，正确的结果应当是：其方法、试样和报告惯例与所要解释的失效问题相匹配。

JIS G 0555 与 SAE J422：相似的问题，不同的分类边界

JIS G 0555:2020 和 SAE J422:201801 都对抛光钢材中的非金属夹杂物进行检验，但二者并未通过完全相同的类别或报告逻辑来定义洁净度。每种标准都会产生一种依赖于方法的观察结果。结果取决于试样位置、表面制备、放大倍数、检验视场、夹杂物形貌，以及用于确定类别或数量的规则。因此，在未对标准本身进行比较的情况下，不能将“JIS 洁净度评级”视为 SAE 或 ASTM 评级的直接等同物。

JIS Type A、Type B 和 Type C

JIS G 0555:2020 根据夹杂物在加工后的外观以及其在钢基体中的分布方式对其进行分类。这种分类是形貌分类，而不是直接的化学鉴定。

Type A 夹杂物是在加工过程中通过黏性变形形成的。在轧制钢或锻钢中，它们通常表现为沿加工方向排列的细长颗粒或条带状颗粒。硫化锰（MnS）是能够产生这种外观的常见夹杂物，尤其是在含硫量足够且热加工性能有利的钢中。不过，该分类描述的是所观察到的变形模式；它并不能证明每一个 Type A 指示都在化学上属于 MnS。

Type B 夹杂物呈颗粒状且不连续。它们不是形成长而连续的条带状夹杂物，而是表现为彼此分离的颗粒或由少量颗粒组成的短小群组。富氧化铝的脱氧产物可能产生这种外观，但化学确认需要采用扫描电子显微镜配合能量色散 X 射线光谱（SEM/EDS）等方法。即使单个颗粒的尺寸并不大，小颗粒的聚集也可能具有重要影响，因为该聚集体可能形成集中的缺陷区域。

Type C 夹杂物呈不规则分散状态，不表现出黏性变形。其随机或散布的外观使其区别于沿特定方向排列的 Type A 夹杂物群体。在此类别中可能会遇到氧化物或硅酸盐颗粒，但同样，Type C 的 designation 是依据形貌和分布，而不是依据化学分析确定的。

当夹杂物形状会影响疲劳或断裂行为时，这种区别十分重要。细长的硫化物颗粒与致密的氧化物颗粒可能具有相近的投影面积，但会产生不同的应力集中、裂纹路径以及对切削加工性能的影响。JIS G 0555 记录的是通过其规定程序确定的视觉类别；它并不会将成分、尺寸、位置和力学后果压缩为一个通用的洁净度数值。

SAE J422 的定量显微检验方法

SAE J422:201801 将这一问题作为一种用于确定钢材洁净度的定量显微检验方法来处理。该标准并不把一张参考图像视为对材料的完整描述，而是在规定的显微观察条件下，对夹杂物指示进行计数和测量。因此，报告结果必然与取样面积、放大倍数、测量规则，以及在这些条件下可见的夹杂物群体有关。

这与简单地指定 JIS Type A、B 或 C 是不同的分类边界。JIS 类别主要传达变形和分散特征。SAE J422 可以对所观察到的夹杂物群体进行定量，但数值结果仍然只代表所检验的截面以及该方法的检测限。少量的大尺寸夹杂物可能比大量细小颗粒更具危害，而平均计数则可能掩盖一个罕见但会造成损伤的最大尺寸颗粒。极值方法用于处理这一独立问题；ASTM E2283-08(2019) 在 ASTM E04.09 分委会的范围内，涉及钢中非金属夹杂物的极值分析。

SAE J422:201801 还明确规定了一项适用范围限制：其显微照片 “不适用于再硫化钢级或通常按照 ASTM E45 进行分类的高碳轴承质量钢。” 这句话可以避免一种常见误用。对于这些钢种，不能将这些照片和定量检验方法当作具有控制作用的分类体系来使用。

再硫化钢和轴承质量钢的排除范围

再硫化钢级含有经过有意提高的硫，通常是为了改善切削加工性能。与低硫洁净钢中的夹杂物群体相比，其中的硫化锰群体在含量、长宽比和分布方面可能存在显著差异。因此，围绕普通夹杂物形貌建立的评级方法，可能会报告较高的表观夹杂物含量，却无法区分有意设计的硫化物工程特征与有害的氧化物污染。

高碳轴承质量钢构成了另一项边界。轴承性能可能在很大程度上取决于罕见的超大氧化物夹杂物，而不仅仅取决于视场平均夹杂物群体。传统图表评级可能无法区分洁净度极高的轴承钢，因为该方法只对有限区域进行取样，并将不同的尺寸分布压缩为相似的序数量级评级。一项经过同行评审的 JIS 研究报告了这一局限，并通过结合极值统计，使用平方根面积参数 √area 讨论夹杂物的最大尺寸。

