工程科学学报，第39卷.第2期：244-250.2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:244-250,February 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.012;http://journals.ustb.edu.cn 钇基稀土对E36钢板显微组织及冲击性能的影响 习小军12)，赖朝彬)四，李京社)，汪志刚，孙乐飞3》，陈英俊) 1)江西理工大学冶金与化学工程学院，赣州3410002)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)新余钢铁集团有限公司，新余338001 ☒通信作者，E-mail:13807905115@126.com 摘要运用扫描电镜及能谱等分析手段研究了钇基稀土对36钢中夹杂物的变质作用以及对显微组织和冲击性能的影 响.研究表明，钇基稀土改善了E36钢的显微组织，减少了珠光体的片间距和含量.加入钇基稀土后，36钢的冲击断口由典 型的解理断口变为准解理+韧窝型断口，韧窝中细小球状的稀土夹杂是其转变的主要原因.加入少量的钇基稀土显著改善 了36钢的冲击韧性，尤其是低温冲击性能.在-60℃情况下，E36R钢的纵向冲击功较E36钢提高了33.5%，横向冲击功 提高了113.7%.并且，钇基稀土显著改善了36钢纵横向冲击性能的差异性.未加稀土36钢的纵、横冲击比均大于1.70， -60℃条件下达到2.77，而E36Re钢的纵、横冲击比为1.51-1.73. 关键词稀土；钢板；显微组织：冲击性能 分类号TG142.1 Effect of Y-base rare earth on the microstructure and impact toughness of E36 steel plate XI Xiao-jun LAI Chao-bin,LI Jing-she,WANG Zhi-gang,SUN Le-fe,CHEN Ying-jun 1)School of Metallurgy and Chemical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000.China 2)School of Metallurgical and Ecologieal Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 3)Xinyu Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Xinyu 338001,China Corresponding author,E-mail:13807905115@126.com ABSTRACT The effect of Y-base rare earth on the inclusions modification,microstructure and impact toughness of E36 steel was in- vestigated by using scanning electron microscopy and energy spectrum analysis.The results indicate that Y-base rare earth improves the microstructure and reduces the interlamellar spacing and content of pearlite.The typical cleavage fracture of E36 steel is quasi- cleavage and dimple fracture when adding Y-base rare earth.Fine and spherical rare earth inclusions are the main reason for the frac- ture transformation.The impact toughness of E36 steel is improved obviously by Y-base rare earth,especially at the low temperature. In comparison with E36 steel without Y-base rare earth,the longitudinal impact energy of E36 steel containing Y-base rare earth is in- creased by 33.5%,and the transverse impact energy is increased by 113.7%at -60C.Moreover,the difference of longitudinal and transverse impact toughness is decreased by Y-base rare earth significantly.To E36 steel without Y-base rare earth,the proportion of longitudinal and transverse impact values is greater than 1.70 and it reaches 2.77 at-60C.And the proportion of longitudinal and transverse impact values is 1.51-1.73 for E36 steel plate containing Y-base rare earth. KEY WORDS rare earths;steel plate;microstructure;impact toughness 稀土作为一种重要的战略资源，对钢材综合性能 有显著的改善作用.近年来，随着稀土钢生产领域的 收稿日期：2016-04-20 基金项目：江西省高等学校科技落地计划资助项目(KLD13043):国家自然科学基金资助项目(51664021)
