稀土對高碳鋼組織與性能的影響

劉立彪，龍 淵，楊文志，汪后明，李中平

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

大量研究表明，鋼中加入稀土，可以明顯改善鑄坯質量，提高鋼的韌塑性，改善鋼材橫向性能和低溫韌性。隨著稀土的綜合應用和研究工作的不斷深化，稀土鋼已經顯示出巨大的發展潛力[1-2]。我國稀土儲量居世界首位，人們應利用好稀土資源，提高稀土處理鋼的能力，提高我國鋼材的質量，使我國的稀土資源優勢轉化為鋼材品種和質量上的優勢?；诖?，本文研究稀土對高碳鋼的組織與性能的影響，這對提高稀土鋼的綜合性能，明確稀土在高碳鋼中的作用機理，促進稀土在鋼中的廣泛應用具有重要意義。

1 試驗材料與方法

試驗用稀土高碳鋼成分如表1所示。分別將編號為1、2、3的試驗鋼，加熱至1 150℃，1 130℃后開軋，終軋溫度＞850℃，軋后空冷的工藝軋制到15 mm厚的鋼板。借助金相顯微鏡、掃描電鏡等試驗儀器，觀察高碳鋼軋態珠光體組織的形貌，并采用截線法測定高碳鋼軋態珠光體的片層間距和球團尺寸，結合其軋態拉伸性能結果分析稀土對其組織與性能的影響。

表1 試驗鋼成分（質量分數，%）

2 試驗結果與討論

2.1 稀土對高碳鋼組織的影響

圖1為不同稀土含量的共析鋼軋態珠光體組織的掃描電鏡照片，共析鋼的軋態平衡組織為珠光體組織。

圖1 共析鋼軋態珠光體組織的SEM圖片

未添加稀土的共析鋼珠光體粗短彎曲，不規整，均勻性較差，測定其珠光體球團尺寸為12.80 μm，片層間距為0.176 μm；當稀土含量為0.014 5%左右時，共析鋼的珠光體片間距和滲碳體片層厚度最為細薄，均勻性較好，珠光體球團尺寸減小至8.55 μm，片層間距為0.150 μm；當稀土含量達到0.041 0%時，共析鋼的珠光體片層距和滲碳體片層厚度稍有增大，珠光體均勻性變差，此時珠光體球團尺寸達到15.9 μm，片層間距增大至0.185 μm。因此，添加適量稀土能夠細化共析鋼的軋態珠光體組織，稀土含量過高反而會使其軋態珠光體組織粗化。

2.2 稀土對高碳鋼性能的影響

由表2可知，微量稀土對高碳鋼的抗拉強度沒有顯著影響，能稍微提高其屈服強度，稀土含量過高反而會降低其抗拉強度和屈服強度，但整體來說，稀土對高碳鋼強度的影響程度較小。未添加稀土的高碳鋼的延伸率及斷面收縮率分別為11.17%和22.9%；當稀土含量為0.014 5%時，高碳鋼的延伸率及斷面收縮率均達到最大值，分別為12.48%和28.53%；當稀土含量達到0.041 0%時，延伸率及斷面收縮率顯著降低，分別為11.59%及26.04%。因此，適量稀土可以顯著提高碳鋼的塑性，稀土含量過高會使高碳鋼塑性降低。

表2 高碳鋼的拉伸性能指標

2.3 分析與討論

全珠光體鋼的屈服強度與珠光體片間距S0、球團直徑De以及原始奧氏體晶粒直徑Dr有關，這三個參數與屈服強度的關系可以用式1表示。

由式1可知，珠光體片間距對屈服強度起主要作用，球團直徑及奧氏體晶粒直徑對屈服強度影響不大。稀土可通過細晶強化、固溶強化以及促進第二相的彌散析出等作用來影響鋼的強度。稀土對鋼的強度影響作用具有兩面性，稀土對鋼強度的影響與其在鋼中含量及存在形態相關，因此稀土對鋼強度的影響有限，無論是提高強度還是降低強度，其幅度都不大[4]，這與本試驗結果較為相符。

珠光體鋼的塑性主要與珠光體片層間距、珠光體球團尺寸及奧氏體晶粒度有關，其中珠光體片層間距為主要控制因素[5]。片狀珠光體由鐵素體片和滲碳體片交替組成。當珠光體受外力拉伸時，塑性變形基本發生在鐵素體片內，而滲碳體片層有阻止位錯滑移運動的作用，且滑移的最大距就等于片間距，片間距變小，鐵素體和滲碳體會變細變薄，單位體積鋼內的鐵素體和滲碳體的相界面越多，對位錯的運動阻礙作用越大，塑性變形抗力越大。高碳鋼中加入微量稀土元素，稀土元素減緩了碳在奧氏體中的擴散速度，增加了珠光體相變的激活能，降低了珠光體相變的速度，從而使相變完成時間延長，減小珠光體片間距。因此，加入適量的稀土可以減小高碳鋼珠光體的片層間距，從而提高其塑性。

如前所述，未添加稀土的高碳鋼珠光體片間距為0.176 μm，珠光體片間距較大，相應塑性也較差；而稀土含量為0.014 5%的高碳鋼珠光體片間距為0.150 μm，珠光體片間距最小，相應其斷面收縮率及延伸率均達到最大值；稀土含量為0.041 0%的高碳鋼珠光體片層間距較小，為0.185 μm，相應其塑性下降。這表明，在本試驗條件下，高碳鋼的塑性主要由珠光體片間距決定。

3 結論

在高碳鋼中加入適量的稀土可顯著減小軋態珠光體球團尺寸和珠光體片層間距，過量的稀土可增大珠光體球團尺寸和珠光體片層間距。在高碳鋼中加入0.014 5%的稀土對其抗拉強度沒明顯影響，可提高其屈服強度；含量0.041 0%稀土反而降低高碳鋼的抗拉強度和屈服強度。高碳鋼中加入0.014 5%的稀土可以顯著提高其塑性，延伸率和斷面收縮率均達到最大值，分別為12.48%和28.53%；含量為0.041 0%的稀土會降低高碳鋼的塑性。

1 余宗森，盧先利.我國稀土在鋼中應用的進展和前景[J].稀土信息，200l，（10）：4-5.

2 周惦武，彭 平，徐少華，等.稀土元素在鋼中的應用與研究[J].鑄造設備研究，2004，（3）：35-38.

3 J M Hzak and I M Bernstein.The Role of Microstructure on the Strength and Toughness of Fully Pearlitic Steels[J].Metallurgical Transactions A，1976，7（8）：1217-1224.

4 Ishiguro M，Ito M，Osuga T.Effects of Rare Earth Elements on Properties of High Quality Ingots[J].etsu-to-Hagane，2010，62（7）：827-835.

5 姜茂發，王 榮，李春龍.鋼中稀土與鈮、釩、鈦等微合金元素的相互作用[J].稀土，2003，24（5）：1-3.