ASTM E45-25 本身提供了四种宏观方法和五种显微方法，用于确定和报告变形钢中的夹杂物含量。其附属参考图表标识了 A-硫化物、B-氧化铝、C-硅酸盐和 D-球状氧化物类型，并在 100× 放大倍数、约 0.50 mm² 的视场下采用薄系列和厚系列。这些标识不能与 JIS Type A、Type B 和 Type C 互换，尽管它们使用了相同的字母。

实际应用中的规则很简单：不要仅凭字母、数字或推定的洁净度等级来换算评级。应首先核查钢种、夹杂物群体、压缩比历史、试样取向、检验面积、放大倍数以及排除条款。涉及化学成分时，应使用 SEM/EDS；涉及全氧含量时，应测定全氧；涉及最大有害颗粒时，应采用适当的极值方法或 √area 方法。每种方法回答的是不同的问题。

试样制备、显微观察与报告规范

取样方向与金相制备

夹杂物检测结果始于试样，而非显微镜。取样方案应说明截面是纵向、横向，还是沿其他规定平面截取，因为加工过程会同时改变夹杂物的形状和间距。纵向截面上的轧制硫化物可能呈现为长条带状，而在横向截面上则可能表现为短颗粒，甚至近似一个点。这两种观察结果描述的是同一个三维特征，只是观察方向不同。

产品形态同样十分重要。ASTM E45-25针对变形钢中的夹杂物含量，并规定了用于测定和报告夹杂物含量的四种宏观方法和五种显微方法。ISO 4967:2026规定了一种适用于压下比至少为3的轧制或锻造产品的显微组织评定方法。对于大变形量钢棒获得的结果，不应将其表述为代表铸态产品、粉末锻造材料或未明确产品形态的钢材。取样位置——表面、四分之一厚度处、中心或其他明确位置——必须与结果一并报告，因为夹杂物可能在特定区域发生偏析或集中。

制备前，应明确标识切割面相对于主要加工方向的位置。切割可能使软质组分发生涂抹、使颗粒脱落，或产生类似 elongated inclusions 的划痕。研磨和抛光应形成平整、洁净的表面，并充分去除划痕和变形，以满足所选检验方法的要求。硬质氧化物周围过度的起伏会使表观尺寸发生畸变；抛光损伤可能使夹杂物破裂或脱落；布料、磨料、镶嵌材料或操作过程中残留的物质可能被误认为外来物。因此，即使某项标准没有规定唯一的制备流程，各制备阶段之间的清洁以及成品表面的保护仍属于测量控制的一部分。

腐蚀处理同样需要保持克制。如果检验目的是评定夹杂物等级，报告应说明表面是在未腐蚀状态下观察，还是使用了规定腐蚀剂腐蚀后观察，因为基体衬度和夹杂物的表观边界可能发生变化。即使抛光截面在技术上仍可辨读，如果受到污染或存在大量划痕，也无法通过提高显微镜放大倍数来弥补。制备质量决定了检验的上限。

二维视场与夹杂物形貌

金相视场是三维夹杂物群体的二维取样。单凭一个视场，无法确定产品中每个夹杂物的真实体积、最大长度或空间分布。因此，视场的选择会影响结果。只检查目视洁净区域，可能低估弥散分布的夹杂物；刻意选择最脏的视场，则可能高估通常意义上的洁净度，但也可能恰好回答另一个关于最差位置的问题。应由所采用的方法、取样方案和视场选择规则决定哪种做法合适。[2][2] ASTM E45 Adjunct Reference Charts for Inclusion Rating. ASTM International. ASTM International adjunct, 2025.

放大倍数与视场面积不可相互替代。ASTM E45配套参考图谱采用100×放大倍数，试样视场面积约为0.50 mm²。该图谱将形貌类别确定为A类硫化物、B类氧化铝、C类硅酸盐和D类球状氧化物，并提供细系列和重系列图像用于评级。这些名称描述的是该方法下观察到的外观和形貌，并不是直接的化学分析结果。某个夹杂物看起来像B类颗粒，并不意味着仅仅因为图谱将该类别称为“B类氧化铝”，就能在化学上证明它是氧化铝。

形状、连续性、变形程度和弥散状态包含冶金学信息。JIS G 0555:2020将Type A用于表示加工过程中因黏性变形形成的夹杂物，将Type B用于表示颗粒状和不连续夹杂物，将Type C用于表示未经黏性变形且不规则弥散分布的夹杂物。这些类别不应被默默转换为ASTM E45的A、B、C或D级别。这些名称属于不同的分类体系。