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:244鄄鄄250,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 244鄄鄄250, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 012; http: / / journals. ustb. edu. cn 钇基稀土对 E36 钢板显微组织及冲击性能的影响 习小军1,2) , 赖朝彬1) 苣 , 李京社2) , 汪志刚1) , 孙乐飞3) , 陈英俊3) 1) 江西理工大学冶金与化学工程学院, 赣州 341000 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 3) 新余钢铁集团有限公司, 新余 338001 苣 通信作者, E鄄mail: 13807905115@ 126. com 摘 要 运用扫描电镜及能谱等分析手段研究了钇基稀土对 E36 钢中夹杂物的变质作用以及对显微组织和冲击性能的影 响. 研究表明,钇基稀土改善了 E36 钢的显微组织,减少了珠光体的片间距和含量. 加入钇基稀土后,E36 钢的冲击断口由典 型的解理断口变为准解理 + 韧窝型断口,韧窝中细小球状的稀土夹杂是其转变的主要原因. 加入少量的钇基稀土显著改善 了 E36 钢的冲击韧性,尤其是低温冲击性能. 在 - 60 益 情况下,E36Re 钢的纵向冲击功较 E36 钢提高了 33郾 5% ,横向冲击功 提高了 113郾 7% . 并且,钇基稀土显著改善了 E36 钢纵横向冲击性能的差异性,未加稀土 E36 钢的纵、横冲击比均大于 1郾 70, - 60 益条件下达到 2郾 77,而 E36Re 钢的纵、横冲击比为 1郾 51 ~ 1郾 73. 关键词 稀土; 钢板; 显微组织; 冲击性能 分类号 TG142郾 1 Effect of Y鄄base rare earth on the microstructure and impact toughness of E36 steel plate XI Xiao鄄jun 1,2) , LAI Chao鄄bin 1) 苣 , LI Jing鄄she 2) , WANG Zhi鄄gang 1) , SUN Le鄄fei 3) , CHEN Ying鄄jun 3) 1) School of Metallurgy and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Xinyu Iron and Steel Group Co. , Ltd. , Xinyu 338001, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: 13807905115@ 126. com ABSTRACT The effect of Y鄄base rare earth on the inclusions modification, microstructure and impact toughness of E36 steel was in鄄 vestigated by using scanning electron microscopy and energy spectrum analysis. The results indicate that Y鄄base rare earth improves the microstructure and reduces the interlamellar spacing and content of pearlite. The typical cleavage fracture of E36 steel is quasi鄄 cleavage and dimple fracture when adding Y鄄base rare earth. Fine and spherical rare earth inclusions are the main reason for the frac鄄 ture transformation. The impact toughness of E36 steel is improved obviously by Y鄄base rare earth, especially at the low temperature. In comparison with E36 steel without Y鄄base rare earth, the longitudinal impact energy of E36 steel containing Y鄄base rare earth is in鄄 creased by 33郾 5% , and the transverse impact energy is increased by 113郾 7% at - 60 益 . Moreover, the difference of longitudinal and transverse impact toughness is decreased by Y鄄base rare earth significantly. To E36 steel without Y鄄base rare earth, the proportion of longitudinal and transverse impact values is greater than 1郾 70 and it reaches 2郾 77 at - 60 益 . And the proportion of longitudinal and transverse impact values is 1郾 51鄄鄄1郾 73 for E36 steel plate containing Y鄄base rare earth. KEY WORDS rare earths; steel plate; microstructure; impact toughness 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄20 基金项目: 江西省高等学校科技落地计划资助项目(KJLD13043); 国家自然科学基金资助项目(51664021) 稀土作为一种重要的战略资源,对钢材综合性能 有显著的改善作用. 近年来,随着稀土钢生产领域的
