混合稀土元素對HRB400 鋼組織及拉伸性能的影響

朱福生，陳榮春，楊宇鵬，李春紅，廖志金，劉燕平，汪志剛

（1.江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000；2.江西省重稀土冶金工業(yè)添加劑工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000；3.龍南龍釔重稀土科技股份有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

HRB400E 螺紋鋼具有高的屈服強(qiáng)度、優(yōu)良的低周疲勞性能以及抗震性能，被廣泛應(yīng)用于高層和抗震建筑領(lǐng)域[1]。近年來，我國對螺紋鋼的需求量越來越大[2]，且對其綜合性能的要求越來越高，需要具備良好的組織均勻性以及較好的拉伸性能。添加微合金元素是發(fā)展高強(qiáng)度鋼筋最好的方法之一。以往均認(rèn)為釩是最適合添加的微合金元素[3]，但是隨著釩市場價(jià)格在不斷上漲，有必要開發(fā)出新的微合金元素。

稀土（RE）不僅有凈化鋼液、改性夾雜等有利影響，而且存在較為明顯的微合金化作用[4-6]。由于稀土降低了碳在鐵素體中的活度，增大了鐵素體的溶碳能力，改變了鐵素體與珠光體的相對含量，并減小了碳錳純凈鋼中片狀珠光體的片層間距，從而提高其強(qiáng)度、塑性等綜合力學(xué)性能[7]。楊吉春等發(fā)現(xiàn)向X80 管線鋼中添加微量Ce 可以使多邊形的鐵素體演變?yōu)獒槧畈⑹咕ЯＷ兊眉?xì)小狹長，阻礙裂紋擴(kuò)展；粒狀貝氏體更加細(xì)小，彌散分布于晶內(nèi)和晶界，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致強(qiáng)韌性的提高，同時(shí)微量稀土將長條狀的MnS 夾雜變?yōu)轭悪E圓形的稀土夾雜且尺寸更小，有效減少受力時(shí)的應(yīng)力集中，提高鋼材的綜合力學(xué)性能[8]。王波等發(fā)現(xiàn)向AH36 船板鋼中添加微量稀土Ce 后，凝固組織中鐵素體的晶粒明顯被細(xì)化，基體中珠光體組織的分布相對變得更加均勻，同時(shí)斷口韌窩中原來的塊狀?yuàn)A雜被改性為球狀稀土夾雜，夾雜的分布也變得更加均勻[9]。除了添加稀土元素外，曹磊等添加合金元素Nb，發(fā)現(xiàn)其在HRB400鋼中的共析相變前和相變中與碳結(jié)合后在位錯(cuò)區(qū)密集析出Nb（C,N）沉淀相粒子，使得位錯(cuò)區(qū)貧碳，促進(jìn)針狀鐵素體的形成，同時(shí)位錯(cuò)區(qū)周圍的固溶鈮可以抑制碳原子的擴(kuò)散，推遲鐵素體-珠光體相變，從而更容易得到針狀鐵素體。鋼材初始屈服時(shí)，針狀鐵素體不能與鐵素體基體協(xié)同變形[10]。當(dāng)應(yīng)變不斷增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，使得應(yīng)力-應(yīng)變曲線中不出現(xiàn)屈服平臺(tái)。

為了一定程度減少釩的使用而節(jié)約鋼筋的生產(chǎn)成本，并且保證鋼筋的力學(xué)性能滿足使用需求，以添加不同稀土含量的HRB400 鋼為研究對象，系統(tǒng)研究了混合稀土（La 10%、Ce 90%，指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對HRB400 顯微組織以及拉伸性能的影響，為REHRB400 的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并使其滿足房屋、橋梁等實(shí)際應(yīng)用需求。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用鋼取自南方某鋼廠生產(chǎn)的鋼筋，其牌號(hào)為HRB400E，直徑為13.5 mm，試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分如表1 所列。該熱軋鋼筋在生產(chǎn)過程中熱軋后采用空冷的方式冷卻到室溫。其一般生產(chǎn)工藝流程為：氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄→熱送→加熱→軋制→冷床冷卻→剪切→成品檢驗(yàn)→收集、打包→稱重并吊牌→入庫。

