稀土元素對中碳鋼沖擊韌性的影響

尹樹春

(河鋼集團唐鋼公司 市場部，河北 唐山 063016)

0 引言

沖擊韌度在于揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對外來沖擊負(fù)荷抵抗能力的指標(biāo)。中碳鋼是一種廣泛用于制造工具、模具的普通碳素鋼，在使用時除需要具有足夠的強度、硬度外，還應(yīng)具有良好的沖擊韌性。提高材料的純凈度、細(xì)化其凝固組織、減少鋼中夾雜物是提高鋼鐵材料強度和韌性的有效方法[1-2]。在鋼液精煉過程中添加稀土(RE)元素，可細(xì)化鋼的凝固組織，改變夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)和分布，是改善鋼材綜合性能的有效手段之一[3]。因此，本文在中碳鋼S50C中加入稀土元素，探討稀土元素對中碳鋼沖擊韌性的影響，以便為中碳鋼大生產(chǎn)提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗方法

本研究采用大生產(chǎn)的S50C鋼(C 0.50%，Si 0.30%，Mn 0.80%，S和P≤0.020%，其他元素微量)為主原料，在氬氣保護條件下，將6 kg的鋼坯料在真空感應(yīng)爐中分別熔煉2爐，其中一爐不添加稀土，另一爐在出鋼前1 min從真空加料倉向鋼液中添加稀土合金。調(diào)節(jié)爐的輸出功率，把鋼液溫度調(diào)節(jié)到1 823 K，采用無氧化重力鑄造方法，澆鑄成Φ40×300 mm的試樣，并隨爐冷卻至室溫，然后把試樣加熱到1 373±20 K，用空氣錘鍛造成直徑20 mm棒材試樣(終鍛溫度1 023～1 123 K，鍛后在空氣中自然冷卻)。

從鑄棒上取樣，使用SPARKLAB火花原子放射光譜儀分析試樣中常量元素的化學(xué)成分；利用721分光光度計分析鋼中稀土元素La的含量。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量，%)

按GB/T229-2007標(biāo)準(zhǔn)在鍛棒上取樣，制取10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣，每爐材料做3個試樣。分別在JB-30B沖擊試驗機上測定試樣的室溫沖擊功，然后取平均值。

采用JSU-6700F型掃描電鏡(SEM)和EDAXGENESIS型能譜儀(EDS)觀察試樣沖擊斷口進(jìn)行斷裂機理分析，并配合金相和夾雜分析，研究微量稀土元素對S50C鋼室溫沖擊韌性的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖擊試驗

表2為零添加稀土元素的No.1試樣和添加稀土元素的No.2試樣的沖擊試驗數(shù)據(jù)。從表2數(shù)據(jù)可以看出，對于S50C鋼添加稀土元素的試樣比零添加的試樣沖擊功增加了0.45倍，說明沖擊韌性有明顯提高。

2.2 斷口形貌的變化

圖1(a)和圖1(b)分別為No.1試樣和No.2試樣的沖擊斷口低倍掃描圖形貌。No.1試樣和No.2試樣沖擊斷口均由許多小晶面組成，這些小晶面大小與晶粒尺寸相對應(yīng)，在小晶面上存在“河流”花樣，斷裂是沿一組平行的解理面進(jìn)行，在不同高度呈臺階狀，并且裂紋兩端都終止于晶界或亞晶界，試樣在晶界處發(fā)生整體快速斷裂。通過以上分析可以斷定S50C鋼的缺口沖擊斷裂是非常典型的解理斷裂。

(a)0.000 0%[RE]，(b)0.003 5%[RE]圖1 S50C鋼試樣的缺口沖擊斷口掃描照片

2.3 對晶粒尺寸的影響

圖2是鋼試樣經(jīng)鍛造空冷后用金相顯微鏡觀察的微觀低倍組織照片，從中可見含稀土元素的No.2試樣晶粒尺寸小于未含稀土元素的No.1試樣。這主要是由于稀土元素在鋼中以固溶體和夾雜物形式存在，且稀土原子半徑比鐵原子半徑大40%以上，不能形成代位固溶體，只能存在于晶界、位錯等缺陷處。在鐵液凝固過程中，稀土原子被固/液界面推移，最后富集于枝晶間或晶界處，降低界面能，阻塞擴散通道，降低原子擴散速度[4]，從而抑制了鐵液凝固過程中晶粒的長大，細(xì)化了原始晶粒尺寸。另外稀土元素性質(zhì)活潑，加入到鋼中形成硫化物及氧化物夾雜可作為晶核，實現(xiàn)晶粒細(xì)化[5]。

