稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响

D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.05.017 第34卷第5期 北京科技大学学报 Vol.34 No.5 2012年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2012 稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 邓小旋王新华姜敏胡志勇邵肖静王万军 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:dxx042@163.com 摘要分析了稀土处理钢中夹杂物的特征（夹杂物种类、尺寸分布和体积分数）对微观组织中针状铁素体形成的影响.结 果表明，钢中夹杂物种类和体积分数对针状铁素体组织的形成非常重要.稀土氧化物（包含稀土氧硫化物）与铁素体具有低 至1.9%的错配度降低针状铁素体在夹杂物表面的形核能垒，从而促使它在稀土氧化物上形核.反之，稀土硫化物与铁素体 具有高达42.5%的错配度不能诱导生成针状铁素体组织.此外，微观组织中针状铁素体的体积分数随着夹杂物体积分数的增 加而增大，当钢中夹杂物体积分数是9.5×10时其体积分数达到53%. 关键词精炼：稀土元素：针状铁素体：夹杂物：微观组织 分类号TF703.5 Effect of inclusions on the formation of intra-granular acicular ferrite in steels containing rare earth elements DENG Xiao-xuan,WANG Xin-hua,JIANG Min,HU Zhi-yong,SHAO Xiao-jing,WANG Wan-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:dxx042@163.com ABSTRACT The effects of inclusion characteristics,such as type,size distribution and volume fraction on the formation of intra- granular acicular ferrite (IAF)in steels containing rare earth (RE)elements were investigated by optical microscopy,scanning elec- tron microscopy and the point counting method.It is shown that the type and volume fraction of inclusions both play a critical role in IAF formation.A low mismatch value of 1.9%between ferrite and RE-oxides (including RE-oxysulfide)decreases the energy barrier on the inclusion surface for IAF nucleation and accelerates the nucleation on RE oxides.But RE-sulfides which have a high mismatch value of 42.5%with ferrite cannot induce IAF.The volume fraction of IAF increases with the volume fraction of inclusions increasing. When the volume fraction of inclusions reaches 9.5 x 10-,the volume fraction of IAF is 53%. KEY WORDS refining;rare earth elements;acicular ferrite;inclusions;microstructure 随着输送管线、船舶、海洋平台和压力容器越界，能够抑制裂纹的扩展，故又可提高钢的冲击韧 来越多地采用大规格的高强度钢板，钢材要用大 性0.因此，获得高体积分数的针状铁素体组织可 线能量（焊接线能量达50~100kJ·cm-1)进行焊 以极大地改善厚板、焊缝金属及热影响区的强度 接.但是，大线能量焊接必然会导致焊接热影响区 和韧性. (HAZ)强度和韧性下降，所以提高焊接热影响区 影响针状铁素体形成的因素主要有原奥氏体晶 的强度和韧性势在必行·钢材的强度和韧性与其 粒大小、合金元素含量、钢的冷却速率和夹杂物特征 微观组织密切相关，大量研究表明针状铁素体 (夹杂物种类、尺寸分布和体积分数).夹杂物的特 (IAF)组织是可以同时提高钢的强度和韧性的最 征被认为是主要因素回.许多研究者研究了夹杂物 佳组织，因为它在原奥氏体晶粒内部的非金属夹 特征对针状铁素体形成的影响.结果表明：夹杂物 杂物上形核，分割了原奥氏体晶粒，所以可以细化 种类如Ti,O,-Mns、Ce,0,s和MnS-VC可以 品粒和提高钢的强度：又由于该组织具有大角品 诱导生成针状铁素体.与此相关机理众多，其中研 收稿日期：201104-25

