D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.05.20 第32卷第5期 北京科技大学学报 Vo132 No 5 2010年5月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing May 2010 稀土对2C13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 刘晓” 杨吉春》高学中3》 1)钢铁研究总院治金工艺所.北京1000812)内蒙古科技大学材料与治金学院，包头014010 3)鞍钢股份有限公司第一炼钢厂，鞍山114021 摘要采用金相、扫描电镜和能谱等分析手段研究了稀土元素铈对2C13不锈钢中夹杂物的变质作用以及对冲击性能的影 响.结果表明：稀土元素改善了2C3不锈钢夹杂物的形貌和大小，未加稀土的钢的断口是典型的解理断裂.加稀土后钢的断 口是准解理十韧窝型，韧窝中出现的细小球状稀士硫氧化物夹杂是其转变的主要原因：加微量稀土元素铈的试样低温横向冲 击性能比未加稀土的试样大幅度提高.一40℃时提高了545%. 关键词不锈钢：稀土：夹杂物：冲击韧性 分类号TG14213 Effects of RE on the inclusions and m pact toughness of2Cn3 sta inless steel LUU Xiao).YANG Jichun GAO Xue hongs) 1)Mem luggy Depamment Central Ion and Steel Research hstitue Beijng 100081.China 2)Matera ls andMemllungy School Inner Mongo lia University of Science ad Techokgy Baoto014010 China 3)The First Stee making Pant Angang Steel Company Lm ited Anshan 114021 China ABSTRACT The effects ofCe on he inc jusjons and the mpact toughness of2Cn3 stan ess steel were sudied bym enllographic ex amination scann ing eectonm icroscope SEM)and energy spectnm analsis The results show that adding Ce np he steel mproves the shape and size of ncls ons The fracture mode ofCn3 stainless steel is tp ical cleavage fracture but quasicleavage and diple fracture after add ing Ce no the steel and the spherical inclusions of rare earth oxysu lfide n he dip l ae he main acpr pr his transfomation The tansverse mpact pughness of2Cn3 stanless steel is mproved obviously by rare eart In comparison w ith2C3 san less steelw ithout Ce he transverse inpact toughness of2C3 sun less steelw ith Ce is increased 54 55%at-40C. KEY WORDS stailess steel rare eart incusians in pact toughness 2CI3不锈钢是一种高合金马氏体型不锈耐热 发现热变形后的板条马氏体得到了细化且具有一定 钢，因具有高强度、高韧性、高耐蚀性、抗氧化性和足 的方向性⑨，但并未对其力学性能做详细研究. 够的热强性，使其具有较好的综合力学性能而广泛 鉴于目前稀土对2C13不锈钢力学性能的影响 应用于汽轮发电机转子末级叶片、紧固螺栓及要求 未见报道，本文通过加入微量稀土元素C来处理 有高抗蚀性、高强韧性的容器和构件上1.但是， 2C13不锈钢，探索稀土对夹杂物的变质作用以及 在应用中构件的主要破坏形式是由于硫化物夹杂和 稀土对2C43马氏体不锈钢室温和低温冲击韧性的 应力腐蚀等引起的脆性断裂s.前人通过加入合 影响. 金元素来消除或减弱2CI3不锈钢的这些不利因素 1实验材料和方法 已做过不少研究：徐文亮等在2C13钢中加入适量 N和M哈金元素，材料的抗拉强度和冲击功明显 以大生产的2C43不锈钢连铸坯作为实验原 提高。具有较好的综合力学性能：赵莉萍等研究 料，采用25k真空感应炉熔炼.添加的稀土为稀土 了含稀土元素Y的2CI3不锈钢热变形后的组织， 金属丝（主要成分为C纯度为99.98%，稀土加 收稿日期：2009-08-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N950364001) 作者简介：刘晓(1981一，男.，博士研究生：杨吉春(1963-，男.教授.博士Em1ang©hun963@163m