当视场尺寸、放大倍数、试样取向和评级程序与所选标准相匹配时，图谱对比是有用的。图像分析回答的是不同的问题。阈值分割可以在更大面积上测量面积分数、颗粒数量、长度、宽度、长宽比或尺寸分布，但其输出取决于照明、聚焦、分割阈值、标定以及对相互接触颗粒的处理规则。报告应保留这些选择。由DOE资助的ASCAT项目所开发的自动扫描电子显微镜结合X射线分析技术，可在测量单个夹杂物尺寸和分布的同时增加成分信息。总氧含量提供的是一种整体氧相关指标，而不是夹杂物形貌或位置的分布图。极值分析——包括同行评议的JIS研究中讨论并由ASTM E2283-08(2019)涉及的√area方法——针对的是异常大的颗粒，而不是平均图谱视场。

可辩护报告应明确说明的内容

一份可辩护的报告应完整写明所采用的标准，包括版本或年份，例如ASTM E45-25、ISO 4967:2026、DIN EN 10247:2017或JIS G 0555:2020。报告应说明产品形态，并在相关情况下说明变形条件；ISO 4967:2026适用于压下比至少为3的轧制或锻造产品。文件还应记录炉次或批次标识、取样位置、截面相对于轧制或锻造方向的取向，以及表面是否经过腐蚀。

评级体系必须明确。应说明所使用的类别，例如采用带细系列或重系列的ASTM E45 A、B、C和D类，或JIS G 0555 Type A、Type B和Type C。还应说明放大倍数、图谱或图像分析规程、标准规定的视场尺寸、所检视场的数量或面积，以及视场选择所依据的规则。如果检验了多个试样或多个取向，应分别报告，而不应将其合并为一个无法解释的数字。

化学表征需要单独说明。使用SEM/EDS的报告应明确该方法，并说明结果属于定性还是定量；总氧结果应明确分析方法和试样基准。如果采用了图像分析，应记录标定、分割标准、颗粒尺寸定义、相互接触颗粒的处理方式以及分析面积。最大夹杂物结果应说明尺寸是以长度、等效直径还是√area表示，并说明是否采用了极值程序。

缺少这些细节时，“洁净钢”是不完整的结果。该数值可能在同一实验室内具有良好的重复性，但仍无法与图谱评级、总氧含量值或依据另一标准得到的最大颗粒估计值进行比较。

为什么传统评级可能无法发现最大且最罕见的夹杂物

钢材洁净度评级并不是在直接表明某炉钢中含有例如“1级”夹杂物，因而具有一个已知的最大缺陷尺寸。它是将规定的观察方法应用于规定的试样面积后得到的结果。只要改变放大倍数、检验面积、夹杂物类别、报告规则或取样位置，即使钢材本身没有任何变化，报告的洁净度也可能发生变化。

这对轴承钢尤为重要，因为疲劳损伤可能始于一个异常大的夹杂物，而不是始于平均颗粒群。非金属夹杂物是在炼钢或铸造过程中形成、并在凝固期间被包 trapped 的不溶性颗粒。它们的成分、尺寸、数量、形貌、分布和位置都会影响其作用。总氧含量可以反映总体氧化物负荷，而自动光学分析或 SEM/EDS 可以描述单个颗粒；但这两类结果都不能与图表评级互相替代。

平均外观与极端夹杂物尺寸

传统显微评级擅长描述典型检验视场的外观。但对于另一个不同的问题，它的效果较弱：在整个产品体积中，可能出现的最大夹杂物是什么？

ASTM E45-25 规定了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告变形钢中的夹杂物含量。其显微参考图谱标识了 A 类硫化物、B 类氧化铝、C 类硅酸盐和 D 类球状氧化物。在 100× 放大倍数下，图谱采用薄系列和重系列图片，所对应的试样视场面积约为 0.50 mm²。该程序能够形成可重复的比较，但也将观察限制在一个较小的取样区域内，并限制于该方法规定的视觉类别。

JIS G 0555:2020 也存在相同的局限，尽管其类别组织方式有所不同。A 类涵盖在加工过程中通过黏性变形形成的夹杂物，B 类涵盖颗粒状和不连续夹杂物，C 类涵盖无黏性变形且不规则分散的夹杂物。这些是形貌和分布类别，而不是完整的化学鉴定。B 类评级本身并不能证明每个颗粒都是氧化铝，正如 ASTM D 类评级也不能通过化学分析确定某一种单一氧化物化合物。

传统 ASTM 和 JIS 评级可能无法区分最大夹杂物存在差异的极高洁净度轴承钢。 Limited evidence

一项针对极洁净轴承钢、研究 JIS 洁净度评级的同行评议研究表明了这种区别的重要性。即使两种钢材按照常规评级程序观察时都显得极其洁净，传统 ASTM 和 JIS 结果仍可能无法区分其最大夹杂物存在差异的情况。较低的平均计数或较理想的图谱外观，可能与一个罕见但后果严重的颗粒并存。如果检验视场中没有包含该颗粒，评级记录的只是通常外观，而不是尺寸分布的极端尾部。