第 34 卷 第 5 期 2012 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 5 May 2012 稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 邓小旋 王新华 姜 敏 胡志勇 邵肖静 王万军 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: dxx042@ 163． com 摘 要 分析了稀土处理钢中夹杂物的特征( 夹杂物种类、尺寸分布和体积分数) 对微观组织中针状铁素体形成的影响． 结 果表明，钢中夹杂物种类和体积分数对针状铁素体组织的形成非常重要． 稀土氧化物( 包含稀土氧硫化物) 与铁素体具有低 至 1. 9% 的错配度降低针状铁素体在夹杂物表面的形核能垒，从而促使它在稀土氧化物上形核． 反之，稀土硫化物与铁素体 具有高达 42. 5% 的错配度不能诱导生成针状铁素体组织． 此外，微观组织中针状铁素体的体积分数随着夹杂物体积分数的增 加而增大，当钢中夹杂物体积分数是 9. 5 × 10 － 4 时其体积分数达到 53% ． 关键词 精炼; 稀土元素; 针状铁素体; 夹杂物; 微观组织 分类号 TF703. 5 Effect of inclusions on the formation of intra-granular acicular ferrite in steels containing rare earth elements DENG Xiao-xuan ，WANG Xin-hua，JIANG Min，HU Zhi-yong，SHAO Xiao-jing，WANG Wan-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: dxx042@ 163． com ABSTRACT The effects of inclusion characteristics，such as type，size distribution and volume fraction on the formation of intra￾granular acicular ferrite ( IAF) in steels containing rare earth ( RE) elements were investigated by optical microscopy，scanning elec￾tron microscopy and the point counting method． It is shown that the type and volume fraction of inclusions both play a critical role in IAF formation． A low mismatch value of 1. 9% between ferrite and RE-oxides ( including RE-oxysulfide) decreases the energy barrier on the inclusion surface for IAF nucleation and accelerates the nucleation on RE oxides． But RE-sulfides which have a high mismatch value of 42. 5% with ferrite cannot induce IAF． The volume fraction of IAF increases with the volume fraction of inclusions increasing． When the volume fraction of inclusions reaches 9. 5 × 10 － 4 ，the volume fraction of IAF is 53% ． KEY WORDS refining; rare earth elements; acicular ferrite; inclusions; microstructure 收稿日期: 2011--04--25 随着输送管线、船舶、海洋平台和压力容器越 来越多地采用大规格的高强度钢板，钢材要用大 线能量( 焊接线能量达 50 ～ 100 kJ·cm － 1 ) 进行焊 接． 但是，大线能量焊接必然会导致焊接热影响区 ( HAZ) 强度和韧性下降，所以提高焊接热影响区 的强度和韧性势在必行． 钢材的强度和韧性与其 微观组 织 密 切 相 关． 大量研究表明针状铁素体 ( IAF) 组织是可以同时提高钢的强度和韧性的最 佳组织，因为它在原奥氏体晶粒内部的非金属夹 杂物上形核，分割了原奥氏体晶粒，所以可以细化 晶粒和提高钢的强度; 又由于该组织具有大角晶 界，能够抑制裂纹的扩展，故又可提高钢的冲击韧 性［1］． 因此，获得高体积分数的针状铁素体组织可 以极大地改善厚板、焊缝金属及热影响区的强度 和韧性． 影响针状铁素体形成的因素主要有原奥氏体晶 粒大小、合金元素含量、钢的冷却速率和夹杂物特征 ( 夹杂物种类、尺寸分布和体积分数) ． 夹杂物的特 征被认为是主要因素［2］． 许多研究者研究了夹杂物 特征对针状铁素体形成的影响． 结果表明: 夹杂物 种类如 Ti2O3--MnS ［3］、Ce2O2 S ［4］和 MnS--VC［5］可以 诱导生成针状铁素体． 与此相关机理众多，其中研 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.05.017

·536 北京科技大学学报 第34卷 究者们讨论最多的是所谓的贫锰区机理同和错配 针状铁素体的影响. 度机理时.Zhang等们认为夹杂物的数量与尺寸分 布对形核针状铁素体起主导作用：但0h等则认 1实验材料与方法 为在有效形核针状铁素体上夹杂物的体积分数比夹 本研究进行了三炉实验，实验过程如下：首先将 杂物的种类与尺寸分布更重要.此外，在稀土元素 1kg基铁料与100g炉渣（仅第一炉和第二炉使用炉 对夹杂物的变性作用方面，李长荣等回认为稀土元 渣)装入Mg0坩埚中，并将坩埚放置于Si-Mo电阻 素可以与钢液中的氧化铝作用生成塑性的稀土铝酸 炉的恒温区中，加热至1600℃，保温一段时间，加入 盐夹杂物，有望成为高品质硬线钢变性处理的一种 固体稀土丝，成分（质量分数)为：Ce,51%;La, 方法.总之，研究者们对于夹杂物种类、尺寸分布和 49%.最后作水淬处理.