稀土对高碳钢组织与性能的影响

刘立彪，龙 渊，杨文志，汪后明，李中平

（华菱湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411101）

大量研究表明，钢中加入稀土，可以明显改善铸坯质量，提高钢的韧塑性，改善钢材横向性能和低温韧性。随着稀土的综合应用和研究工作的不断深化，稀土钢已经显示出巨大的发展潜力[1-2]。我国稀土储量居世界首位，人们应利用好稀土资源，提高稀土处理钢的能力，提高我国钢材的质量，使我国的稀土资源优势转化为钢材品种和质量上的优势。基于此，本文研究稀土对高碳钢的组织与性能的影响，这对提高稀土钢的综合性能，明确稀土在高碳钢中的作用机理，促进稀土在钢中的广泛应用具有重要意义。

1 试验材料与方法

试验用稀土高碳钢成分如表1所示。分别将编号为1、2、3的试验钢，加热至1 150℃，1 130℃后开轧，终轧温度＞850℃，轧后空冷的工艺轧制到15 mm厚的钢板。借助金相显微镜、扫描电镜等试验仪器，观察高碳钢轧态珠光体组织的形貌，并采用截线法测定高碳钢轧态珠光体的片层间距和球团尺寸，结合其轧态拉伸性能结果分析稀土对其组织与性能的影响。

表1 试验钢成分（质量分数，%）

2 试验结果与讨论

2.1 稀土对高碳钢组织的影响

图1为不同稀土含量的共析钢轧态珠光体组织的扫描电镜照片，共析钢的轧态平衡组织为珠光体组织。

图1 共析钢轧态珠光体组织的SEM图片

未添加稀土的共析钢珠光体粗短弯曲，不规整，均匀性较差，测定其珠光体球团尺寸为12.80 μm，片层间距为0.176 μm；当稀土含量为0.014 5%左右时，共析钢的珠光体片间距和渗碳体片层厚度最为细薄，均匀性较好，珠光体球团尺寸减小至8.55 μm，片层间距为0.150 μm；当稀土含量达到0.041 0%时，共析钢的珠光体片层距和渗碳体片层厚度稍有增大，珠光体均匀性变差，此时珠光体球团尺寸达到15.9 μm，片层间距增大至0.185 μm。因此，添加适量稀土能够细化共析钢的轧态珠光体组织，稀土含量过高反而会使其轧态珠光体组织粗化。

2.2 稀土对高碳钢性能的影响

由表2可知，微量稀土对高碳钢的抗拉强度没有显著影响，能稍微提高其屈服强度，稀土含量过高反而会降低其抗拉强度和屈服强度，但整体来说，稀土对高碳钢强度的影响程度较小。未添加稀土的高碳钢的延伸率及断面收缩率分别为11.17%和22.9%；当稀土含量为0.014 5%时，高碳钢的延伸率及断面收缩率均达到最大值，分别为12.48%和28.53%；当稀土含量达到0.041 0%时，延伸率及断面收缩率显著降低，分别为11.59%及26.04%。因此，适量稀土可以显著提高碳钢的塑性，稀土含量过高会使高碳钢塑性降低。

表2 高碳钢的拉伸性能指标

2.3 分析与讨论

全珠光体钢的屈服强度与珠光体片间距S0、球团直径De以及原始奥氏体晶粒直径Dr有关，这三个参数与屈服强度的关系可以用式1表示。

由式1可知，珠光体片间距对屈服强度起主要作用，球团直径及奥氏体晶粒直径对屈服强度影响不大。稀土可通过细晶强化、固溶强化以及促进第二相的弥散析出等作用来影响钢的强度。稀土对钢的强度影响作用具有两面性，稀土对钢强度的影响与其在钢中含量及存在形态相关，因此稀土对钢强度的影响有限，无论是提高强度还是降低强度，其幅度都不大[4]，这与本试验结果较为相符。

珠光体钢的塑性主要与珠光体片层间距、珠光体球团尺寸及奥氏体晶粒度有关，其中珠光体片层间距为主要控制因素[5]。片状珠光体由铁素体片和渗碳体片交替组成。当珠光体受外力拉伸时，塑性变形基本发生在铁素体片内，而渗碳体片层有阻止位错滑移运动的作用，且滑移的最大距就等于片间距，片间距变小，铁素体和渗碳体会变细变薄，单位体积钢内的铁素体和渗碳体的相界面越多，对位错的运动阻碍作用越大，塑性变形抗力越大。高碳钢中加入微量稀土元素，稀土元素减缓了碳在奥氏体中的扩散速度，增加了珠光体相变的激活能，降低了珠光体相变的速度，从而使相变完成时间延长，减小珠光体片间距。因此，加入适量的稀土可以减小高碳钢珠光体的片层间距，从而提高其塑性。

如前所述，未添加稀土的高碳钢珠光体片间距为0.176 μm，珠光体片间距较大，相应塑性也较差；而稀土含量为0.014 5%的高碳钢珠光体片间距为0.150 μm，珠光体片间距最小，相应其断面收缩率及延伸率均达到最大值；稀土含量为0.041 0%的高碳钢珠光体片层间距较小，为0.185 μm，相应其塑性下降。这表明，在本试验条件下，高碳钢的塑性主要由珠光体片间距决定。

3 结论

在高碳钢中加入适量的稀土可显著减小轧态珠光体球团尺寸和珠光体片层间距，过量的稀土可增大珠光体球团尺寸和珠光体片层间距。在高碳钢中加入0.014 5%的稀土对其抗拉强度没明显影响，可提高其屈服强度；含量0.041 0%稀土反而降低高碳钢的抗拉强度和屈服强度。高碳钢中加入0.014 5%的稀土可以显著提高其塑性，延伸率和断面收缩率均达到最大值，分别为12.48%和28.53%；含量为0.041 0%的稀土会降低高碳钢的塑性。

1 余宗森，卢先利.我国稀土在钢中应用的进展和前景[J].稀土信息，200l，（10）：4-5.

2 周惦武，彭 平，徐少华，等.稀土元素在钢中的应用与研究[J].铸造设备研究，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 姜茂发，王 荣，李春龙.钢中稀土与铌、钒、钛等微合金元素的相互作用[J].稀土，2003，24（5）：1-3.