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(fā)展?jié)摿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(yōu)勢轉化為鋼材品種和質量上的優(yōu)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(tài)珠光體組織的形貌，并采用截線法測定高碳鋼軋態(tài)珠光體的片層間距和球團尺寸，結合其軋態(tài)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(shù)，%）

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(tài)珠光體組織的掃描電鏡照片，共析鋼的軋態(tài)平衡組織為珠光體組織。

圖1 共析鋼軋態(tài)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(guī)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(tài)珠光體組織，稀土含量過高反而會使其軋態(tài)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(shù)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(tài)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(fā)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(tài)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(fā)，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.