表1 HRB400E 螺紋鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of HRB400E thread steel 單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

混合稀土采用鑭鈰混合金屬絲或合金，通過喂線設(shè)備在連鑄結(jié)晶器處加入。為了改進(jìn)稀土外層包裹鋼帶和改善連鑄渣對稀土吸收率的影響，包芯線中間層加入預(yù)熔渣粉料，其示意圖如圖1 所示。

圖1 稀土包芯線示意Fig.1 Schematic diagram of rare earth cored wire

借助蔡司Sigma 型場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織以及拉伸斷口形貌。針對其硬度及拉伸性能進(jìn)行了測試，并借助UTM/CMT5105 系列（精密）電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，速度為2 mm/min。拉伸試樣沿軋向取標(biāo)距為25 mm 的拉伸試樣各2 個(gè)，試樣尺寸遵循GB/T228.1—2010 國家標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸如圖2 所示。并利用Image-Pro 軟件統(tǒng)計(jì)了珠光體體積分?jǐn)?shù)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣尺寸Fig.2 Standard tensile specimen size

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼力學(xué)性能的影響

圖3 所示為不同稀土含量HRB400 鋼的硬度和拉伸性能測試結(jié)果。由圖3（a）可知，試樣邊部硬度與心部維氏硬度差值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，且試樣鋼邊部硬度均低于心部硬度。并且對于0.045RE 鋼來說，無論是心部還是邊部的硬度，均大于0.025RE，稀土含量的增加使得鋼整體硬度上升。由試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3（b））可知，試樣在拉伸過程均出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，拉伸曲線中出現(xiàn)了屈服平臺(tái)區(qū)。由表2 數(shù)據(jù)可知，稀土含量的增加使得抗拉強(qiáng)度、上屈服點(diǎn)以及下屈服點(diǎn)的增加，但同時(shí)降低了螺紋鋼的延伸率以及斷面收縮率。

圖3 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of test steels

表2 試驗(yàn)鋼的拉伸性能Table 2 Tensile properties of test steels

2.2 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼組織的影響

圖4 所示為試樣橫斷面邊部（基圓表層部分）和心部（基圓1/2 直徑處）的光學(xué)組織。由圖4 可知，試樣邊部與心部組織均由塊狀鐵素體（白色區(qū)域）以及珠光體（黑色區(qū)域）組成。如圖4（a）和圖4（b）所示，稀土含量的增加對鐵素體晶粒存在一定的細(xì)化作用，組織都較為均勻。并且鐵素體晶粒出現(xiàn)一種細(xì)長的表現(xiàn)，呈現(xiàn)一定程度的條狀趨勢，具備一定的方向性。相較于稀土含量增加對心部組織的影響，稀土對邊部組織也存在類似的影響。如圖4（c）和圖4（d）所示，稀土含量的增加對心部鐵素體組織存在一定的細(xì)化作用。圖4（e）和圖4（f）為RE-HRB400E 鋼縱截面的光學(xué)組織。試樣沿軋制方向均出現(xiàn)了鐵素體和珠光體交替相間的帶狀組織，且以鐵素體帶為主。此外，稀土含量的增加細(xì)化了鐵素體帶。這可能是由于鋼液中彌散分布的高熔點(diǎn)稀土氧硫化物提供了異質(zhì)形核的核心，同時(shí)稀土原子易偏聚于晶界，抑制了C 原子的擴(kuò)散，該方式在一定程度上極大地減輕了帶狀組織嚴(yán)重程度，但這并未從根本上消除帶狀組織[11-13]。屈服強(qiáng)度很大程度上取決于基體的晶粒尺寸以及析出相的尺寸和類型[14-16]。晶粒細(xì)化能增加小角度晶界比例，對運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的阻礙效應(yīng)更大，增加鋼材的變形抗力，從而改善鋼材的屈服強(qiáng)度[17-18]。另一方面晶界可以將塑性變形限制在一定范圍內(nèi)使塑性變形更加均勻而改善塑性，且能一定程度上抑制裂紋的擴(kuò)展而使得材料的韌性得到改善[19]。隨著稀土含量的增加，組織更為均勻，其強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能也隨之改善，但由于條狀的珠光體造成性能的不均勻性，使力學(xué)性能具有一定的方向性。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼的光學(xué)組織Fig.4 Optical microstructure of experimental steels