习小军等：钇基稀土对36钢板显微组织及冲击性能的影响 ·245· 飞速发展，稀土在钢中作用机理的研究也取得了较大 1试验材料与方法 的进展[).稀土对钢材冲击性能的影响一直是冶金工 作者的研究热题.前人研究表明[2-]，稀土主要通过净 1.1试验用钢的制备 化钢液及变质夹杂来提高钢材的冲击性能.但是，随 试验用钢取自南方某钢厂生产的E36钢板，其工 着冶炼设备的不断更新以及冶炼水平的不断提高，钢 业化生产流程为：高炉一铁水预处理一转炉一LF精 中稀土元素微合金化作用受到治金学者的关注.Lu 炼一连铸一入库一加热一除磷一轧制.其中，试验用 等o研究表明，低碳钢中加入稀土元素La和Ce能够E36Re钢板通过在LF精炼过程中喂入钇基稀土包芯 净化晶界、细化晶粒、增加铁素体含量，从而改善钢材线，钇基稀土包芯线成分如表1.为了分析比较钇基稀 的冲击性能.Lan等[)发现稀土元素Ce能够改善 土对36钢板冲击性能的影响，本试验确保未加稀土 CH13模具钢的枝晶组织、减少合金元素的偏析度，改 的E36钢板与加稀土的E36Re钢板的基础成分相同， 善钢材的冲击性能.杨吉春课题组[]研究发现稀土 并且轧制工艺及加热方式均相同.其中连铸坯厚度为 Ce能减少A36船板钢中珠光体量，使珠光体组织更加248mm,初轧共计10个道次，压下率为67.7%，初轧过 均匀，显著改善船板钢冲击韧性.目前，轻稀土元素改 程开轧温度为1091℃，终轧温度为1059℃.精轧共计 善不锈钢[9-o)、管线钢-1)、重轨钢3-16]以及船板 9个道次，压下率为63.8%，精轧过程开轧温度为816 钢⑧，冲击性能的研究较多，但是运用钇基稀土改善 ℃，终轧温度为790℃，轧后空冷.试验用钢的化学成 高强船板钢冲击性能的研究还未见报导.本文在借鉴 分如表2所示 前人研究的基础上，通过LF精炼过程中喂人钇基稀 表1钇基稀土包芯线化学成分（质量分数） 土包芯线.针对钇基稀土处理高强度E36钢板，进行 Table 1 Chemical composition of Y-base rare earth packet core 夏比冲击试验并借助扫描电镜以及能谱分析来探索 Ce La Si Ca Fe 钇基稀土改善E36钢板显微组织及冲击性能的 15.09 7.55 2.51 39.39 1.42 34.04 机理. 表236及E36Re钢板化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of E36 and E36Re steel plate % 钢板 Mn Cx 少 Mo A C Y E36 0.075 0.118 1.479 0.005 0.024 0.062 0.014 0.005 0.034 0 0 E36Re 0.078 0.233 1.446 0.003 0.020 0.081 0.014 0.007 0.039 0.006 0.023 1.2试验方法 按照国标GB/T2975规定，在钢板宽度方向的1/4 轧制方向 处切取冲击试样.V型冲击试样的尺寸为55mm×10 宽度 mm×l0mm,V型槽的开槽方向与轧制面垂直，其中， 纵向冲击试样与轧制方向平行，横向冲击试样与轧制 1/4宽度 纵向试样 方向垂直，如图1所示.采用Quanta扫描电镜及能谱 仪对冲击试样进行断裂机理分析，研究钇基稀土对 横向试样 E36钢板冲击性能的影响.采用ZEISS UITRA55扫描 图1取样示意图 电镜及能谱仪对显微组织及夹杂物的形貌进行观察测 Fig.1 Sampling schematic diagram of impact specimen 定，研究钇基稀土对显微组织的影响及钇基稀土对夹 杂物的变质作用. 由于稀土元素与钢液中非金属元素之间存在极化 作用，导致其原子半径减小，因而钇基稀土能够在钢中 2试验结果与讨论 固溶].固溶在钢中的稀土主要在晶界偏聚，降低了 2.1钇基稀土对36钢板显微组织的影响 晶界张力和界面能，晶粒长大的驱动力减小，奥氏体晶 E36及E36Re钢板的显观组织如图2所示.由 粒长大受到限制，把奥氏体晶粒长大推移到更高的温 图2可知，E36钢板的显微组织主要为铁素体和珠 度范围[6].奥氏体晶粒得到细化，增加了晶界的总面 光体.加入钇基稀土后，珠光体组织片间距减小， 积，也即增加了珠光体的形核位置，从而细化了珠光体 并且珠光体表现为退化态，如图2(b)所示.此外， 组织，珠光体片间距也相应减小].另一方面，稀土 E36Re钢板中珠光体量较E36钢板有所减少，如图 在晶界偏聚，阻碍了碳原子的扩散，延长了珠光体的转 2(d)所示. 变的孕育期，导致过冷度增加，根据下文公式，过冷度
习小军等: 钇基稀土对 E36 钢板显微组织及冲击性能的影响 飞速发展,稀土在钢中作用机理的研究也取得了较大 的进展[1] . 稀土对钢材冲击性能的影响一直是冶金工 作者的研究热题. 前人研究表明[2鄄鄄5] ,稀土主要通过净 化钢液及变质夹杂来提高钢材的冲击性能. 但是,随 着冶炼设备的不断更新以及冶炼水平的不断提高,钢 中稀土元素微合金化作用受到冶金学者的关注. Liu 等[6]研究表明,低碳钢中加入稀土元素 La 和 Ce 能够 净化晶界、细化晶粒、增加铁素体含量,从而改善钢材 的冲击性能. Lan 等[7] 发现稀土元素 Ce 能够改善 CH13 模具钢的枝晶组织、减少合金元素的偏析度,改 善钢材的冲击性能. 杨吉春课题组[8] 研究发现稀土 Ce 能减少 A36 船板钢中珠光体量,使珠光体组织更加 均匀,显著改善船板钢冲击韧性. 目前,轻稀土元素改 善不 锈 钢[9鄄鄄10] 、 管 线 钢[11鄄鄄12] 、 重 轨 钢[13鄄鄄16] 以 及 船 板 钢[8,17]冲击性能的研究较多,但是运用钇基稀土改善 高强船板钢冲击性能的研究还未见报导. 本文在借鉴 前人研究的基础上,通过 LF 精炼过程中喂入钇基稀 土包芯线. 针对钇基稀土处理高强度 E36 钢板,进行 夏比冲击试验并借助扫描电镜以及能谱分析来探索 钇基稀 土 改 善 E36 钢 板 显 微 组 织 及 冲 击 性 能 的 机理. 1 试验材料与方法 1郾 1 试验用钢的制备 试验用钢取自南方某钢厂生产的 E36 钢板,其工 业化生产流程为:高炉—铁水预处理—转炉—LF 精 炼—连铸—入库—加热—除磷—轧制. 其中,试验用 E36Re 钢板通过在 LF 精炼过程中喂入钇基稀土包芯 线,钇基稀土包芯线成分如表 1. 为了分析比较钇基稀 土对 E36 钢板冲击性能的影响,本试验确保未加稀土 的 E36 钢板与加稀土的 E36Re 钢板的基础成分相同, 并且轧制工艺及加热方式均相同. 其中连铸坯厚度为 248 mm,初轧共计10 个道次,压下率为67郾 7% ,初轧过 程开轧温度为 1091 益 ,终轧温度为 1059 益 . 精轧共计 9 个道次,压下率为 63郾 8% ,精轧过程开轧温度为 816 益 ,终轧温度为 790 益 ,轧后空冷. 试验用钢的化学成 分如表 2 所示. 