第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.5 May2010 稀土对 2Cr13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 刘 晓 1) 杨吉春 2) 高学中 3) 1)钢铁研究总院冶金工艺所, 北京 100081 2)内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010 3)鞍钢股份有限公司第一炼钢厂, 鞍山 114021 摘 要 采用金相、扫描电镜和能谱等分析手段研究了稀土元素铈对 2Cr13不锈钢中夹杂物的变质作用以及对冲击性能的影 响.结果表明:稀土元素改善了 2Cr13不锈钢夹杂物的形貌和大小, 未加稀土的钢的断口是典型的解理断裂, 加稀土后钢的断 口是准解理 +韧窝型 , 韧窝中出现的细小球状稀土硫氧化物夹杂是其转变的主要原因;加微量稀土元素铈的试样低温横向冲 击性能比未加稀土的试样大幅度提高, -40℃时提高了 54.55%. 关键词 不锈钢;稀土;夹杂物;冲击韧性 分类号 TG142.1 + 3 EffectsofREontheinclusionsandimpacttoughnessof2Cr13 stainlesssteel LIUXiao1) , YANGJi-chun2) , GAOXue-zhong3) 1)MetallurgyDepartment, CentralIronandSteelResearchInstitute, Beijing100081, China 2)MaterialsandMetallurgySchool, InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology, Baotou014010, China 3)TheFirstSteelmakingPlant, AngangSteelCompanyLimited, Anshan114021, China ABSTRACT TheeffectsofCeontheinclusionsandtheimpacttoughnessof2Cr13 stainlesssteelwerestudiedbymetallographicexamination, scanningelectronmicroscope(SEM)andenergyspectrumanalysis.TheresultsshowthataddingCeintothesteelimproves theshapeandsizeofinclusions.Thefracturemodeof2Cr13 stainlesssteelistypicalcleavagefracture, butquasi-cleavageanddimple fractureafteraddingCeintothesteel, andthesphericalinclusionsofrareearthoxysulfideinthedimplearethemainfactorforthis transformation.Thetransverseimpacttoughnessof2Cr13 stainlesssteelisimprovedobviouslybyrareearth.Incomparisonwith2Cr13 stainlesssteelwithoutCe, thetransverseimpacttoughnessof2Cr13 stainlesssteelwithCeisincreased54.55% at-40℃. KEYWORDS stainlesssteel;rareearth;inclusions;impacttoughness 收稿日期:2009--08--31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50364001) 作者简介:刘 晓(1981— ), 男, 博士研究生;杨吉春(1963— ), 男, 教授, 博士, E-mail:yangjichun1963@163.com 2Cr13不锈钢是一种高合金马氏体型不锈耐热 钢 ,因具有高强度 、高韧性 、高耐蚀性 、抗氧化性和足 够的热强性 ,使其具有较好的综合力学性能而广泛 应用于汽轮发电机转子末级叶片、紧固螺栓及要求 有高抗蚀性 、高强韧性的容器和构件上 [ 1--4] .但是 , 在应用中构件的主要破坏形式是由于硫化物夹杂和 应力腐蚀等引起的脆性断裂 [ 5--6] .