圖5 所示為片層狀珠光體的形貌圖，結(jié)果表明試樣珠光體組織均表現(xiàn)為鐵素體（F）基體和Fe3C 片交替相間的層片狀。以同一直徑做圓測得0.025RE 鋼珠光體片層間距為（0.23±0.014）μm，0.045RE 珠光體片層間距為（0.18±0.021）μm，0.045RE 鋼的珠光體片層間距更小。分析表明，珠光體的片間距越小，其強(qiáng)度和硬度值會(huì)一定程度地增加，塑性也會(huì)變好，這主要是因?yàn)楫?dāng)F和Fe3C 片變得更薄時(shí)，組織中的相界面會(huì)變多，鋼的塑性變形抗力因此而增大，使得強(qiáng)度上升。并且滲碳體片變薄后，變形會(huì)變得更容易，不容易發(fā)生脆性斷裂，使鋼的塑性變形能力變好，即塑性得到改善。

圖5 不同成分實(shí)驗(yàn)鋼的SEM 像Fig.5 SEM images of experimental steels with different compositions

珠光體體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)如圖6 所示，結(jié)果表明0.045RE 鋼珠光體的體積分?jǐn)?shù)相對0.025RE 鋼更多，因?yàn)殍F素體屬于軟韌相，而滲碳體屬于硬脆相，這使珠光體的強(qiáng)硬度相對于鐵素體更高，隨著珠光體增多，強(qiáng)硬度也增大。層間距的任何變化都將與固溶體中的元素如何決定碳的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化率相關(guān)[20]。從這個(gè)意義上講，稀土在固溶體中的存在可能會(huì)起到重要的作用。在珠光體中，滲碳體富含碳，而鐵素體只容納很少的碳。因此，在珠光體生長過程中，碳需要在相變前沿的這兩個(gè)相之間重新分配。到目前為止，關(guān)于稀土元素對珠光體轉(zhuǎn)變的影響仍不明確。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解稀土對細(xì)化珠光體片層間距的潛在作用。通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)稀土原子與碳原子在第二配位層至第五配位層存在著親和作用[21]。這可能會(huì)降低珠光體生長過程中碳原子的擴(kuò)散系數(shù)[22]，從而影響珠光體的片層間距。

圖6 珠光體體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Pearlite volume fraction statistics

2.3 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼拉伸斷口形貌的影響

圖7 所示為試驗(yàn)鋼的拉伸斷口SEM 圖，試驗(yàn)鋼斷裂方式為韌性斷裂。斷口處存在大量韌窩，并且韌窩處有大量細(xì)小的球狀稀土夾雜物。在稀土夾雜物和韌窩之間存在較大的空隙，為斷裂過程中提供了可塑性變形的空間[23]。其中，0.025RE 鋼的斷口出現(xiàn)了較大且分布不均的孔洞，而0.045RE 鋼的孔洞數(shù)量更少，尺寸相對更小。隨著稀土含量的增加，韌窩的數(shù)量減少，深度降低。因此，0.045RE 鋼的延伸率和斷面收縮率也隨之降低。

圖7 不同成分實(shí)驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology of experimental steels with different compositions

3 結(jié)論

1）稀土元素含量的增加，一方面細(xì)化了鐵素體晶粒尺寸，一定程度減輕了帶狀組織分布，另一方面增加了珠光體的體積分?jǐn)?shù)，細(xì)化了珠光體的片層間距。

2）稀土元素含量的增加，增加了螺紋鋼的上、下屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度增加約11 MPa，但由于韌窩的數(shù)量及深度減少導(dǎo)致其延伸率下降約4%。