表 1 钇基稀土包芯线化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of Y鄄base rare earth packet core % Y Ce La Si Ca Fe 15郾 09 7郾 55 2郾 51 39郾 39 1郾 42 34郾 04 表 2 E36 及 E36Re 钢板化学成分(质量分数) Table 2 Chemical composition of E36 and E36Re steel plate % 钢板 C Si Mn S P Cr Ni Mo Al Ce Y E36 0郾 075 0郾 118 1郾 479 0郾 005 0郾 024 0郾 062 0郾 014 0郾 005 0郾 034 0 0 E36Re 0郾 078 0郾 233 1郾 446 0郾 003 0郾 020 0郾 081 0郾 014 0郾 007 0郾 039 0郾 006 0郾 023 1郾 2 试验方法 按照国标 GB/ T2975 规定,在钢板宽度方向的 1 / 4 处切取冲击试样. V 型冲击试样的尺寸为 55 mm 伊 10 mm 伊 10 mm,V 型槽的开槽方向与轧制面垂直,其中, 纵向冲击试样与轧制方向平行,横向冲击试样与轧制 方向垂直,如图 1 所示. 采用 Quanta 扫描电镜及能谱 仪对冲击试样进行断裂机理分析,研究钇基稀土对 E36 钢板冲击性能的影响. 采用 ZEISS UITRA 55 扫描 电镜及能谱仪对显微组织及夹杂物的形貌进行观察测 定,研究钇基稀土对显微组织的影响及钇基稀土对夹 杂物的变质作用. 2 试验结果与讨论 2郾 1 钇基稀土对 E36 钢板显微组织的影响 E36 及 E36Re 钢板的显观组织如图 2 所示. 由 图 2 可知,E36 钢板的显微组织主要为铁素体和珠 光体. 加入钇基稀土后,珠光体组织片间距减小, 并且珠光体表现为退化态,如图 2 ( b) 所示. 此外, E36Re 钢板中珠光体量较 E36 钢板有所减少,如图 2( d) 所示. 图 1 取样示意图 Fig. 1 Sampling schematic diagram of impact specimen 由于稀土元素与钢液中非金属元素之间存在极化 作用,导致其原子半径减小,因而钇基稀土能够在钢中 固溶[18] . 固溶在钢中的稀土主要在晶界偏聚,降低了 晶界张力和界面能,晶粒长大的驱动力减小,奥氏体晶 粒长大受到限制,把奥氏体晶粒长大推移到更高的温 度范围[16] . 奥氏体晶粒得到细化,增加了晶界的总面 积,也即增加了珠光体的形核位置,从而细化了珠光体 组织,珠光体片间距也相应减小[19] . 另一方面,稀土 在晶界偏聚,阻碍了碳原子的扩散,延长了珠光体的转 变的孕育期,导致过冷度增加,根据下文公式,过冷度 ·245·
·246· 工程科学学报，第39卷，第2期 24m 2μm 24m 2四 图236及E36Re钢显微组织图.(a)E36钢纵向：(b)E36Re钢纵向：(c)E36钢横向：(d)E36Re钢横向 Fig.2 Microstructure of E36 and E36Re steel:(a)longitudinal of E36 steel;(b)longitudinal of E36Re steel;(e)transverse of E36 steel;(d) transverse of E36Re steel 增加导致珠光体片间距减小[2].此外，偏聚于晶界的 本接近[)]，并且其形状多为球状或椭球状能够减少 稀土与碳相结合，形成具有高熔点的ReC,、Re,C,等稀 应力集中.因此，稀土夹杂与钢基体具有良好的适配 土碳化物，使原本固溶在奥氏体中的碳含量相应减少， 性.在钢热加工变形的过程中，稀土夹杂仍保持着细 导致珠光体中碳含量减少，珠光体量也相应减少]. 小的球状或纺锤状，均匀的分布在钢中，可以避免钢材 并且稀土碳化物难以稳定存在，只能通过置换渗碳体 热加工冷却时在夹杂物周围产生较大的附加应力2]. 中的Fe原子形成合金渗碳体，使碳化物变短变粗，珠 因此，钢中夹杂物的变质能增加夹杂物与晶界抵抗裂 光体形貌显著退化[四] 纹形成与扩展的能力，有利于提高钢材的冲击 8.02 性能[2w) So=AT ×103 2.3钇基稀土对E36钢板冲击韧性的影响 式中：S。为珠光体片间距；△T为过冷度 2.3.1冲击性能 2.2钇基稀土对E36钢板夹杂物的变质作用 平均冲击功-温度曲线，即冲击功的韧脆性转变 未加稀土的E36钢板中发现有长条状的夹杂物， 曲线见图4.由图4(a)、4(b)可以看出，钇基稀土明显 如图3(a)所示，图3(b)能谱分析表明，这类长条状的 改善了36钢板的冲击性能，尤其是低温冲击性能. 夹杂物主要为Mns夹杂，长度约为20um,严重破坏了 在-60℃下，E36Re钢板的纵向冲击功较36钢板提 钢基体的连续性，可显著降低钢材的横向冲击韧 高了33.5%，横向冲击功提高了113.7%.另一方面， 性[2].图3(c)3(e)为E36Re钢板金相视场照片，由 钇基稀土处理对钢板横向冲击性能的改善作用更大， 图3(c)3(e)可以看出，加入钇基稀土后，改善了夹 如图4(c)所示，E36钢板的纵向冲击值均大于相应横 杂物的形貌和大小，形成了圆形或椭圆形的稀土夹杂 向冲击值的1.70倍，在-20℃下纵横冲击比显著增 物.图3(d)、3()能谱图进一步说明，稀土元素与钢 大，至低温-60℃下纵横冲击比达到2.77倍.而 液中的氧、硫元素反应形成了类球状稀土氧化物复合 E36Re钢板的纵、横冲击比为1.51~1.73，钇基稀土显 稀土硫氧化物夹杂，直径约为2~3m,长条状的MnS 著改善了钢板纵横向冲击性能的差异性 夹杂消失 2.3.2断口形貌 由此可见，36钢板中加入钇基稀土后，钢中的 -60℃温度下，E36及E36Re钢板冲击断口形貌 氧、硫与稀土元素发生作用，形成了稀土氧化物复合稀 如图5所示.由图5(a)、5(b)可知，未加稀土的E36 土硫氧化物夹杂，夹杂物的形貌和大小发生变化，稀土 钢板纵横向冲击断口呈现解理花样，表现为解理断口 元素起到了很好的变质夹杂物的作用.稀土夹杂物相 的特征，说明E36钢板在冲击时裂纹主要是穿晶扩 比较MS夹杂，其热膨胀系数和弹性模量与钢基体基 展.而加入稀土后，E36Re钢板纵向冲击断口区域呈