炉渣成分（质量分数）为： 体积分数对针状铁素体形成的影响方面谁起主导作 Ca0,50%;Si02,25%:Al203,10%;Mg0,10%: 用众说纷纭，没有相对统一的认识，同时关于稀土夹 Fez03,5%.第1~3炉铸样依次标号为A~C号 杂物特征对针状铁素体形成的影响研究较少.基于 钢，取铸样的相同部位采用化学分析法分析钢的化 此，本文研究了稀土处理钢中稀土夹杂物的特征对 学成分，结果如表1所示 表1A~C号钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Steel A,B and C % 钢号 C Mn Sol.Al La Ce T.0 A 0.110 0.45 0.96 <0.015 0.0078 0.0032 0.0018 0.0022 0.0021 0.130 0.32 0.91 <0.015 0.0110 0.0032 0.0120 0.0160 0.0022 C 0.120 0.22 1.00 <0.015 0.0091 0.0014 0.0120 0.0160 0.0081 注：Sl.A1代表钢中酸溶铝，T.0代表钢中总氧. 在得到铸样的相同部位中取一小块10mm× 积分数，统计采用的网格是25点网格且统计总点数 10mm×l0mm的立方钢样，将钢样磨光并抛光至镜 为1000 面.首先用SEM-EDS(JEOL JSM6480M)确定夹杂 2实验结果 物的形貌和成分，每个试样观察约100个夹杂物. 利用光学显微镜(Leica DM6OO0M)来统计夹杂物 2.1钢样的微观组织 的尺寸，并利用光镜自带的夹杂物分布统计软件来 三炉实验钢的微观组织如图1所示.三种钢中 统计夹杂物的尺寸分布，统计的有效面积为 铁素体组织主要有魏氏体(WF)、贝氏体(BF)、晶界 2.6mm',进而利用Dehoff公式算出夹杂物的体积 型铁素体(GBF)和针状铁素体(IAF).A号钢的组 分数. 织有大量魏氏体、贝氏体和体积分数为3%的针状 其次，用3%的硝酸乙醇溶液腐蚀钢样，用真实 铁素体.B号钢的组织里有晶界型铁素体、少量魏 色共聚焦微观显微镜(Lasertec Optelics C130)观察 氏体和体积分数为12%的针状铁素体.文献11] 铸样的微观组织，并利用SEM-EDS确定针状铁素 报道较高的锰含量可以抑制晶界型铁素体的生成， 体形核核心的夹杂物粒子类型.此外，利用数点法 而晶界又是铁素体优先的形核位置，所以具有相对 (point counting method)a来统计针状铁素体的体 低的锰含量(0.91%)的B号钢会出现晶界型铁素 (c) 100m 100m 1004m 图1A~C号钢中的微观组织.(a)A号钢：(b)B号钢：(c)C号钢 Fig.1 Microstructures of Steel A,B and C:(a)Steel A:(b)Steel B:(c)Steel C

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 究者们讨论最多的是所谓的贫锰区机理［3］和错配 度机理［6］． Zhang 等［7］认为夹杂物的数量与尺寸分 布对形核针状铁素体起主导作用; 但 Oh 等［8］则认 为在有效形核针状铁素体上夹杂物的体积分数比夹 杂物的种类与尺寸分布更重要． 此外，在稀土元素 对夹杂物的变性作用方面，李长荣等［9］认为稀土元 素可以与钢液中的氧化铝作用生成塑性的稀土铝酸 盐夹杂物，有望成为高品质硬线钢变性处理的一种 方法． 总之，研究者们对于夹杂物种类、尺寸分布和 体积分数对针状铁素体形成的影响方面谁起主导作 用众说纷纭，没有相对统一的认识，同时关于稀土夹 杂物特征对针状铁素体形成的影响研究较少． 基于 此，本文研究了稀土处理钢中稀土夹杂物的特征对 针状铁素体的影响． 1 实验材料与方法 本研究进行了三炉实验，实验过程如下: 首先将 1 kg 基铁料与 100 g 炉渣( 仅第一炉和第二炉使用炉 渣) 装入 MgO 坩埚中，并将坩埚放置于 Si--Mo 电阻 炉的恒温区中，加热至 1 600 ℃，保温一段时间，加入 固体 稀 土 丝，成 分 ( 质 量 分 数) 为: Ce，51% ; La， 49% ． 最后作水淬处理． 炉渣成分( 质量分数) 为: CaO，50% ; SiO2，25% ; Al2O3，10% ; MgO，10% ; Fe2O3，5% ． 第 1 ～ 3 炉铸样依次标号为 A ～ C 号 钢，取铸样的相同部位采用化学分析法分析钢的化 学成分，结果如表 1 所示． 表 1 A ～ C 号钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of Steel A，B and C % 钢号 C Si Mn P S Sol． Al La Ce T． O A 0. 110 0. 45 0. 96 ＜ 0. 015 0. 007 8 0. 003 2 0. 001 8 0. 002 2 0. 002 1 B 0. 130 0. 32 0. 91 ＜ 0. 015 0. 011 0 0. 003 2 0. 012 0 0. 016 0 0. 002 2 C 0. 120 0. 22 1. 00 ＜ 0. 015 0. 009 1 0. 001 4 0. 012 0 0. 016 0 0. 008 1 注: Sol． Al 代表钢中酸溶铝，T． O 代表钢中总氧． 图 1 A ～ C 号钢中的微观组织． ( a) A 号钢; ( b) B 号钢; ( c) C 号钢 Fig． 1 Microstructures of Steel A，B and C: ( a) Steel A; ( b) Steel B; ( c) Steel C 在得到铸样的相同部位中取一小块 10 mm × 10 mm × 10 mm 的立方钢样，将钢样磨光并抛光至镜 面． 首先用 SEM--EDS( JEOL JSM--6480M) 确定夹杂 物的形貌和成分，每个试样观察约 100 个夹杂物． 利用光学显微镜( Leica DM 6000M) 来统计夹杂物 的尺寸，并利用光镜自带的夹杂物分布统计软件来 统计夹杂物的尺寸分布，统 计 的 有 效 面 积 为 2. 