这属于取样问题，并不一定意味着图谱方法存在缺陷。图谱评级所回答的是：在规定的视场和类别中，可以观察到多少夹杂物含量。它并不承诺估算轴承套圈、钢棒或大型生产炉次中的最大颗粒。随着检验面积和体积增加，发现罕见夹杂物的概率也会提高。只检验几平方毫米的试验，无法提供与在统计上代表较大钢材体积的试验相同的信息。

√area 概念

√area√area 夹杂物在抛光截面上的二维投影面积的平方根，用作极值分析和疲劳敏感性夹杂物分析中的实用尺寸参数。

在极端夹杂物评估中，最大夹杂物尺寸通常表示为 √area，即夹杂物投影面积的平方根。如果某个夹杂物在抛光横截面上占据面积 $A$，其尺寸参数为

$$\sqrt{\text{area}}=\sqrt{A}.$$

如果 $A$ 以平方微米为单位测量，则 √area 以微米报告。因此，一个投影面积为 400 µm²、形状大致为圆形的夹杂物，其 √area = 20 µm。该参数并不意味着夹杂物是球形，也不意味着已经测量了其实际三维体积。它是对抛光截面所呈现缺陷的一种实用二维描述。

由于裂纹萌生所依赖的不仅是夹杂物数量，这一度量在对夹杂物敏感的疲劳分析中变得十分重要。较大、较硬且结合不良的氧化物可能造成严重的局部应力集中，尤其是在靠近表面或承受高循环应力的位置。形状、硬度、弹性失配、周围基体状态和位置仍然十分重要。√area 并不能取代这些变量；它提供的是一个一致的尺寸变量，用于比较观测到的异常大颗粒。

该轴承钢研究将最大 √area 作为极值变量，而不是将其视为另一种平均洁净度指标。这一问题转变具有决定性意义。分析人员不再询问普通视场中出现了多少夹杂物，而是询问：随着检验面积增加，所观测到的最大值如何变化，以及在规定风险水平下可能出现多大的最大尺寸。

因此，一种钢材总体上可能含有很少的夹杂物，但由于其最大 √area 值较高，仍需要引起关注。相反，含有更多小型硫化物的钢材，可能在常规计数中得到较差的评级，但其疲劳风险却低于含有单个大型铝酸钙或氧化铝团簇的钢材。化学成分仍然十分重要：SEM/EDS 可以区分氧化铝、铝酸钙、硅酸盐、硫化物和复杂氧化物夹杂物，而光学图谱可能仅按外观将它们归为同一类。

ASTM E2283 与极值分析

ASTM E2283-08(2019) 涉及钢中非金属夹杂物的极值分析。它属于 ASTM E04.09 分委员会的职权范围，该分委员会也负责 ASTM E45-25。因此，这两项标准属于同一 ASTM 技术领域，但回答的是不同的测量问题。ASTM E45 提供测定和报告夹杂物含量的既定方法；ASTM E2283 则处理对罕见大型夹杂物进行统计分析的问题。

极值分析并不能凭空揭示一个未被观察到的颗粒。它是根据实测观察结果估算极值分布，因此结果取决于试样制备、检验面积、取样方案、检测阈值，以及各观测结果是否相互独立且具有代表性。抛光纵向截面所显示的长条状夹杂物，可能不同于横向截面所显示的形态。靠近表面的颗粒可能比截面深处的颗粒造成更大的损害，而大型团簇究竟被计为一个特征还是多个特征，则可能取决于图像分析规则。

因此，√area 和 ASTM E2283 并不能取代所有洁净度测量。对于常规形貌比较，图谱评级仍然有用。自动图像分析可以量化数量、长度、面积和分布。SEM/EDS 可以鉴定成分。总氧分析可以跟踪总体氧含量水平。ASTM E2283 则增加了一种估算最大、最罕见观测结果重要性的方法。

在试验之前，应先明确实际问题：目的是比较平均夹杂物含量、鉴定夹杂物化学成分、验证生产趋势，还是估算与疲劳相关的最大缺陷？传统评级可能能够很好地回答第一个问题，却难以回答最后一个问题。外观洁净的视场，只能说明这些视场本身的情况；它们不能证明钢材中的最大夹杂物尺寸很小。

自动夹杂物分析：图像分析、SEM 和 X 射线表征

计算机辅助扫描与分类

计算机辅助夹杂物分析将抛光钢材截面转化为经过测量的图像，而不是仅凭视觉形成印象。摄像机或显微镜扫描规定区域，根据对比度将颗粒与钢基体分离，并记录每个检测到的特征的长度、宽度、面积、长宽比、取向和位置。随后，软件可以按形状分类颗粒，或依据参考标准所制定的规则进行分类。与要求操作员将视野与印刷图表进行比较相比，这是一种重复性更高的测量采集方式，尤其适用于夹杂物数量多、尺寸小或分布广泛的情况。