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 图 2 E36 及 E36Re 钢显微组织图. (a) E36 钢纵向; (b) E36Re 钢纵向; (c) E36 钢横向; (d) E36Re 钢横向 Fig. 2 Microstructure of E36 and E36Re steel: (a)longitudinal of E36 steel; (b) longitudinal of E36Re steel; ( c) transverse of E36 steel; ( d) transverse of E36Re steel 增加导致珠光体片间距减小[20] . 此外,偏聚于晶界的 稀土与碳相结合,形成具有高熔点的 ReC3 、Re2C3等稀 土碳化物,使原本固溶在奥氏体中的碳含量相应减少, 导致珠光体中碳含量减少,珠光体量也相应减少[21] . 并且稀土碳化物难以稳定存在,只能通过置换渗碳体 中的 Fe 原子形成合金渗碳体,使碳化物变短变粗,珠 光体形貌显著退化[22] . S0 = 8郾 02 驻T 伊 10 3 . 式中:S0 为珠光体片间距; 驻T 为过冷度. 2郾 2 钇基稀土对 E36 钢板夹杂物的变质作用 未加稀土的 E36 钢板中发现有长条状的夹杂物, 如图 3(a)所示,图 3(b)能谱分析表明,这类长条状的 夹杂物主要为 MnS 夹杂,长度约为 20 滋m,严重破坏了 钢基体 的 连 续 性, 可 显 著 降 低 钢 材 的 横 向 冲 击 韧 性[23] . 图 3(c)、3(e)为 E36Re 钢板金相视场照片,由 图 3(c) 、3( e)可以看出,加入钇基稀土后,改善了夹 杂物的形貌和大小,形成了圆形或椭圆形的稀土夹杂 物. 图 3(d)、3( f)能谱图进一步说明,稀土元素与钢 液中的氧、硫元素反应形成了类球状稀土氧化物复合 稀土硫氧化物夹杂,直径约为 2 ~ 3 滋m,长条状的 MnS 夹杂消失. 由此可见,E36 钢板中加入钇基稀土后,钢中的 氧、硫与稀土元素发生作用,形成了稀土氧化物复合稀 土硫氧化物夹杂,夹杂物的形貌和大小发生变化,稀土 元素起到了很好的变质夹杂物的作用. 稀土夹杂物相 比较 MnS 夹杂,其热膨胀系数和弹性模量与钢基体基 本接近[24] ,并且其形状多为球状或椭球状,能够减少 应力集中. 因此,稀土夹杂与钢基体具有良好的适配 性. 在钢热加工变形的过程中,稀土夹杂仍保持着细 小的球状或纺锤状,均匀的分布在钢中,可以避免钢材 热加工冷却时在夹杂物周围产生较大的附加应力[25] . 因此,钢中夹杂物的变质能增加夹杂物与晶界抵抗裂 纹 形 成 与 扩 展 的 能 力, 有 利 于 提 高 钢 材 的 冲 击 性能[26] . 2郾 3 钇基稀土对 E36 钢板冲击韧性的影响 2郾 3郾 1 冲击性能 平均冲击功鄄鄄温度曲线,即冲击功的韧脆性转变 曲线见图 4. 由图 4(a)、4(b)可以看出,钇基稀土明显 改善了 E36 钢板的冲击性能,尤其是低温冲击性能. 在 - 60 益 下,E36Re 钢板的纵向冲击功较 E36 钢板提 高了 33郾 5% ,横向冲击功提高了 113郾 7% . 另一方面, 钇基稀土处理对钢板横向冲击性能的改善作用更大, 如图 4(c)所示,E36 钢板的纵向冲击值均大于相应横 向冲击值的 1郾 70 倍,在 - 20 益 下纵横冲击比显著增 大,至低温 - 60 益 下纵横冲击比达到 2郾 77 倍. 而 E36Re 钢板的纵、横冲击比为 1郾 51 ~ 1郾 73,钇基稀土显 著改善了钢板纵横向冲击性能的差异性. 2郾 3郾 2 断口形貌 - 60 益温度下,E36 及 E36Re 钢板冲击断口形貌 如图 5 所示. 由图 5( a)、5( b) 可知,未加稀土的 E36 钢板纵横向冲击断口呈现解理花样,表现为解理断口 的特征,说明 E36 钢板在冲击时裂纹主要是穿晶扩 展. 而加入稀土后,E36Re 钢板纵向冲击断口区域呈 ·246·
习小军等：钇基稀土对36钢板显微组织及冲击性能的影响 ·247· 2000 b 1500 1000 Fe 500M Mn 2 6 10m 能量keV 3000 d 2500 2000 图 1000 500 Fe 0 10 5 um 能量kcV 4000- 3500 3000 2500 谱图 2000 1500 1000 & Fe 500 0 2 4 810 54m 能量keV 图3E36钢中夹杂物扫描电镜形貌(a)及其能谱(b):E36Re钢中稀土复合夹杂物扫描电镜形貌(c)及其能谱(d):E36Re钢中稀土复合 夹杂物扫描电镜形貌(e)及其能谱(f) Fig.3 SEM image (a)and EDS spectrum (b)of inclusions in E36 steel;SEM image (c)and EDS spectrum (d)of rare earth complex inclusions in E36Re steel:SEM image (e)and EDS spectrum (f)of rare earth complex inclusions in E36Re steel 现少量的浅韧窝，在韧窝底部伴有少量的球状夹杂物，中MS夹杂沿着轧制方向延伸，形成薄片带状的夹 表现为准解理断口的特征，如图5(c)所示.图5(d)能杂，破坏了钢基体的连续性2].并且，长条状的MS 谱分析表明这些球状夹杂物主要为稀土氧硫化物夹 夹杂与基体融合性较差，当钢板受到强烈冲击时，由于 杂.而横向冲击断口区域呈现韧窝断口形貌，韧窝较 MnS夹杂与钢基体热膨胀系数及塑变能力的不同[2] 深，数量也较多.在韧窝底部伴有大量小颗粒的球状 MS夹杂强烈地阻碍位错运动，造成位错塞积，产生应 夹杂，如图5(e)所示.图5()能谱分析表明这些小颗 力集中，导致显微裂纹萌生于带状夹杂物与钢基体界 粒夹杂物主要为稀土氧硫化物夹杂，这些球状稀土夹 面处，随着应力集中的不断加剧及弹性能的不断累积， 杂与韧窝之间存在较大的空隙，说明E36Re钢板在断 显微裂纹沿着条状夹杂物扩展[25] 裂前发生过较大的塑性变形. 加入钇基稀土的E36Re钢板，冲击断口呈现准解 对于E36及E36Re钢板，除E36Re钢板中加入钇 理+韧窝混合断口的特征，在韧窝底部存在大量细小 基稀土外，两者化学成分基本相同.因此，两者的裂纹 球状稀土夹杂物.这些细小的稀土夹杂物减缓了应力 形成阶段相似，晶界净化状况以及钇基稀土夹杂物的 集中，使得夹杂物不易由钢基体脱离，当裂纹扩展到夹 形态及分布是影响钢材冲击性能的主要因素.冲击性 杂物处时，这些夹杂物对裂纹扩展起到缓冲作用，阻碍 能受裂纹形成与扩展两阶段的影响，对于体心立方的 了裂纹的扩展].并且稀土夹杂物的热膨胀系数为 铁原子来说，通常会发生以{100}为解理面的解理断 1.15×105℃1，与钢基体的热膨胀系数1.25× 裂2)].未加稀土E36钢板主要为MnS夹杂，轧制过程 105℃接近，这样就避免了钢材热加工过程中夹杂
