劉立彪，龍 淵，楊文志，汪后明，李中平

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

大量研究表明，鋼中加入稀土，可以明顯改善鑄坯質(zhì)量，提高鋼的韌塑性，改善鋼材橫向性能和低溫韌性。隨著稀土的綜合應(yīng)用和研究工作的不斷深化，稀土鋼已經(jīng)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿1-2]。我國稀土儲量居世界首位，人們應(yīng)利用好稀土資源，提高稀土處理鋼的能力，提高我國鋼材的質(zhì)量，使我國的稀土資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為鋼材品種和質(zhì)量上的優(yōu)勢。基于此，本文研究稀土對高碳鋼的組織與性能的影響，這對提高稀土鋼的綜合性能，明確稀土在高碳鋼中的作用機(jī)理，促進(jìn)稀土在鋼中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用稀土高碳鋼成分如表1所示。分別將編號為1、2、3的試驗(yàn)鋼，加熱至1 150℃，1 130℃后開軋，終軋溫度＞850℃，軋后空冷的工藝軋制到15 mm厚的鋼板。借助金相顯微鏡、掃描電鏡等試驗(yàn)儀器，觀察高碳鋼軋態(tài)珠光體組織的形貌，并采用截線法測定高碳鋼軋態(tài)珠光體的片層間距和球團(tuán)尺寸，結(jié)合其軋態(tài)拉伸性能結(jié)果分析稀土對其組織與性能的影響。

表1 試驗(yàn)鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 稀土對高碳鋼組織的影響

圖1為不同稀土含量的共析鋼軋態(tài)珠光體組織的掃描電鏡照片，共析鋼的軋態(tài)平衡組織為珠光體組織。

圖1 共析鋼軋態(tài)珠光體組織的SEM圖片

未添加稀土的共析鋼珠光體粗短彎曲，不規(guī)整，均勻性較差，測定其珠光體球團(tuán)尺寸為12.80 μm，片層間距為0.176 μm；當(dāng)稀土含量為0.014 5%左右時(shí)，共析鋼的珠光體片間距和滲碳體片層厚度最為細(xì)薄，均勻性較好，珠光體球團(tuán)尺寸減小至8.55 μm，片層間距為0.150 μm；當(dāng)稀土含量達(dá)到0.041 0%時(shí)，共析鋼的珠光體片層距和滲碳體片層厚度稍有增大，珠光體均勻性變差，此時(shí)珠光體球團(tuán)尺寸達(dá)到15.9 μm，片層間距增大至0.185 μm。因此，添加適量稀土能夠細(xì)化共析鋼的軋態(tài)珠光體組織，稀土含量過高反而會使其軋態(tài)珠光體組織粗化。

2.2 稀土對高碳鋼性能的影響

由表2可知，微量稀土對高碳鋼的抗拉強(qiáng)度沒有顯著影響，能稍微提高其屈服強(qiáng)度，稀土含量過高反而會降低其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，但整體來說，稀土對高碳鋼強(qiáng)度的影響程度較小。未添加稀土的高碳鋼的延伸率及斷面收縮率分別為11.17%和22.9%；當(dāng)稀土含量為0.014 5%時(shí)，高碳鋼的延伸率及斷面收縮率均達(dá)到最大值，分別為12.48%和28.53%；當(dāng)稀土含量達(dá)到0.041 0%時(shí)，延伸率及斷面收縮率顯著降低，分別為11.59%及26.04%。因此，適量稀土可以顯著提高碳鋼的塑性，稀土含量過高會使高碳鋼塑性降低。

表2 高碳鋼的拉伸性能指標(biāo)

2.3 分析與討論

全珠光體鋼的屈服強(qiáng)度與珠光體片間距S0、球團(tuán)直徑De以及原始奧氏體晶粒直徑Dr有關(guān)，這三個(gè)參數(shù)與屈服強(qiáng)度的關(guān)系可以用式1表示。