自动化并不会产生一个通用的洁净度数值。ASTM E45-25 提供了四种宏观方法和五种微观方法，用于测定和报告变形钢中的夹杂物含量，而这些方法所回答的问题各不相同。其微观参考图表采用 A 类硫化物、B 类氧化铝、C 类硅酸盐和 D 类球状氧化物类别，并以 100× 倍率对约 0.50 mm² 的试样视野进行薄系列和重系列评级。这些 designation 主要是形态学报告类别，并非直接的化学鉴定。被评为 B 类夹杂物的颗粒，其形状和排列与该类别相符；但这一评级并不能证明每个颗粒在化学上都是纯氧化铝。

图像分析可以复现此类基于图表的测量，但也能够报告图表所隐藏的数量信息。它可以统计数千个颗粒，计算尺寸分布，绘制其在截面上的位置图，并区分细长的硫化物条带与近似球状的氧化物。ISO 4967:2026 允许对压轧或锻制钢产品采用标准参考图表或图像分析，前提是其压缩比至少为 3。DIN EN 10247:2017 规定了相关的欧洲金相检验方法，使用标准图片；而 JIS G 0555:2020 则根据变形、连续性和弥散性分配 A 型、B 型和 C 型，而不是依据化学成分进行分类。

结果仍取决于图像处理决策。能够检测到微弱氧化物晕的阈值，也可能将抛光划痕纳入其中。阈值设定过高，则可能丢弃小型夹杂物。放大倍数、照明、浸蚀、聚焦、分割规则、最小颗粒面积以及对相互接触颗粒的处理方式，都会改变所报告的颗粒总体。必须使用载物台测微尺和控制试样进行校准；两个软件包之间的一致性，并不能证明其中任何一个软件都识别出了全部夹杂物。

结合 X 射线分析的 SEM

扫描电子显微镜在光学成像所获得的几何信息基础上增加了化学敏感性。在背散射电子模式下，平均原子序数较高的相通常比钢基体显示得更亮，而二次电子成像则更加突出表面形貌。随后，能量色散 X 射线探测器可以采集选定颗粒的特征 X 射线。所得光谱可能显示锰硫化物中的锰和硫、富氧化铝颗粒中的铝和氧、铝酸钙中的钙和氧，或氮化钛中的钛和氮。该分析还可以揭示在光学显微照片中外观相似的混合型或分层型颗粒。

由 DOE 资助的 ASCAT 项目是这一方法的一个典型实例。ASCAT 开发了一套计算机控制的扫描电子显微镜 X 射线分析系统，用于表征单个夹杂物，并将其尺寸、成分和分布与钢材总体洁净度联系起来。这一区别十分重要。仅进行形态学评级，记录的是夹杂物在加工和抛光后的外观；而 ASCAT 式表征则会进一步分析每个颗粒含有哪些成分、尺寸多大，以及具有该化学成分的颗粒分布在哪里。

SEM/EDS 并不是完美的化学分析方法。相互作用体积可能延伸到小型夹杂物以下的钢基体中，因此，对直径仅有几微米的颗粒进行分析时，所得结果可能包含来自周围材料的铁。表面污染、粗糙度、探测器几何条件、加速电压、标准样品的选择以及基体校正，都会影响定量结果。轻元素可能难以准确测量，而 EDS 光谱通常只能支持某一成分类别的判定，不能给出精确的化学计量式。确认氧、碳或氮的存在，可能需要适用的标准样品，或采用波长色散谱等互补方法。

全氧分析测量的是完全不同的量。它估算钢样品中保留的总氧含量，包括氧化物夹杂物中的氧，以及根据试验程序和样品状态而定的溶解氧或其他含氧成分。它不能识别每个夹杂物，不能确定其形态，不能定位其在截面中的位置，也不能揭示氧是否集中于少数几个大型氧化铝团簇中。反过来，自动化图像扫描可能会漏掉低于其检测限的夹杂物，同时仍能详细描述可见颗粒总体。因此，全氧含量与夹杂物成像是相互补充的，而不是相互替代的。

将单个夹杂物与钢材总体联系起来

测得的颗粒并不自动具有代表性，不能必然代表整个炉次、连铸坯、钢坯或成品棒材。夹杂物会在凝固过程中发生偏析，在轧制过程中沿轧制方向排列，并可能在中心线、四分之一厚度区域、表面或某一特定取样平面附近聚集。即使平均数量较低，其位置也可能决定失效风险。ASTM B796 针对用于粉末锻造的铁基粉末提出了同样的观点：夹杂物的成分、尺寸、分布和位置会显著影响接近全致密度材料的性能。