习小军等: 钇基稀土对 E36 钢板显微组织及冲击性能的影响 图 3 E36 钢中夹杂物扫描电镜形貌(a)及其能谱(b); E36Re 钢中稀土复合夹杂物扫描电镜形貌( c)及其能谱( d); E36Re 钢中稀土复合 夹杂物扫描电镜形貌(e) 及其能谱(f) Fig. 3 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of inclusions in E36 steel; SEM image (c) and EDS spectrum (d) of rare earth complex inclusions in E36Re steel; SEM image (e) and EDS spectrum (f) of rare earth complex inclusions in E36Re steel 现少量的浅韧窝,在韧窝底部伴有少量的球状夹杂物, 表现为准解理断口的特征,如图 5(c)所示. 图 5(d)能 谱分析表明这些球状夹杂物主要为稀土氧硫化物夹 杂. 而横向冲击断口区域呈现韧窝断口形貌,韧窝较 深,数量也较多. 在韧窝底部伴有大量小颗粒的球状 夹杂,如图 5(e)所示. 图 5(f)能谱分析表明这些小颗 粒夹杂物主要为稀土氧硫化物夹杂,这些球状稀土夹 杂与韧窝之间存在较大的空隙,说明 E36Re 钢板在断 裂前发生过较大的塑性变形. 对于 E36 及 E36Re 钢板,除 E36Re 钢板中加入钇 基稀土外,两者化学成分基本相同. 因此,两者的裂纹 形成阶段相似,晶界净化状况以及钇基稀土夹杂物的 形态及分布是影响钢材冲击性能的主要因素. 冲击性 能受裂纹形成与扩展两阶段的影响,对于体心立方的 铁原子来说,通常会发生以{100} 为解理面的解理断 裂[27] . 未加稀土 E36 钢板主要为 MnS 夹杂,轧制过程 中 MnS 夹杂沿着轧制方向延伸,形成薄片带状的夹 杂,破坏了钢基体的连续性[24] . 并且,长条状的 MnS 夹杂与基体融合性较差,当钢板受到强烈冲击时,由于 MnS 夹杂与钢基体热膨胀系数及塑变能力的不同[28] , MnS 夹杂强烈地阻碍位错运动,造成位错塞积,产生应 力集中,导致显微裂纹萌生于带状夹杂物与钢基体界 面处,随着应力集中的不断加剧及弹性能的不断累积, 显微裂纹沿着条状夹杂物扩展[25] . 加入钇基稀土的 E36Re 钢板,冲击断口呈现准解 理 + 韧窝混合断口的特征,在韧窝底部存在大量细小 球状稀土夹杂物. 这些细小的稀土夹杂物减缓了应力 集中,使得夹杂物不易由钢基体脱离,当裂纹扩展到夹 杂物处时,这些夹杂物对裂纹扩展起到缓冲作用,阻碍 了裂纹的扩展[25] . 并且稀土夹杂物的热膨胀系数为 1郾 15 伊 10 - 5 益 - 1 ,与 钢 基 体 的 热 膨 胀 系 数 1郾 25 伊 10 - 5 益 - 1接近,这样就避免了钢材热加工过程中夹杂 ·247·
·248· 工程科学学报，第39卷，第2期 240(a 160b) 220 45.6 140 52.8 :34.4 120 66.9 200 100 180 49.6 60.7 80 160 -E36 60 -E36 -E36Re ·E36Re 140L 40 -60 40 -20 0 20 -60 -40-20 020 温度℃ 温度 3.0r (c 2.8 E36 -.-E36Re 2.6 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 -60 -40 -20 0 20 洱度℃ 图436及36Re钢板冲击功与温度之间的关系，(a)纵向：(b)横向：(c)纵向与横向冲击值的比值 Fig.4 Relationship between impact value of impact specimens and temperature:(a)longitudinal;(b)transverse;(c)multiple of longitudinal and transverse impact value 物与钢基体界面处形成复杂的应力场成为裂纹源，危 性急剧降低[a].加入钇基稀土后，钢中MnS夹杂变质 害钢材的冲击性能[2].细小球状的稀土夹杂在承受 成细小且不易变形的高熔点稀土夹杂，这类稀土夹杂 冲击载荷时不会产生明显的应力集中，只有在较大的 物在轧制过程中始终保持着原有的形状，没有方向性， 应变作用下，才以夹杂物/基体界面分离的方式形核生 不受轧制过程的影响[2]，故使得钢板的横向冲击性能 成空穴，成为韧窝[].因此裂纹萌生时间延长，萌生 得到改善，纵横冲击比降低 功显著提高.另一方面，细小球状的稀土夹杂物质地 坚硬，与母体存在相对变形，使得裂纹尖端变钝，裂纹 3结论 扩展阻力进一步增大.同时，当裂纹扩展到稀土夹杂 (1)E36钢板中加入钇基稀土后，珠光体组织得 物边缘时，必须绕过夹杂物，这样即增大了裂纹扩展合 到改善，珠光体片间距及含量减少，并且珠光体形貌表 并的总路径，出现了夹杂物阻碍裂纹扩展的现象[] 现为退化态 所以材料的裂纹扩展功得以提高，使钢的韧性大为改 (2)未加钇基稀土的E36钢板中主要为长条状 善.此外，E36钢板中加入钇基稀土，S含量有所降低， MS夹杂，加入钇基稀土后，钢中出现大量细小球状稀 说明稀土具有较强的深脱硫能力.偏聚于晶界的稀土 土夹杂.试验钢冲击断口由未加稀土时的解理断口变 元素降低了杂质元素S在晶界的聚集，从而净化并强 为准解理+韧窝断口 化了晶界.钢材在承受冲击载荷时，晶界可以吸收更 (3)钇基稀土显著改善了E36钢板冲击韧性，尤 多裂纹扩展能量，由此提高了钢材的冲击性能[2] 其是低温冲击韧性，-60℃下E36Re钢板纵向冲击值 造成E36钢板纵横向冲击性能差异的原因主要 较36钢板提高了33.5%，横向提高了113.7%.并 是钢液中形成的MS夹杂在钢液凝固时来不及上浮 且钇基稀土改善了E36钢板纵横向冲击性能的差异， 去除而容易嵌入基体中，形成塑性夹杂物.在轧制过 未加稀土E36钢板纵横向冲击比均大于1.70，-60℃ 程中，MS夹杂随基体一起变形，延伸变成条带状、线 下达到2.77，而E36Re钢板纵横向冲击比在1.51~ 段状，对钢基体起到明显的割裂作用，导致横向冲击韧 1.73之间