6 mm2 ，进而利用 Dehoff 公式算出夹杂物的体积 分数． 其次，用 3% 的硝酸乙醇溶液腐蚀钢样，用真实 色共聚焦微观显微镜( Lasertec Optelics C130) 观察 铸样的微观组织，并利用 SEM － EDS 确定针状铁素 体形核核心的夹杂物粒子类型． 此外，利用数点法 ( point counting method) ［10］来统计针状铁素体的体 积分数，统计采用的网格是 25 点网格且统计总点数 为 1 000． 2 实验结果 2. 1 钢样的微观组织 三炉实验钢的微观组织如图 1 所示． 三种钢中 铁素体组织主要有魏氏体( WF) 、贝氏体( BF) 、晶界 型铁素体( GBF) 和针状铁素体( IAF) ． A 号钢的组 织有大量魏氏体、贝氏体和体积分数为 3% 的针状 铁素体． B 号钢的组织里有晶界型铁素体、少量魏 氏体和体积分数为 12% 的针状铁素体． 文献［11］ 报道较高的锰含量可以抑制晶界型铁素体的生成， 而晶界又是铁素体优先的形核位置，所以具有相对 低的锰含量( 0. 91% ) 的 B 号钢会出现晶界型铁素 ·536·

第5期 邓小旋等：稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 ·537· 体.C号钢的组织与A、B号钢中的组织完全不同， 质量大很多，所以图片采用背散射模式获取.典型 其组织有体积分数为53%的针状铁素体以及极少 夹杂物有以下三种：单独的硫化锰（如图2(a)所 量的贝氏体和魏氏体 示)、稀土氧化物（包括稀土氧硫化物，下同，如 2.2钢中的夹杂物 图2(b)所示)和稀土硫化物（如图2(c)所示）.可 2.2.1夹杂物形貌 以看出它们大多呈球形或者类球形，尺寸为1.0~ 如图2所示为A~C号钢中典型夹杂物的形貌 3.0um.能谱中的Fe来自钢基体，Mg、Si和Al元素 和能谱分析.由于稀土元素的原子质量比铁的原子 来自于MgO坩埚和所用的渣 400 300 200 100 能量keV 300 ) 200 CeCe 0 LaLa 100 04 2um 10 能量eV 1000 800 600 Ce 400 Ce 总 Fe 200 0 8 10 能量kcV 图2A~C号钢中典型夹杂物的形貌与能谱分析.(a)硫化锰：(b)稀土氧化物（包括稀土氧硫化物）：()稀土硫化物 Fig.2 Morphologies and EDS spectra of typical inclusions in Steel A,B and C:(a)manganese sulfide:(b)REoxides(including RE-xysulfide): (c）RE-ulfides 2.2.2夹杂物的种类与尺寸分布 500 图3为上述三种典型夹杂物数量分布图.A号 钢中夹杂物主要是单独硫化锰夹杂物，单位面积数 目400 量为239mm-2,占A号钢中所有夹杂物的63%.B 300 号钢中夹杂物主要是稀土硫化物，单位面积数量为 408mm-2,占B号钢中所有夹杂物的80%.C号钢 20 田单独硫化锰 中主要的夹杂物是稀土氧化物，单位面积数量为 图稀土氧化物 100 ☐稀十疏化物 277mm2,占C号钢中所有夹杂物的59%.图4是 几种钢中夹杂物的尺寸分布图.可以看出，A、B两 A号钢 B号钢 G号钢 种钢中夹杂物尺寸相差不大，而C号钢中尺寸在 图3三种钢中典型夹杂物的数量 1.5~3.0um间的夹杂物数量相较于前两种钢增加 Fig.3 Number of typical inclusions in Steel A,B and C 明显，原因是钢中氧含量的增加

第 5 期 邓小旋等: 稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 体． C 号钢的组织与 A、B 号钢中的组织完全不同， 其组织有体积分数为 53% 的针状铁素体以及极少 量的贝氏体和魏氏体． 2. 2 钢中的夹杂物 2. 2. 1 夹杂物形貌 如图 2 所示为 A ～ C 号钢中典型夹杂物的形貌 和能谱分析． 由于稀土元素的原子质量比铁的原子 质量大很多，所以图片采用背散射模式获取． 典型 夹杂物有以下三种: 单独的硫化锰( 如图 2 ( a) 所 示) 、稀 土 氧 化 物 ( 包括稀土氧硫化物，下 同，如 图 2( b) 所示) 和稀土硫化物( 如图 2( c) 所示) ． 可 以看出它们大多呈球形或者类球形，尺寸为 1. 0 ～ 3. 0 μm． 能谱中的 Fe 来自钢基体，Mg、Si 和 Al 元素 来自于 MgO 坩埚和所用的渣． 图 2 A ～ C 号钢中典型夹杂物的形貌与能谱分析． ( a) 硫化锰; ( b) 稀土氧化物( 包括稀土氧硫化物) ; ( c) 稀土硫化物 Fig． 2 Morphologies and EDS spectra of typical inclusions in Steel A，B and C: ( a) manganese sulfide; ( b) RE-oxides ( including RE-oxysulfide) ; ( c) RE-sulfides 2. 2. 2 夹杂物的种类与尺寸分布 图 3 为上述三种典型夹杂物数量分布图． A 号 钢中夹杂物主要是单独硫化锰夹杂物，单位面积数 量为 239 mm － 2 ，占 A 号钢中所有夹杂物的 63% ． B 号钢中夹杂物主要是稀土硫化物，单位面积数量为 408 mm － 2 ，占 B 号钢中所有夹杂物的 80% ． C 号钢 中主要的夹杂物是稀土氧化物，单位面积数量为 277 mm － 2 ，占 C 号钢中所有夹杂物的 59% ． 图 4 是 几种钢中夹杂物的尺寸分布图． 可以看出，A、B 两 种钢中夹杂物尺寸相差不大，而 C 号钢中尺寸在 1. 5 ～ 3. 0 μm 间的夹杂物数量相较于前两种钢增加 明显，原因是钢中氧含量的增加． 图 3 三种钢中典型夹杂物的数量 Fig． 3 Number of typical inclusions in Steel A，B and C ·537·