由式1可知，珠光體片間距對屈服強(qiáng)度起主要作用，球團(tuán)直徑及奧氏體晶粒直徑對屈服強(qiáng)度影響不大。稀土可通過細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及促進(jìn)第二相的彌散析出等作用來影響鋼的強(qiáng)度。稀土對鋼的強(qiáng)度影響作用具有兩面性，稀土對鋼強(qiáng)度的影響與其在鋼中含量及存在形態(tài)相關(guān)，因此稀土對鋼強(qiáng)度的影響有限，無論是提高強(qiáng)度還是降低強(qiáng)度，其幅度都不大[4]，這與本試驗(yàn)結(jié)果較為相符。

珠光體鋼的塑性主要與珠光體片層間距、珠光體球團(tuán)尺寸及奧氏體晶粒度有關(guān)，其中珠光體片層間距為主要控制因素[5]。片狀珠光體由鐵素體片和滲碳體片交替組成。當(dāng)珠光體受外力拉伸時(shí)，塑性變形基本發(fā)生在鐵素體片內(nèi)，而滲碳體片層有阻止位錯(cuò)滑移運(yùn)動的作用，且滑移的最大距就等于片間距，片間距變小，鐵素體和滲碳體會變細(xì)變薄，單位體積鋼內(nèi)的鐵素體和滲碳體的相界面越多，對位錯(cuò)的運(yùn)動阻礙作用越大，塑性變形抗力越大。高碳鋼中加入微量稀土元素，稀土元素減緩了碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增加了珠光體相變的激活能，降低了珠光體相變的速度，從而使相變完成時(shí)間延長，減小珠光體片間距。因此，加入適量的稀土可以減小高碳鋼珠光體的片層間距，從而提高其塑性。

如前所述，未添加稀土的高碳鋼珠光體片間距為0.176 μm，珠光體片間距較大，相應(yīng)塑性也較差；而稀土含量為0.014 5%的高碳鋼珠光體片間距為0.150 μm，珠光體片間距最小，相應(yīng)其斷面收縮率及延伸率均達(dá)到最大值；稀土含量為0.041 0%的高碳鋼珠光體片層間距較小，為0.185 μm，相應(yīng)其塑性下降。這表明，在本試驗(yàn)條件下，高碳鋼的塑性主要由珠光體片間距決定。

3 結(jié)論

在高碳鋼中加入適量的稀土可顯著減小軋態(tài)珠光體球團(tuán)尺寸和珠光體片層間距，過量的稀土可增大珠光體球團(tuán)尺寸和珠光體片層間距。在高碳鋼中加入0.014 5%的稀土對其抗拉強(qiáng)度沒明顯影響，可提高其屈服強(qiáng)度；含量0.041 0%稀土反而降低高碳鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。高碳鋼中加入0.014 5%的稀土可以顯著提高其塑性，延伸率和斷面收縮率均達(dá)到最大值，分別為12.48%和28.53%；含量為0.041 0%的稀土?xí)档透咛间摰乃苄浴?/p>

1 余宗森，盧先利.我國稀土在鋼中應(yīng)用的進(jìn)展和前景[J].稀土信息，200l，（10）：4-5.

2 周惦武，彭 平，徐少華，等.稀土元素在鋼中的應(yīng)用與研究[J].鑄造設(shè)備研究，2004，（3）：35-38.

3 J M Hzak and I M Bernstein.The Role of Microstructure on the Strength and Toughness of Fully Pearlitic Steels[J].Metallurgical Transactions A，1976，7（8）：1217-1224.

4 Ishiguro M，Ito M，Osuga T.Effects of Rare Earth Elements on Properties of High Quality Ingots[J].etsu-to-Hagane，2010，62（7）：827-835.

5 姜茂發(fā)，王 榮，李春龍.鋼中稀土與鈮、釩、鈦等微合金元素的相互作用[J].稀土，2003，24（5）：1-3.