前人通过加入合 金元素来消除或减弱 2Cr13不锈钢的这些不利因素 已做过不少研究:徐文亮等在 2Cr13 钢中加入适量 Ni和 Mo合金元素 ,材料的抗拉强度和冲击功明显 提高, 具有较好的综合力学性能 [ 7] ;赵莉萍等研究 了含稀土元素 Y的 2Cr13不锈钢热变形后的组织 , 发现热变形后的板条马氏体得到了细化且具有一定 的方向性 [ 8] ,但并未对其力学性能做详细研究 . 鉴于目前稀土对 2Cr13不锈钢力学性能的影响 未见报道 ,本文通过加入微量稀土元素 Ce来处理 2Cr13不锈钢, 探索稀土对夹杂物的变质作用以及 稀土对 2Cr13马氏体不锈钢室温和低温冲击韧性的 影响 . 1 实验材料和方法 以大生产的 2Cr13 不锈钢连铸坯作为实验原 料,采用 25 kg真空感应炉熔炼.添加的稀土为稀土 金属丝(主要成分为 Ce, 纯度为 99.98%), 稀土加 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.05.020
。606 北京科技大学学报 第32卷 入量为实验原料质量的0.2%.等钢料完全熔化后， 900℃并缓冷至750℃左右，最后空冷.空冷后的 充入氩气作为保护气体，反应完全后在出钢前30s试样随后进行淬火(980℃保温1h油冷)和回火 由布料器加入稀土金属丝，混匀后出钢浇铸.浇铸 (650℃保温1h快冷处理.未加稀土和加稀土的 在感应炉内进行，钢水直接从治炼坩埚浇入锭模内. 2C13不锈钢分别记为1和2：表1为实验材料的 然后将铸模锻造成厚20m的钢板，终锻温度约 化学成分. 表1实验钢化学成分（质量分数） Table1 Chemical compositins of experm eal steels % 钢种 C Si Mn P Ni Cr RE 1* 019 0007 065 036 0018 0.02 015 1288 0 2* 018 0.0B 064 035 0005 0.02 015 1285 0.044 *表中RE为钢中稀土总量 采用光学显微镜和Quanta400型扫描电镜对夹 温横向冲击性能的影响. 杂物进行形貌观察和测定，并用VUES2X射线能 2实验结果与分析 谱仪对加稀土和未加稀土的2C13不锈钢试样的金 相夹杂样品进行了分析研究. 2.1稀土对2C13不锈钢夹杂物的变质作用 将锻造后的实验钢板按国家标准GB/229- 未加稀士的1试样金相视场中发现有一些长 1994要求加工成标准V形缺口横向冲击试样，尺寸 条状的夹杂物，如图1()所示；加稀土的2试样经 为10mm10mX55my缺口深为2.00m四采用 观察发现有椭圆形或球形的夹杂，这说明微量稀土 扫描电镜和能谱对上述冲击后的断口试样进行断裂 元素C能很好地改善2CI3不锈钢中夹杂物的 机理分析，研究微量稀土对2C!3不锈钢室温和低 形貌. (b) 20m 204m 图1钢中的夹杂物光学显微镜形貌.()1钢：()2钢 Fg 1 OPticalmicographs of inclusions in the steel a)Seel(b)Steel2 图2()是在未加稀土的1钢中观察到的夹杂 物形貌：经能谱分析后测定，如图2(b中所示，这类 (a) 1200F 1000 800 600 400 200 能量keV 图21钢中的硫化物夹杂SM形貌（两及其能谱(b) Fg 2 SEM mage (a and EDS spectum (b)of suphie nclusions in Seel
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 入量为实验原料质量的 0.2%.等钢料完全熔化后 , 充入氩气作为保护气体 , 反应完全后在出钢前 30 s 由布料器加入稀土金属丝, 混匀后出钢浇铸.浇铸 在感应炉内进行 ,钢水直接从冶炼坩埚浇入锭模内 . 然后将铸模锻造成厚 20 mm的钢板 , 终锻温度约 900 ℃, 并缓冷至 750 ℃左右, 最后空冷 .空冷后的 试样随后进行淬火 (980 ℃保温 1 h油冷 )和回火 (650 ℃保温 1 h快冷 )处理 .未加稀土和加稀土的 2Cr13不锈钢分别记为 1 #和 2 #.表 1为实验材料的 化学成分 . 表 1 实验钢化学成分(质量分数) Table1 Chemicalcompositionsofexperimentalsteels % 钢种 C O Si Mn S P Ni Cr RE＊ 1 # 0.19 0.007 0.65 0.36 0.018 0.02 0.15 12.88 0 2 # 0.18 0.003 0.64 0.35 0.005 0.02 0.15 12.85 0.044 ＊表中 RE为钢中稀土总量. 采用光学显微镜和 Quanta400型扫描电镜对夹 杂物进行形貌观察和测定 ,并用 VUESTL2X射线能 谱仪对加稀土和未加稀土的 2Cr13不锈钢试样的金 相夹杂样品进行了分析研究. 