钢中有益稀土夹杂物诱导晶内铁素体形核基础研究

This study is based on the nucleation of intragranular ferrite induced by effective rare earth inclusions in steel, refining steel microstructure and finally improving the strength and toughness of steel. By means of thermodynamics, kinetics, solidification theory and classical nucleation theory together with modern analysis methods such as laser confocal scanning microscope, portable scanning electron microscope, SEM and TEM, the characteristics of inclusions in steel treated by rare earth element such as Ce and La, the formation conditions of effective rare earth inclusions and nucleation behavior of intragranular ferrite induced by the inclusions, the size distribution of the effective inclusions, the metallurgical conditions of obtaining the effective inclusions such as steel composition, cooling rate, heat treatment process and the size of austenite grain, the effect of inclusions and precipitations on refinement of microstructure of heat affected zone in welding process, and the steel properties are investigated systematically. This study can clarify the mechanism of rare earth oxide metallurgy and obtain the suitable controlling conditions of it, develop utilization of rare earth element in steel and oxide metallurgy technology.

本项目以有益稀土夹杂物诱导晶内铁素体（IGF）形核，细化钢组织，提高钢强韧性为背景，采用化学冶金和物理冶金相结合的方法，以冶金热力学、动力学、凝固偏析理论和形核理论为基础，借助高温激光共焦显微镜、钢中夹杂物大型试样原位分析系统、电镜（高分辨扫描电镜、透射电镜）等现代分析检测手段，系统研究钢中添加稀土元素（以Ce、La为主）处理后夹杂物的性态，有益稀土夹杂物的生成条件及诱导IGF形核的机理，有益夹杂物的有效尺寸范围，钢中有益夹杂物控制的冶金学条件（成分、冷速、热履历、奥氏体晶粒大小等），焊接过程夹杂物对细化焊接热影响区组织的行为以及稀土氧化物冶金对钢性能的影响。通过研究，掌握稀土氧化物冶金的理论规律和控制条件，为拓宽氧化物冶金技术的种类、拓展稀土在钢中的应用领域提供理论依据和技术支撑。

本项目系统研究了C-Mn钢添加稀土（Ce、La）处理后钢中夹杂物的性态（种类、结构、数量、尺寸等）、钢成分和热处理制度等对晶内针状铁素体形成的影响规律，明确了稀土处理C-Mn钢获得晶内针状铁素体组织的冶金控制条件，探索了有益稀土夹杂物诱导晶内针状铁素体形核的机理，考察了稀土处理对C-Mn钢基体力学性能及焊接热影响区组织和性能的影响规律。研究结果对掌握稀土氧化物冶金的理论规律和控制条件，拓展稀土在钢中的应用提供了理论依据和技术支撑。主要研究成果如下：（1）稀土处理C-Mn钢后可得到晶内针状铁素体组织，其最佳添加量约为0.02wt%，不同方式稀土处理时，La、Ce配比为3:1的复合添加有利于获得细小均匀的晶内针状铁素体组织。（2）钢中晶内针状铁素体形核的有效核心为RE2O2S与MnS的复合夹杂，尺寸主要在1~4 μm。钢液加入稀土后保温5 min，钢中尺寸在1~4 μm的夹杂物数量最多，有利于晶内针状铁素体的形成。（3）热处理过程中有利于晶内针状铁素体形成的最佳原始奥氏体晶粒尺寸约为150 μm，最佳冷速范围为2~8oC/s。C-Mn钢稀土处理后得到的夹杂物可阻止高温过程奥氏体晶粒的长大。（4）稀土处理C-Mn钢中C、Mn、Al、[O]和S含量对晶内针状铁素体形成的影响结果表明，可获得大量晶内针状铁素体组织的成分（wt%）范围为： 0.1%~0.18% C，0.75%~1.31% Mn，0.017%~0.032% RE，0.033%~0.038% S和0.0045%~0.0057% [O]。Al含量增高不利于稀土处理C-Mn钢中晶内针状铁素体组织的获得。（5）稀土处理后得到的晶内针状铁素体组织能够明显改善C-Mn钢的塑性与冲击性能。稀土处理15 mm厚C-Mn钢板在Δt8/5=600 s对应的大线能量热输入下仍能获得较多的晶内针状铁素体组织，提高焊接热影响区性能。