稀土原子在钢中的占位倾向及稀土钢的微合金化研究

The atomic radius of rare earth elements is about 50% larger than iron, so it is not easy to form a solid solution, and also to limit the amount of solid solution of the rare earth in steel. At the same time, the affinity between rare earth and sulfur or oxygen in steel is very strong, When the oxygen and sulfur in steel not reached the critical value of rare earth solid solution required, the vast majority of rare earth by add in steel became the rare earth inclusions, this is the biggest bottleneck of application for rare earth micro alloying steel. This study intends to use first principles, based on density functional theory (DFT), and combining the pseudo potentials of plane wave, to study the interaction between the basic element Fe and the rare earth element La, Ce in steel from the electronic structure level under a single system, to calculate the occupying tendency of Rare earth atoms inα-Fe、γ-Fe、δ-Fe, and explore its mechanism under the priority occupying mode, and then analyze the effect Rare earth elements on the macroscopic mechanical properties of steel, this will further improve the theoretical system of the mechanism and the state of rare earth atoms exist in the steel. At the same time, by use of abundant rare earth resources in Baotou, based on clean steel production conditions, guided by the theoretical calculation, to obtain the existence rule of rare earth in steel through the experimental research method, explored the critical condition of increasing solid solution content of rare earth in steel, This will lay the foundation for the application of rare earth as a micro alloying elements in steel.

稀土元素的原子半径比铁约大50 %，不易形成固溶体, 限制了稀土在钢中的固溶量。同时稀土和钢中氧硫的亲合力很强，在钢中氧和硫没有达到稀土固溶所要求的临界值时，加入的稀土绝大多数变成稀土夹杂物，这是造成稀土钢微合金化应用的最大瓶颈。本研究拟采用第一性原理，基于密度泛函理论 (DFT)，结合平面波赝势方法，在单一体系下, 从电子结构层次来研究钢中基本元素 Fe与稀土元素La、Ce等的交互作用，计算稀土原子在α-Fe 、γ-Fe、δ-Fe中的占位倾向, 并探究其在优先占位方式下的作用机理, 进而分析稀土元素对钢宏观力学性能的影响，进一步完善稀土原子在钢中存在状态与作用机理的理论体系。同时利用包头丰富的稀土资源，立足洁净钢的生产条件，以理论计算为指导，通过实验研究稀土在钢中的存在规律，探索增加稀土在钢中固溶量的临界条件，为稀土在钢中作为微合金化元素的应用奠定基础。

本项目采用理论计算结合实验研究的方法探究稀土元素Ce、Y对钢（海洋平台用钢、S32550双相不锈钢、X100 管线钢、TWIP钢、U75V重轨钢）力学性能及抗腐蚀性能的影响。通过第一性原理计算研究了Ce 在钢中的赋存状态，从固溶 Ce 及 Ce 夹杂物两个维度探讨了其对钢力学性能及耐腐蚀性能作用的微观机理。主要研究内容及结论如下： .基于密度泛函理论采用第一性原理计算研究了Ce原子在 α-Fe中的占位及钢中常见元素对Ce固溶的影响。结果表明，Ce 能够取代 Fe 原子占位于-Fe 超晶胞中，Cu、Mg、C的掺杂不利于Ce在Fe中的固溶，Si、Al、Ti、V、Co、W、Mo、Nb 对Ce的固溶起促进作用。Ce的掺杂降低了 Fe-Ce掺杂体系的不可压缩性、抗剪切应变的能力、刚度以及维氏硬度，但提高了体系的韧性以及可加工性。.形成焓计算结果表明，钢中优先并稳定存在的夹杂物为 Ce2O3、Ce2O2S、CeAlO3。Ce能够固溶于TiN夹杂物中，降低TiN夹杂物的刚性、不可压缩性以及硬度，同时改善其韧性、增大热膨胀系数。Ce2O3、CeAlO3夹杂的热膨胀系数与铁基体接近，而 Ce2O2S夹杂物的热膨胀系数比铁基体稍大，使钢基体塑性变形的一致性得到提升。.通过微区电化学检测手段对Ce夹杂物诱发点蚀萌生全过程进行原位观测，并采用第一性原理计算分析 Ce 夹杂物的腐蚀倾向，阐明了Ce夹杂物自身溶解是诱发腐蚀萌生的主要原因以及Ce在不同腐蚀场景中所扮演的角色，揭示了Ce对Fe阳极溶解行为及阴极吸氧反应的影响。.以TWIP钢、X100管线钢等钢种为研究对象，开展稀土Ce、Y对其显微组织、夹杂物、力学性能、热变形性能及耐腐蚀性能等影响的研究。实验结果表明钢中加入稀土可以起到细化晶粒的作用，还可将大尺寸、尖角状的 Al2O3和 MnS夹杂转变成小尺寸的球形稀土化合物夹杂，提高钢的低温冲击韧性，也有助于提高的钢抗腐蚀性能。