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 图 4 E36 及 E36Re 钢板冲击功与温度之间的关系 郾 (a) 纵向; (b) 横向; (c) 纵向与横向冲击值的比值 Fig. 4 Relationship between impact value of impact specimens and temperature: (a) longitudinal; (b) transverse; (c) multiple of longitudinal and transverse impact value 物与钢基体界面处形成复杂的应力场成为裂纹源,危 害钢材的冲击性能[24] . 细小球状的稀土夹杂在承受 冲击载荷时不会产生明显的应力集中,只有在较大的 应变作用下,才以夹杂物/ 基体界面分离的方式形核生 成空穴,成为韧窝[29] . 因此裂纹萌生时间延长,萌生 功显著提高. 另一方面,细小球状的稀土夹杂物质地 坚硬,与母体存在相对变形,使得裂纹尖端变钝,裂纹 扩展阻力进一步增大. 同时,当裂纹扩展到稀土夹杂 物边缘时,必须绕过夹杂物,这样即增大了裂纹扩展合 并的总路径,出现了夹杂物阻碍裂纹扩展的现象[29] . 所以材料的裂纹扩展功得以提高,使钢的韧性大为改 善. 此外,E36 钢板中加入钇基稀土,S 含量有所降低, 说明稀土具有较强的深脱硫能力. 偏聚于晶界的稀土 元素降低了杂质元素 S 在晶界的聚集,从而净化并强 化了晶界. 钢材在承受冲击载荷时,晶界可以吸收更 多裂纹扩展能量,由此提高了钢材的冲击性能[25] . 造成 E36 钢板纵横向冲击性能差异的原因主要 是钢液中形成的 MnS 夹杂在钢液凝固时来不及上浮 去除而容易嵌入基体中,形成塑性夹杂物. 在轧制过 程中,MnS 夹杂随基体一起变形,延伸变成条带状、线 段状,对钢基体起到明显的割裂作用,导致横向冲击韧 性急剧降低[23] . 加入钇基稀土后,钢中 MnS 夹杂变质 成细小且不易变形的高熔点稀土夹杂,这类稀土夹杂 物在轧制过程中始终保持着原有的形状,没有方向性, 不受轧制过程的影响[29] ,故使得钢板的横向冲击性能 得到改善,纵横冲击比降低. 3 结论 (1) E36 钢板中加入钇基稀土后,珠光体组织得 到改善,珠光体片间距及含量减少,并且珠光体形貌表 现为退化态. (2)未加钇基稀土的 E36 钢板中主要为长条状 MnS 夹杂,加入钇基稀土后,钢中出现大量细小球状稀 土夹杂. 试验钢冲击断口由未加稀土时的解理断口变 为准解理 + 韧窝断口. (3)钇基稀土显著改善了 E36 钢板冲击韧性,尤 其是低温冲击韧性, - 60 益 下 E36Re 钢板纵向冲击值 较 E36 钢板提高了 33郾 5% ,横向提高了 113郾 7% . 并 且钇基稀土改善了 E36 钢板纵横向冲击性能的差异, 未加稀土 E36 钢板纵横向冲击比均大于 1郾 70, - 60 益 下达到 2郾 77,而 E36Re 钢板纵横向冲击比在 1郾 51 ~ 1郾 73 之间. ·248·
习小军等：钇基稀土对36钢板显微组织及冲击性能的影响 ·249· 40 um 40 jm 3500 3000 2500 2000 1000 Ce 500 La 46 810 204m 能量keV 3500 ) 3000 2500 2000 1000 Fe L La Ce 2 6 8 10 20 um 能量keV 图5-60℃时36及E36Re钢冲击断口形貌及断口夹杂物能谱.(a)E36钢纵向断口形貌：(b)E36钢横向断口形貌；(c)E36Re钢纵 向断口形貌：(d)E36Rc钢纵向断口夹杂物能谱：(e)E36Re钢横向断口形貌：(f)E36Re钢横向断口夹杂物能谱 Fig.5 Fractography and EDS spectra of fracture inclusions of E36 and E36Re steel at -60C:(a)longitudinal fractography of E36 steel;(b) transverse fractography of E36 steel;(e)longitudinal fractography of E36Re steel;(d)EDS of inclusions in the longitudinal fracture of E36Re steel; (e)transverse fractography of E36Re steel;(f)EDS of inclusions in the transverse fracture of E36Re steel 参考文献 Journal,1992,10(1):307 [1]Yang J L.Effect of Rare Earth Ce on the Microstructure and Me- [5]Shi L Q,Chen J Z,Northwood D O.Inclusion control in a 16 Mn chanical Properties of 65Mn Steel Dissertation ]Taiyuan: steel using a combined rare earth and calcium treatment.I Mater Taiyuan University of Technology,2015 Emg,1991,13(4):273 (杨佳林.微量Ce对65M显微组织和力学性能的影响[学位 [6]Liu H L,Liu C J,Jiang M F.Effect of rare earths on impact 论文].太原：太原理工大学，2015) toughness of a low-carbon steel.Mater Des,2012,33:306 [2] Wilson WC.Kay D A R,Vahed A.The use of thermodynamies [7]Lan J,He J J,Ding W J,et al.Effect of rare earth metals on the and phase equilibriums to predict the behavior of the rare earth el- microstructure and impact toughness of a cast 0.4C-5Cr-1.2-Mo- ements in steel.JOM,1974,26(5):14 L.0 Vsteel.IS0,2000.40(12):1275 [3]Luyckx L.Bell J R,MeLean A,et al.Sulfide shape control in [8]Yu HC.Effect of Rare-earth Ce on the Microstructure and Proper high strength low alloy steels.Metall Mater Trans B,1970,1 ties of A36 Ship Plant Steel [Dissertation].Baotou:Inner Mongo (12):3341 lia University of Science and Technology,2014 [4]Alan D.Kay R.High temperature thermodynamics and applica (余海存.