·538 北京科技大学学报 第34卷 100 组织上.文献4]报道夹杂物与铁素体的错配度越 低，铁素体在夹杂物上形核的能垒就越小，进而越容 易在夹杂物上形核.表2是文献报道的不同稀土化 合物与铁素体基体的错配度值（假设La化合物与 Ce化合物的错配度特征相似)，RES和RE,S,的错 配度大于RE,03和RE,O2S.在本实验B号钢中稀 夹杂物尺寸μm 土硫化物比例高达80%，夹杂物与铁素体的错配度 8>3.0 ☑☑1.52.01.0-1.5 w2.5-3.02.0-2.5 10.5-1.0 太高导致B号钢组织里只有少量针状铁素体.如 A号钢 B号钢 C号钢 图6(a)所示为B号钢中的一个典型稀土硫化物夹 杂，可以看到它周围都是魏氏体，没有诱导针状铁素 图4三种钢中夹杂物的尺寸分布 体组织.C号钢中，与铁素体错配度低的稀土氧化 Fig.4 Size distribution of inclusions in Steel A,B and C 物的比例为59%，与铁素体错配度高的稀土硫化物 3 分析讨论 夹杂物比例仅为5%，这极大地降低了铁素体在夹 杂物上形核的能垒，使铁素体较易在夹杂物上形核. 3.1夹杂物析出的热力学计算 C号钢组织中针状铁素体的体积分数达到了53%. Factsage计算软件被广泛应用在热力学计算 图6(b)为C号钢中一个典型稀土氧化物诱导针状 上，近年来软件开发者Jung等2国把它应用于“氧 铁素体的例子 化物治金”领域来计算与贫锰区相关的相图和夹杂 表2文献报道的不同夹杂物与铁素体基体的错配度 物的析出，取得了较好的效果.本实验选用Factsage Table 2 Mismatch values between different particles and ferrite reported 6.0版本中的FACT数据库.选取基于吉布斯自由 in literatures 能最小的原理的Equilib模块进行计算，计算结果利 化合物 品系 铁素体//基体 错配度/%参考文献 用Equilib模块的后处理功能按照产物的质量输出. {100}/1{100} 图5是经过上述计算后得到的三种实验钢在冷却过 CeS 立方 42.5 4 000/110] 程中平衡析出的夹杂物.从图中可以看出：A号钢 {100}/{100} 中平衡时夹杂物主要为MnS夹杂物；B号钢中夹杂 Ce3S4 立方 6.4 4 000/010] 物析出主要为稀土硫化物，MnS析出相对较少；C号 {111}/{0001} 钢中夹杂物主要为稀土氧化物，由于Cz03熔点很 Ce2O3 六方 4.0 4 010]/10120] 高且非常稳定，在钢液中以液相形式存在，此外C {111}/{0001} 号钢中还有大量的MnS夹杂物.以上结果都与图3 Ce202S 六方 1.9 田 010]/0120] 所示的实验结果吻合得很好 {100}/1{100} MnS 立方 8.8 0.03 05] MnS 一A号钢夹杂物 000]/11o] --B号钢夹杂物 一C号钢夹杂物 3.3夹杂物的体积分数对针状铁素体的影响 0.02 如图7所示，A、B和C号钢中夹杂物的体积分 Ce,O, MnS 数分别为4.3×10-4、7.5×10-4和9.5×10-4.B号 01 钢中夹杂物的体积分数比A号钢大是因为B号钢 MnS- 中稀土含量大，稀土夹杂物增多，由于稀土原子的原 80o 子半径大，所以夹杂物平均直径增大，最终导致了很 8001000.1200 14001600 温度℃ 高的体积分数.如图4所示，氧含量的增加使得1.5~ 图5利用Factsage软件计算得到的夹杂物生成图 3.0um范围内的夹杂物数量增加，进而导致C号钢 Fig.5 Calculated diagram for inclusion formation using Factsage 中夹杂物的体积分数进一步增大.Oh等图认为夹 杂物的体积分数对针状铁素体的形成非常重要.图 3.2夹杂物的种类对针状铁素体的影响 7显示了夹杂物体积分数与针状铁素体体积分数的 如前文所述，错配度机理是近来备受关注的 关系.可以看出，针状铁素体的体积分数随着夹杂 机理之一，尤其在稀土化合物诱导生成针状铁素体 物体积分数的增加而增加.因此，在控制夹杂物的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 4 三种钢中夹杂物的尺寸分布 Fig． 4 Size distribution of inclusions in Steel A，B and C 3 分析讨论 3. 1 夹杂物析出的热力学计算 Factsage 计算软件被广泛应用在热力学计算 上，近年来软件开发者 Jung 等［12--13］把它应用于“氧 化物冶金”领域来计算与贫锰区相关的相图和夹杂 物的析出，取得了较好的效果． 本实验选用 Factsage 6. 0 版本中的 FACT 数据库． 选取基于吉布斯自由 能最小的原理的 Equilib 模块进行计算，计算结果利 用 Equilib 模块的后处理功能按照产物的质量输出． 图 5 是经过上述计算后得到的三种实验钢在冷却过 程中平衡析出的夹杂物． 从图中可以看出: A 号钢 中平衡时夹杂物主要为 MnS 夹杂物; B 号钢中夹杂 物析出主要为稀土硫化物，MnS 析出相对较少; C 号 钢中夹杂物主要为稀土氧化物，由于 Ce2O3熔点很 高且非常稳定，在钢液中以液相形式存在，此外 C 号钢中还有大量的 MnS 夹杂物． 以上结果都与图 3 所示的实验结果吻合得很好． 图 5 利用 Factsage 软件计算得到的夹杂物生成图 Fig． 5 Calculated diagram for inclusion formation using Factsage 3. 2 夹杂物的种类对针状铁素体的影响 如前文所述，错配度机理［6］是近来备受关注的 机理之一，尤其在稀土化合物诱导生成针状铁素体 组织上． 文献［14］报道夹杂物与铁素体的错配度越 低，铁素体在夹杂物上形核的能垒就越小，进而越容 易在夹杂物上形核． 