严谨的自动化研究应在扫描前确定取样方案。方案应规定产品取向、截面位置、抛光面积、放大倍数、检测限、视野数量，以及是否纳入与边缘相交的颗粒。同时还应记录完整分布，而不仅仅是平均值。含有大量小型夹杂物的钢材，其表现可能不同于含有少数大型颗粒、但总夹杂物面积相同的钢材。

极值方法可以处理这种差异。ASTM E04.09 分委会将 ASTM E2283-08(2019) 列入与 ASTM E45-25 并列的标准中；ASTM E2283-08(2019) 涉及钢中非金属夹杂物的极值分析。一项经过同行评审的 JIS 研究报告指出，对于非常洁净的轴承钢，传统 ASTM 和 JIS 评级可能无法加以区分；在这类钢材中，最大夹杂物的重要性可能高于视野平均值。可以利用极值统计学评估以 √area 表示的最大夹杂物尺寸，将观测到的颗粒与估计的上尾部联系起来，而不是假定有限范围的扫描已经找到了可能存在的最大缺陷。

自动化能够提高一致性并增加数据量，但它无法消除取样误差、阈值选择、校准要求，也无法取代对所报告颗粒总体对于产品及其失效机制意味着什么的解释。因此，有用的结果并不是一个单一的“洁净”等级，而是在规定方法下对规定颗粒进行的、有完整记录的测量。

从洁净度数据到工程解释

洁净度结果并不是赋予某一炉钢的通用等级，而是由特定试样、制备方法、检验区域、放大倍数、分类体系和报告规则产生的一项观测结果。例如，ASTM E45-25规定了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告变形钢中的夹杂物含量。这些方法所回答的问题并不完全相同。图评级可能描述在规定比较条件下观察到的最严重视场，而自动图像分析则可以测量数量多得多的颗粒，并报告其尺寸和空间频率。

因此，工程解释必须将所测得的颗粒群体与失效机制联系起来。在所有应用中，夹杂物更少的钢并不一定自动更加安全，尤其是在其残余颗粒更大、棱角更明显、脆性更高或集中于关键区域的情况下。反之，数量较多但尺寸较小、形状较圆的夹杂物，其影响可能不同于数量较少但呈细长状的氧化铝团簇。单一数值无法保留全部这些信息。

成分、尺寸、分布和位置是彼此独立的变量

夹杂物成分会控制硬度、断裂抗力、变形能力以及与钢基体之间的界面黏附性等性质。硫化锰在轧制过程中可能发生变形，从而在 JIS G 0555:2020 下形成细长的 A 类夹杂物群体。氧化铝颗粒通常硬且具有棱角；硅酸盐在加工过程中可能发生变形或碎裂；球状氧化物则表现出不同的形状响应。ASTM E45 中的 A、B、C 和 D 图谱类别是形貌报告类别，并非直接的化学分析结果。其参考图谱将夹杂物分别标识为 A 类硫化物、B 类氧化铝、C 类硅酸盐和 D 类球状氧化物类型；薄系和重系评级均在 100× 放大倍数下进行，视场面积约为 0.50 mm²。

尺寸之所以重要，是因为相对于周围显微组织和承载截面，夹杂物越大，应力集中通常越显著。即使平均视场看起来很洁净，最大颗粒仍可能主导疲劳行为。平均直径或夹杂物平均数量会掩盖尺寸分布的尾部，即包含临界缺陷的那一小部分颗粒。ASTM E2283-08(2019)在 ASTM E04.09 分委会下讨论极值分析，正是出于这一原因。在轴承钢中，最大夹杂物尺寸通常表示为 √area，即夹杂物投影面积的平方根，并通过统计方法进行评估，而不是从普通平均视场中推断。

分布又是另一个独立变量。颗粒可能均匀弥散，也可能沿轧制带状组织排列、成簇聚集，或集中在偏析区附近。两炉钢即使具有相同的夹杂物总面积，如果一炉含有孤立颗粒而另一炉含有条状夹杂物或团簇，其裂纹萌生风险也可能不同。JIS G 0555:2020 区分了加工过程中发生黏性变形而形成的 A 类夹杂物、呈颗粒状且不连续的 B 类夹杂物，以及未发生黏性变形、呈不规则弥散状态的 C 类夹杂物。这些区别描述的是空间分布和变形行为，而不仅仅是颗粒数量。

位置决定颗粒是否处于有害应力场中。靠近最大剪切区域、滚道接触区、机械加工表面或焊接影响区的夹杂物，可能比位于低应力区域内部、尺寸相同的颗粒更为重要。因此，取样位置必须能够代表产品几何形状和工艺方向。总氧含量可以反映总体氧化物负荷，但无法确定哪个颗粒最大、其所在位置，或它究竟是氧化铝团簇还是圆形氧化物。SEM/EDS、自动夹杂物分析和金相检验可以分别提供这一问题的不同部分答案。

