钇基稀土微合金化高强船板钢夹杂物改性及冲击性能优化机理研究

High strength shipbuilding steel must possess excellent low-temperature impact property due to the harsh service condition.Y-base rare earth micro-alloying is the effective measures that obtained good combination of strength and toughness.In this project, the idea of modify inclusions by Y-base rare earth is proposed. On the basis of oxide metallurgy, shipbuilding steel will implementation reinforcing and toughening by means of TMCP process. This project studies the interaction between Y-base rare earth and O, S atoms，and determines the genesis sequence and transformation conditions of Y-base rare earth inclusions by construction spatial precipitation diagram. Then analysing the existing forms, structure and phase composition of rare earth inclusions in molten steel by experimental study based on theoretical research to verify the formation and deprivation conditions of rare earth inclusions ,definituding the mechanism of Y-base rare earth modifies inclusions and oxide metallurgy. At last, studing the evolution rule of rare earth inclusions and tissues in the process of TMCP, establishing relationship among inclusions, tissues and impact property, revealing the micro-alloying mechanism of Y-base rare earth,illustrating the mechanism of Y-base rare earth improving the impact property. This project takes full advantage of rare earth resources in south Jiangxi area that providing theoretical basis and experimental reference for industrial production of high strength and low temperature impact resistant shipbuilding steel.

高强船板钢因较苛刻的服役条件而需具备良好的低温冲击韧性，钇基稀土微合金化是获得其强度与韧性良好配合的有效措施。本项目拟采用钇基稀土改性高强船板钢中夹杂物，在发挥“氧化物冶金”的有效作用前提下，借助于控轧控冷（TMCP）工艺实现船板钢的增强增韧。基于稀土夹杂物的平衡态热力学计算，深入研究钇基稀土与O、S原子间的交互作用，构建稀土夹杂物空间析出图确定夹杂物的生成顺序及相互转化条件。在此理论研究基础上，通过试验研究分析稀土夹杂物在钢中的存在形态、结构和相组成，探明稀土夹杂物的形成与脱除条件，明确钇基稀土改性夹杂物及钇基稀土氧化物冶金的作用机理。通过研究TMCP过程中稀土夹杂物和组织结构的演变规律，建立高强船板钢中夹杂物-组织-冲击韧性的内在联系，揭示钇基稀土微合金化的作用机制，阐明高强船板钢冲击性能优化机理，充分发挥赣南地区重稀土资源优势，为高强度耐低温冲击船板钢的工业化生产提供理论依据和实验。

本项目以高强度船板E36钢为研究对象，通过基础理论分析、第一性原理计算、实验室试验和工业性试验等系统研究，重点开展了钇基稀土对E36钢中夹杂物行为规律的影响和优化高强船板钢冲击性能的机理研究工作。通过热力学计算可得，在RE-O-S体系中，稀土化合物的生成顺序为：稀土氧化物、稀土硫氧化物、稀土硫化物，且稀土化合物一般以多种形式复合存在。通过第一性原理计算表明，Y倾向于偏聚在α-Fe晶界区，Y在α-Fe晶界为韧性掺杂元素，可以增强晶界的结合。钇基稀土改性了E36钢中的夹杂物及细化了夹杂物尺寸。无稀土处理的常规E36钢板中的夹杂物主要是CaO、Al2O3等金属夹杂物和MnS夹杂物，稀土处理后，E36RE钢中夹杂物改性为稀土复合夹杂物。同时，常规E36钢横向夹杂物主要为20μm左右的长条状MnS夹杂物，E36RE钢中夹杂物主要为小于5μm以内的球状稀土复合夹杂物。此外，添加稀土后，E36RE钢板形成了许多细小的（≦3μm）球状或类球状稀土夹杂物，占夹杂物总数的91.95 %，弥散分布于钢中。稀土处理后，E36RE钢-80℃时纵向冲击功值由78.7 J增加到271.6 J，提高了245.1 %；横向冲击功值由31.8 J增加到146.8 J，提高了361.6 %；纵横向冲击功比值由2.47降低为1.85，低温冲击韧性和及其等向性均得到显著改善。稀土添加使得E36钢-80℃时的冲击断口由塑性的解理断口转变为韧窝断口，并且在韧窝的底部有少量的细小球状稀土氧硫复合夹杂物，这些细小球状的夹杂物在承受冲击荷载时，不会产生明显的应力集中，只有在较大的应变力作用下，才以夹杂物/基体界面分离的方式形核生成空穴，成为韧窝；当裂纹扩展至稀土夹杂物边缘时，必须绕过夹杂物，这样增大了裂纹扩展合并的路径，对冲击韧性有很好的改善作用。综合对比不同稀土含量下E36船板钢的冲击性能，可以得出钢中稀土含量为0.020 %时，E36钢能得到最佳的低温冲击性能。项目资助共发表学术论文11篇，其中SCI/EI论文检索7篇；培育优势团队1个，青年教师2名；培养与项目内容相关在读博士研究生1名，已毕业硕士研究生3名，另有3名硕士研究生参与本项目实验研究工作；授权发明专利2项，申请发明专利1项；申请立项制定国家标准1项。项目投入经费40.0万元，支出21.7161万元，各项支出基本与预算相符；剩余经费18.2839万元，