表 2 是文献报道的不同稀土化 合物与铁素体基体的错配度值( 假设 La 化合物与 Ce 化合物的错配度特征相似) ，RES 和 RE3 S4 的错 配度大于 RE2O3和 RE2O2 S． 在本实验 B 号钢中稀 土硫化物比例高达 80% ，夹杂物与铁素体的错配度 太高导致 B 号钢组织里只有少量针状铁素体． 如 图 6( a) 所示为 B 号钢中的一个典型稀土硫化物夹 杂，可以看到它周围都是魏氏体，没有诱导针状铁素 体组织． C 号钢中，与铁素体错配度低的稀土氧化 物的比例为 59% ，与铁素体错配度高的稀土硫化物 夹杂物比例仅为 5% ，这极大地降低了铁素体在夹 杂物上形核的能垒，使铁素体较易在夹杂物上形核． C 号钢组织中针状铁素体的体积分数达到了 53% ． 图 6( b) 为 C 号钢中一个典型稀土氧化物诱导针状 铁素体的例子． 表 2 文献报道的不同夹杂物与铁素体基体的错配度 Table 2 Mismatch values between different particles and ferrite reported in literatures 化合物 晶系 铁素体/ /基体 错配度/% 参考文献 CeS 立方 { 100} / /{ 100} 42. 5 ［4］ ［100］/ /［110］ Ce3 S4 立方 { 100} / /{ 100} 6. 4 ［4］ ［100］/ /［110］ Ce2O3 六方 { 111} / /{ 0001} 4. 0 ［4］ ［110］/ /［112 － 0］ Ce2O2 S 六方 { 111} / /{ 0001} 1. 9 ［4］ ［110］/ /［112 － 0］ MnS 立方 { 100} / /{ 100} 8. 8 ［15］ ［100］/ /［110］ 3. 3 夹杂物的体积分数对针状铁素体的影响 如图 7 所示，A、B 和 C 号钢中夹杂物的体积分 数分别为 4. 3 × 10 － 4 、7. 5 × 10 － 4 和 9. 5 × 10 － 4 ． B 号 钢中夹杂物的体积分数比 A 号钢大是因为 B 号钢 中稀土含量大，稀土夹杂物增多，由于稀土原子的原 子半径大，所以夹杂物平均直径增大，最终导致了很 高的体积分数． 如图 4 所示，氧含量的增加使得 1. 5 ～ 3. 0 μm 范围内的夹杂物数量增加，进而导致 C 号钢 中夹杂物的体积分数进一步增大． Oh 等［8］认为夹 杂物的体积分数对针状铁素体的形成非常重要． 图 7 显示了夹杂物体积分数与针状铁素体体积分数的 关系． 可以看出，针状铁素体的体积分数随着夹杂 物体积分数的增加而增加． 因此，在控制夹杂物的 ·538·

第5期 邓小旋等：稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 ·539 400 ) 300 e LaCe Mn 0 5um 能量keV 300 Ce Ce ) 200 100 A Fe 2um 能量keV 图6夹杂物与微观组织的关系.(a)B号钢：(b)C号钢 Fig.6 Relationship between inclusions and microstructure:(a)Steel B:(b)Steel C 特征方面，提高夹杂物体积分数也是获得高针状铁 为59%，针状铁素体的体积分数达到53%.反之， 素体体积分数的一个重要方法 与铁素体具有高达42.5%的错配度的稀土硫化物 不利于针状铁素体的生成.B号钢稀土硫化物夹杂 C号钢● 物比例为80%，针状铁素体的体积分数只有12%. 、40 (3)针状铁素体的体积分数随着夹杂物的体积 分数增大而增大，当夹杂物体积分数达到9.5× 10-4时，针状铁素体的体积分数达到53%· ● 8 B号钢 参考文献 0以 6 8 10 [Zhang D.Terasaki H,Komizo YI.In situ observation of the for- 夹杂物体积分数10 mation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in 图7三种钢中夹杂物体积分数与针状铁素体体积分数的关系 C-Mn steel.Acta Mater,2010,58(4):1369 Fig.7 Relationship between the volume fractions of IAF and inclu- 2] Barbaro F J,Krauklis P,Easterling K E.Formation of acicular sions for Steel A,B and C ferrite at oxide particles in steels.Mater Sci Technol,1989,5 (11):1057 从以上讨论可以看出，在稀土夹杂物作为核心 B Shim J H,Oh Y J,Suh J Y,et al.Ferrite nucleation potency of 形核针状铁素体中，与铁素体有较低错配度的稀土 non-metallic inclusions in medium carbon steels.Acta Mater, 2001,49(12):2115 氧化物降低了形核的能垒，促进了铁素体以其为核 4]Thewlis G.Effect of cerium sulphide particle dispersions on acicu- 心形核.高的体积分数又提供了更多的针状铁素体 lar ferrite microstructure development in steels.Mater Sci Technol, 的有效形核核心，夹杂物种类和体积分数的共同作 2006,22(2):153 用导致了相对高的针状铁素体的体积分数. [5] Furuhara T,ShinyoshiT,Miyamoto G,et al.Multiphase crystal- lography in the nucleation of intragranular ferrite on MnS+V(C. 4结论 N)complex precipitate in austenite.ISI/Int,2003,43 (12): 2028 (1)夹杂物析出的实验结果与Factsage计算软 6] Bramfitt B L.The effect of carbide and nitride additions on the 件热力学计算的结果非常一致.