轴承钢和对疲劳敏感的应用

轴承钢说明了为什么不能将洁净度简化为单一排名。滚动接触疲劳会使一个较小的近表层体积反复承受高循环剪切应力和压缩应力。硬而具有棱角的夹杂物或夹杂物团簇可能引发裂纹，而较软的夹杂物则可能发生变形并形成不同的应力场。相关比较并不只是“炉次 A 的夹杂物少于炉次 B”，而是要判断两炉钢在高应力材料中的化学成分、最大 √area、团簇频率、取向以及取样置信度是否具有可比性。

传统的 ASTM E45 和 JIS 评级可能无法区分洁净度极高的轴承钢，因为图谱类别和检验视场未必能够分辨出控制使用寿命的罕见极端颗粒。因此，关于轴承钢洁净度的同行评议 JIS 研究通过极值统计考察了最大夹杂物尺寸。该方法根据测得的颗粒群体，估算指定体积内可能出现的最大夹杂物；它并不假定一小块抛光截面已经观察到了所有可能的缺陷。

应用方面的判断必须保持条件性。如果失效起源于大型氧化物颗粒，那么极值尺寸评估和 SEM/EDS 表征可能比总氧含量更有信息价值。如果细长硫化物控制各向异性延性或切削加工性，则应更加重视取向和变形类别。如果以表面起始疲劳为主，那么近表层取样和针对具体位置的检验就不可或缺。检验方法应当服从所怀疑的失效机制。

ASTM B796 下的粉末锻造影响

ASTM B796 涉及用于粉末锻造的铁基粉末中的非金属夹杂物。在粉末锻造过程中，压制、烧结和锻造会形成接近全致密的材料。其核心工程观点非常直接：夹杂物的成分、尺寸、分布和位置会强烈影响最终材料。粉末中的夹杂物并不等同于铸钢或变形钢中的夹杂物。它可能位于单个粉末颗粒内部、颗粒边界处，或位于在烧结和锻造过程中发生改变的区域。

在致密化过程中，成分会影响颗粒是发生变形、碎裂、反应，还是作为脆性不连续体保留下来。尺寸会影响锻造后残余孔隙或裂纹的尺度。分布会影响缺陷是彼此孤立，还是连接成具有破坏性的链状区域；位置则决定其与残余孔隙、原始颗粒边界以及最终零件拉伸应力场或疲劳应力场的接近程度。接近全致密可以减少孔隙率，但并不能消除大型难熔氧化物或集中的夹杂物团簇。

因此，ASTM B796 应被理解为一种警示：不能将变形钢的图谱评级直接套用于粉末锻造材料。必须将所测得的粉末颗粒群体与成品零件的加工历史联系起来。适当的评估可以将金相观察、图像分析和化学鉴定结合起来，然后考察所检测到的夹杂物是否与断裂起源或疲劳损伤位置重合。最终得到的是工程解释，而不是通用的洁净度评分。

如何在不同标准之间比较结果而不制造虚假的等价关系

洁净度评级是由规定试验产生的观测结果，而不是一种普适的材料等级。两个实验室可以对来自同一炉次的钢材进行检验并报告不同结果，而两者都不一定有误。差异可能源于图谱系列、试样截面、检验区域、放大倍数、夹杂物定义，或对尺寸较大但出现频率较低的颗粒的处理方式。

ASTM E45-25说明了这一点。该标准规定了四种宏观方法和五种显微方法，用于测定和报告轧制钢材中的夹杂物含量（ASTM International，2025）。其显微图谱法将夹杂物的形貌分为 A、B、C 和 D 类，分别对应硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化物的外观。这些字母并不是直接的化学鉴定结果。“A”级并不能证明每个颗粒都是硫化锰，正如在没有分析确认的情况下，“D”级也不能确定某一种特定的氧化物化学组成。