稀土Ce对A36船板钢组织及性能的研究[学位论 tions of rare earth oxides and sulphides in ferrous metallurgy.Min- 文].包头：内蒙古科技大学，2014) eral Processing and Extractive Metallurgy Review:An International [9]Liu X.Liang JL.Effect of rare earth metals on microstructure and
习小军等: 钇基稀土对 E36 钢板显微组织及冲击性能的影响 图 5 - 60 益时 E36 及 E36Re 钢冲击断口形貌及断口夹杂物能谱 郾 (a) E36 钢纵向断口形貌; (b) E36 钢横向断口形貌; (c) E36Re 钢纵 向断口形貌; (d) E36Re 钢纵向断口夹杂物能谱; (e) E36Re 钢横向断口形貌; (f) E36Re 钢横向断口夹杂物能谱 Fig. 5 Fractography and EDS spectra of fracture inclusions of E36 and E36Re steel at - 60 益 : ( a) longitudinal fractography of E36 steel; ( b) transverse fractography of E36 steel; (c) longitudinal fractography of E36Re steel; (d) EDS of inclusions in the longitudinal fracture of E36Re steel; (e) transverse fractography of E36Re steel; (f) EDS of inclusions in the transverse fracture of E36Re steel 参 考 文 献 [1] Yang J L. Effect of Rare Earth Ce on the Microstructure and Me鄄 chanical Properties of 65Mn Steel [ Dissertation ]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2015 (杨佳林. 微量 Ce 对 65Mn 显微组织和力学性能的影响[学位 论文]. 太原: 太原理工大学, 2015) [2] Wilson W G, Kay D A R, Vahed A. The use of thermodynamics and phase equilibriums to predict the behavior of the rare earth el鄄 ements in steel. JOM, 1974, 26(5):14 [3] Luyckx L, Bell J R, McLean A, et al. Sulfide shape control in high strength low alloy steels. Metall Mater Trans B, 1970, 1 (12): 3341 [4] Alan D, Kay R. High temperature thermodynamics and applica鄄 tions of rare earth oxides and sulphides in ferrous metallurgy. Min鄄 eral Processing and Extractive Metallurgy Review: An International Journal, 1992, 10(1): 307 [5] Shi L Q, Chen J Z,Northwood D O. Inclusion control in a 16 Mn steel using a combined rare earth and calcium treatment. J Mater Eng, 1991, 13(4): 273 [6] Liu H L, Liu C J, Jiang M F. Effect of rare earths on impact toughness of a low鄄carbon steel. Mater Des, 2012, 33: 306 [7] Lan J, He J J, Ding W J, et al. Effect of rare earth metals on the microstructure and impact toughness of a cast 0郾 4C鄄鄄 5Cr鄄鄄 1郾 2鄄鄄 Mo鄄鄄 1郾 0Vsteel. ISIJ Int, 2000, 40(12): 1275 [8] Yu H C. Effect of Rare鄄earth Ce on the Microstructure and Proper鄄 ties of A36 Ship Plant Steel [Dissertation]. Baotou: Inner Mongo鄄 lia University of Science and Technology, 2014 (余海存. 稀土 Ce 对 A36 船板钢组织及性能的研究[学位论 文]. 包头: 内蒙古科技大学, 2014) [9] Liu X, Liang J L. Effect of rare earth metals on microstructure and ·249·
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