夹杂物种类和体积 heterogeneous nucleation behavior of liquid iron.Metall Mater 分数的共同作用导致了高的针状铁素体体积分数. Trans B,1970,1(7):1987 ] (2)稀土氧化物与铁素体具有低的错配度，降 Zhang Z,Farrar R A.Role of non-metallic inclusions in the for- mation of acicular ferrite in low alloy weld metals.Mater Sci Tech- 低针状铁素体在夹杂物上形核的能垒，促进了钢中 nol,1996,12(3):237 针状铁素体的生成.C号钢稀土氧化物夹杂物比例 [8]Oh Y J,Lee S Y,Byun J S,et al.Non-metallic inclusions and

第 5 期 邓小旋等: 稀土处理钢中夹杂物对晶内针状铁素体形成的影响 图 6 夹杂物与微观组织的关系． ( a) B 号钢; ( b) C 号钢 Fig． 6 Relationship between inclusions and microstructure: ( a) Steel B; ( b) Steel C 特征方面，提高夹杂物体积分数也是获得高针状铁 素体体积分数的一个重要方法． 图 7 三种钢中夹杂物体积分数与针状铁素体体积分数的关系 Fig． 7 Relationship between the volume fractions of IAF and inclu￾sions for Steel A，B and C 从以上讨论可以看出，在稀土夹杂物作为核心 形核针状铁素体中，与铁素体有较低错配度的稀土 氧化物降低了形核的能垒，促进了铁素体以其为核 心形核． 高的体积分数又提供了更多的针状铁素体 的有效形核核心，夹杂物种类和体积分数的共同作 用导致了相对高的针状铁素体的体积分数． 4 结论 ( 1) 夹杂物析出的实验结果与 Factsage 计算软 件热力学计算的结果非常一致． 夹杂物种类和体积 分数的共同作用导致了高的针状铁素体体积分数． ( 2) 稀土氧化物与铁素体具有低的错配度，降 低针状铁素体在夹杂物上形核的能垒，促进了钢中 针状铁素体的生成． C 号钢稀土氧化物夹杂物比例 为 59% ，针状铁素体的体积分数达到 53% ． 反之， 与铁素体具有高达 42. 5% 的错配度的稀土硫化物 不利于针状铁素体的生成． B 号钢稀土硫化物夹杂 物比例为 80% ，针状铁素体的体积分数只有 12% ． ( 3) 针状铁素体的体积分数随着夹杂物的体积 分数增大而增大，当夹杂物体积分数达到 9. 5 × 10 － 4 时，针状铁素体的体积分数达到 53% ． 参 考 文 献 ［1］ Zhang D，Terasaki H，Komizo Y I． In situ observation of the for￾mation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in C-Mn steel． Acta Mater，2010，58( 4) : 1369 ［2］ Barbaro F J，Krauklis P，Easterling K E． Formation of acicular ferrite at oxide particles in steels． Mater Sci Technol，1989，5 ( 11) : 1057 ［3］ Shim J H，Oh Y J，Suh J Y，et al． Ferrite nucleation potency of non-metallic inclusions in medium carbon steels． Acta Mater， 2001，49( 12) : 2115 ［4］ Thewlis G． Effect of cerium sulphide particle dispersions on acicu￾lar ferrite microstructure development in steels． Mater Sci Technol， 2006，22( 2) : 153 ［5］ Furuhara T，Shinyoshi T，Miyamoto G，et al． Multiphase crystal￾lography in the nucleation of intragranular ferrite on MnS + V( C， N) complex precipitate in austenite． ISIJ Int，2003，43 ( 12 ) : 2028 ［6］ Bramfitt B L． The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron． Metall Mater Trans B，1970，1( 7) : 1987 ［7］ Zhang Z，Farrar R A． Role of non-metallic inclusions in the for￾mation of acicular ferrite in low alloy weld metals． Mater Sci Tech￾nol，1996，12( 3) : 237 ［8］ Oh Y J，Lee S Y，Byun J S，et al． Non-metallic inclusions and ·539·