圖2 不同稀土含量的S50C鋼試樣的金相照片

按照Cottrell基于位錯理論提出的解理裂紋形成模型，得出的解理裂紋形成所需應(yīng)力為[6]：

σc=[4Gγ/d]1/2。

其中，G為切變彈性模量，γ為材料表面能，d為晶粒尺寸。

從上式可以看出晶粒尺寸越小，解理裂紋形成所需應(yīng)力越大，材料越不容易形成裂紋。并且，晶粒越細(xì)，晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播，從而在斷裂過程中可以吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性。

另外從圖2中還可看出，在該試驗條件下，兩爐鋼試樣的顯微組織均為大量烏云狀的珠光體+少量白色的鐵素體。含稀土元素的No.2試樣的珠光體晶粒尺寸明顯小于不含稀土元素的No.1試樣，并且No.2試樣白色區(qū)域明顯增多，可以斷定鋼中加入稀土元素后珠光體總體積明顯減少。這可能是因為添加的稀土減小了鋼液的臨界形核功，增加了非均勻形核數(shù)量，并且稀土元素和碳相互作用，降低了碳的活度，增大了鐵素體的溶碳能力[7]，從而導(dǎo)致珠光體量減少，軟相的鐵素體組織增多，且連成網(wǎng)狀，直接降低了鋼的彈性變形功和塑性變形功。

2.4 對鋼中夾雜物的影響

根據(jù)缺口沖擊試樣的載荷-撓度曲線，可將沖擊斷裂過程分為彈性變形、塑性變形和裂紋形成及裂紋擴展等階段[8]，其中裂紋的形成和擴展與夾雜物和晶粒邊界有關(guān)。在切應(yīng)力作用下，塑性變形階段，位錯源產(chǎn)生的大量位錯沿著滑移面運動，遇到非金屬夾雜物的阻礙，形成位錯的平面塞積群，在障礙物的前端形成高度應(yīng)力集中。

在外力相同的情況下，帶棱角的夾雜物尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度要比球形夾雜物產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度高出許多，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到夾雜物與鋼基體的界面結(jié)合強度時，便導(dǎo)致界面脫離，形成裂紋。

圖3(a)和圖3(b)分別為No.1試樣和No.2試樣的沖擊斷口典型SEM掃描形貌及EDS譜。

(a)0.000 0%[RE]，(b)0.003 5%[RE]圖3 S50C鋼試樣沖擊斷口SEM形貌及EDS譜

由圖3可知，未含稀土元素的No.1試樣中有帶棱角的幾乎無塑性的約5 μm的Al2O3-SiO2夾雜物(圖3(a)中A點)，當(dāng)試樣受沖擊時，在切應(yīng)力的作用下位錯沿滑移面運動，當(dāng)遇到A點夾雜物時，在棱角的前端會形成高應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致在鋼材基體/夾雜物界面萌生裂紋，裂紋發(fā)展時依靠裂紋尖端的應(yīng)力集中和彈性能的積累，不發(fā)生或只發(fā)生很小的塑性變形，而且裂紋擴張的速度極快，由此降低了試樣的沖擊韌性。當(dāng)裂紋越過這類夾雜物時，夾雜物與基體之間看不出任何變形，只有基體與夾雜物脆性斷開。

而在含稀土元素的No.2試樣中則含有細(xì)小圓滑的尺度3 μm左右的球形稀土復(fù)合夾雜物(圖3(b)中B點)，當(dāng)試樣受沖擊時，在切應(yīng)力的作用下位錯沿滑移面運動遇到B點夾雜物，因其尺度小、曲率半徑大降低了鋼材基體/夾雜物界面微區(qū)的應(yīng)力集中程度，減緩了裂紋的萌生和擴展，由此提高了材料的沖擊韌性。圖3(b)顯示在基體/夾雜物之間均存在一定的縫隙，并且在試樣斷裂時夾雜物發(fā)生了一定程度的形變，這說明在稀土夾雜物徹底與基體脫離之前，夾雜物周圍吸收了大量的能量，夾雜物與基體的塑性變形，是由于稀土夾雜與基體之間很強的結(jié)合性所致。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)中碳鋼S50C試樣中含有0.003 5%(mas%)稀土元素時，其抗沖擊性能明顯提高，且與未含稀土元素的試樣相比，沖擊功增加了0.45倍。

(2)稀土元素對S50C鋼明顯有細(xì)化晶粒的作用，并且珠光體數(shù)量減少，軟相的鐵素體組織增多，且連成柔性的網(wǎng)狀。

(3)稀土元素對S50C鋼的夾雜物有變性作用，可將多面形的夾雜物改變?yōu)槌叽绺〉那蛎嫘螉A雜物。