比较评级前应提出的问题

在将两个报告中的数值列入同一张表之前，应记录以下信息：

• 标准及版本： 结果是依据 ASTM E45-25、ISO 4967:2026、DIN EN 10247:2017、JIS G 0555:2020、SAE J422:201801，还是其他文件获得的？版本变更可能改变定义和操作程序。
• 产品形态及变形历史： 材料是轧制材、锻件、棒材、板材、粉末锻件，还是铸件？ISO 4967:2026适用于变形比至少为 3 的轧制或锻制产品。铸态产品或轻度加工产品不应被视为满足相同的取样依据。
• 试样取向： 截面是纵向、横向，还是厚度方向？加工会使许多夹杂物沿变形方向延长，因此同一种钢材在不同截面上可能显示出不同的长度和分布。
• 放大倍数及视场面积： ASTM E45参考图谱采用 100× 放大倍数，试样视场面积约为 0.50 mm²。基于其他放大倍数或检验面积获得的结果，并不自动具有等价性。
• 评级系列： 细系列和粗系列是否都可用，还是只报告了其中一个系列？粗系列观测所代表的总体阈值不同于细系列观测。
• 类别定义： ASTM E45采用 A 类硫化物、B 类氧化铝、C 类硅酸盐和 D 类球状氧化物图谱类型。相比之下，JIS G 0555:2020将 A 型定义为加工过程中因黏性变形形成的夹杂物，将 B 型定义为颗粒状且不连续的夹杂物，并将 C 型定义为无黏性变形、呈不规则分散的夹杂物。相同的字母并不具有相同的含义。
• 图像分析设置： 对于自动化分析，应记录阈值设定、分割规则、最小可检测尺寸、等效直径或面积的定义、相互接触颗粒的处理方式，以及是否排除了孔隙或划痕。
• 化学成分测量： 夹杂物成分是通过 SEM/EDS 测量的，还是仅依据反射光形貌得出的？总氧含量是整体材料的指标，并不能表示单个夹杂物的数量或身份。

位置同样重要。一群分散的小型氧化物与一个位于疲劳关键表面附近的夹杂物团簇，即使平均数量相近，也可能造成不同的工程后果。ASTM B796:2020针对用于粉末锻造的铁基粉末提出了相同的一般观点，指出成分、尺寸、分布和位置都会对接近全致密材料产生重要影响。

当图谱等级无法直接进行数值换算时

ASTM E45、ISO 4967、DIN EN 10247、JIS G 0555和 SAE J422 应被视为规定的试验方法，而不是换算表。ISO 4967:2026规定了使用参考图谱或图像分析的显微检验程序；DIN EN 10247:2017是德国和欧洲关于使用标准图片进行显微检验的标准。二者之间存在关联，并不意味着可以通过算术运算将 ISO 评级 1.0 换算为 DIN、ASTM 或 JIS 评级。

SAE J422:201801规定了用于定量测定洁净度的显微检验方法，但其显微照片并非用于重新加硫钢种或通常采用 ASTM E45 进行分类的高碳轴承质量钢。仅这一限制就足以排除通用换算规则。

图谱系统还会压缩信息。它们重点关注观测视场是否类似某一幅参考图片，而自动化分析则可以测量颗粒数量、面积、等效尺寸、长宽比和空间位置。ASCAT项目通过将单个夹杂物的尺寸和成分与其分布联系起来，展示了计算机控制扫描电子显微镜结合 X 射线分析的价值。这些是不同的测量结果，并不是同一评分的可互换版本。

超洁净轴承钢尤其能凸显这一问题。一项经过同行评审的 JIS 研究报告称，传统 ASTM 和 JIS 评级可能无法区分这类材料，因为检验视场中可见夹杂物很少。在这种情况下，以 √area 表示的最大夹杂物尺寸，并结合极值统计进行评估，可能比平均图谱等级提供更多信息。ASTM E2283-08(2019)与 ASTM E45-25 一同列于 ASTM E04.09 分委会的标准中，涉及此类极值分析。最大值估计并不是图谱评级的替代方法；它回答的是这样一个问题：“在更大的材料体积中，最大的夹杂物可能有多大？”

钢材洁净度数据的报告模板

一份具有可辩护性的报告应在呈现数值之前保留试验方法信息：

材料： 牌号、炉次、产品形态、截面尺寸和变形历史。 方法： 标准编号及版本；制样方法；试样取向；放大倍数；视场面积或扫描面积；视场的数量及选取方式。 评级： 图谱或图像分析系列；类别定义；按类别记录的观测评级，包括适用时的细系列/粗系列标识。 化学成分： 是否通过 SEM/EDS 或其他方法鉴定了夹杂物成分；只有在实际测量的情况下，才应报告 MnS、氧化铝、铝酸钙或硅酸盐等物相。 尺寸和分布： 数量、面积分数、尺寸指标、长宽比、团簇情况和位置。 极值： 观测到的最大尺寸、√area 定义、置信度方法，以及取样体积或面积。 解释： 应明确说明结果取决于所采用的方法；未经经过验证的相关性研究，不得将其换算为另一项标准的结果。

这种格式可以将观测评级与化学成分、尺寸分布和极值风险区分开来，而这些区别正是在比较数据时避免人为制造等价关系所必需的。

参考文献

1. [1]ASTM International. ASTM E45: Standard Practice for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e45
2. [2]ASTM International. ASTM E45 Adjunct Reference Charts for Inclusion Rating. ASTM International adjunct, 2025. https://store.astm.org/adje004502a.html