·540· 北京科技大学学报 第34卷 acicular ferrite in low carbon steel.Mater Trans JIM,2000,41 [12]Jung I H,Eriksson G,Wu P,et al.Thermodynamic modeling of (12):1663 the Al,OTi2 O,-Ti02 system and its applications to the FeAl- LiC R,Yang H,Wen H.Thermodynamic analysis of modification Ti-0 inclusion diagram.ISI/Int,2009,49(9):1290 treatment of rare earth elements on inclusions in hard wire steel. [13]Chang C H,Jung I H,Park S C,et al.Effect of Mg on the evo- Hot Work Technol,2010,39(8)12 lution of non-metallic inclusions in the Mn-SiTi deoxidized steel (李长荣，杨洪，文辉.稀土元素对硬线钢中夹杂物的变性处 during solidification:experiments and thermodynamic calcula- 理.热加工工艺，2010,39(8)：12) tions.Ironmaking Steelmaking,2005,32 (3):251 [Vander Voort C F.Metallography,Principles and Practice.New [14]Madariaga I,Gutierrez I.Role of the particle-matrix interface on York McGraw-Hill,1984 the nucleation of acicular ferrite in a medium carbon microalloyed [11]Abson D J,Pargrter R J.Factors influencing as-deposited steel.Acta Mater,1999,47 (3):951 strength,microstructure,and toughness of manual metal arc [15]Mills A R,Thewlis G,Whiteman J A.Nature of inclusions in welds suitable for C-Mn steel fabrications.Int Met Rev,1986,31 steel weld metals and their influence on formation of acicularfer- (4):141 rite.Mater Sci Technol,1987,3(12):1051

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 acicular ferrite in low carbon steel． Mater Trans JIM，2000，41 ( 12) : 1663 ［9］ Li C R，Yang H，Wen H． Thermodynamic analysis of modification treatment of rare earth elements on inclusions in hard wire steel． Hot Work Technol，2010，39( 8) : 12 ( 李长荣，杨洪，文辉． 稀土元素对硬线钢中夹杂物的变性处 理． 热加工工艺，2010，39( 8) : 12) ［10］ Vander Voort G F． Metallography，Principles and Practice． New York: McGraw-Hill，1984 ［11］ Abson D J， Pargrter R J． Factors influencing as-deposited strength，microstructure，and toughness of manual metal arc welds suitable for C-Mn steel fabrications． Int Met Rev，1986，31 ( 4) : 141 ［12］ Jung I H，Eriksson G，Wu P，et al． Thermodynamic modeling of the Al2O3 -Ti2 O3 -TiO2 system and its applications to the Fe-Al￾Ti-O inclusion diagram． ISIJ Int，2009，49( 9) : 1290 ［13］ Chang C H，Jung I H，Park S C，et al． Effect of Mg on the evo￾lution of non-metallic inclusions in the Mn-Si-Ti deoxidized steel during solidification: experiments and thermodynamic calcula￾tions． Ironmaking Steelmaking，2005，32( 3) : 251 ［14］ Madariaga I，Gutiérrez I． Role of the particle-matrix interface on the nucleation of acicular ferrite in a medium carbon microalloyed steel． Acta Mater，1999，47( 3) : 951 ［15］ Mills A R，Thewlis G，Whiteman J A． Nature of inclusions in steel weld metals and their influence on formation of acicularfer￾rite． Mater Sci Technol，1987，3( 12) : 1051 ·540·