将锻造后的实验钢板按国家标准 GB/T229— 1994要求加工成标准 V形缺口横向冲击试样, 尺寸 为 10mm×10 mm×55 mm,缺口深为 2.00mm.采用 扫描电镜和能谱对上述冲击后的断口试样进行断裂 机理分析,研究微量稀土对 2Cr13 不锈钢室温和低 温横向冲击性能的影响 . 2 实验结果与分析 2.1 稀土对 2Cr13不锈钢夹杂物的变质作用 未加稀土的 1 #试样金相视场中发现有一些长 条状的夹杂物 ,如图 1(a)所示 ;加稀土的 2 #试样经 观察发现有椭圆形或球形的夹杂 , 这说明微量稀土 元素 Ce能很好地改善 2Cr13 不锈钢中夹杂物的 形貌 . 图 1 钢中的夹杂物光学显微镜形貌.(a)1 #钢;(b)2 #钢 Fig.1 Opticalmicrographsofinclusionsinthesteels:(a)Steel1#;(b)Steel2# 图 2 1 #钢中的硫化物夹杂 SEM形貌(a)及其能谱(b) Fig.2 SEMimage(a)andEDSspectrum(b)ofsulphideinclusionsinSteel1 # 图 2(a)是在未加稀土的 1 #钢中观察到的夹杂 物形貌;经能谱分析后测定, 如图 2(b)中所示 ,这类 · 606·
第5期 刘晓等：稀土对2C13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 607 夹杂物含有FeSC和M元素，为MnS等硫化物 夹杂物的形态和大小，形成了圆形或椭圆形的稀 夹杂.此类杂物形状极不规范。呈长条状，长约 土夹杂物.图3(b)中的能谱图进一步说明，稀土 14μ四对钢的性能极其有害，可显著降低钢的横向 元素Ce与硫化物夹杂反应，生成椭球状的稀土 冲击韧性%. 硫氧化物，直径为5~8μ四长条状的硫化物夹杂 图3和图4是2钢中稀土夹杂物的扫描电 基本消失：由图4中的能谱分析可知，化合物为 镜照片和能谱图.由两图中的电镜照片可见， 球状的稀土硫氧化物与稀土硅酸盐夹杂形成的 2C13不锈钢中加入稀土元素C后，C改善了 稀土复合夹杂 (a) 500 4000 200 100 0 0 能量keV 图32钢中的稀土硫氧化物SM形貌（两及其能谱(b) Fig 3 SEM mage a)and EDS spectmm b)of mare earth osulfide inc lusions in Steel2 Ce 600 500 400 Si 300 200 100 能量keV 图42钢中的稀土复合夹杂SM形貌（两及其能谱(b) F4 SFM mage a)and EDS pectrum b)of rare earth complex nc usons in Steel2 由此可见，钢中加入稀土后，硫化物与稀土元素 2.2稀土对2C13不锈钢横向冲击性能的影响 发生作用，形成了稀土硫氧化物夹杂，使夹杂物的形 表2为1和2钢的横向冲击实验数据.从表中 貌和大小发生了改变起到了很好的变质夹杂的作 可以看到，稀土大幅度地提高了2C13不锈钢的横 用.相比于MS夹杂，稀土夹杂物线膨胀系数和弹 向冲击功：加入稀土使20℃时的横向冲击功提高 性模量与基体相近，而且其形状多为圆形或椭圆形， 20%,一20℃时提高47.46%，一40℃时提高约 具有良好的形态与分布，减小了应力集中，因此与基 54.55%.稀土明显改善了钢的横向冲击性能. 体有较好的适配性.稀土化合物在钢热加工变形 表2实验钢横向冲击性能 时，仍保持细小的球形或纺锤形，较均匀地分布在钢 Table 2 Transverse mpact properties of experm ental steels 材中，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产 冲击功.Av/J 生大的附加应力.因此，夹杂的变质能增加夹杂物 钢种 20℃ 0℃ -20℃ -40℃ 与晶界抵抗裂纹形成和扩展的能力，有利于提高钢 1 100 85 59 44 的综合力学性能【9。 1 120 96 87 68
第 5期 刘 晓等:稀土对 2Cr13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 夹杂物含有 Fe、S、Cr和 Mn元素, 为 MnS等硫化物 夹杂.此类杂物形状极不规范, 呈长条状, 长约 14 μm,对钢的性能极其有害 ,可显著降低钢的横向 冲击韧性 [ 9] . 图 3和图 4 是 2 #钢中稀土夹杂物的扫描电 镜照片和能谱图 .由两图中的电镜 照片可见 , 2Cr13 不锈钢中加入稀土元素 Ce后 , Ce改善了 夹杂物的形态和大小 , 形成了圆形或椭圆形的稀 土夹杂物 .图 3(b)中的能谱图进一步说明 , 稀土 元素 Ce与硫化物夹杂反应 , 生成椭球状的稀土 硫氧化物 , 直径为 5 ～ 8 μm, 长条状的硫化物夹杂 基本消失 ;由图 4 中的能谱分析可知 , 化合物为 球状的稀土硫氧化物与稀土硅酸盐夹杂形成的 稀土复合夹杂 . 图 3 2 #钢中的稀土硫氧化物 SEM形貌(a)及其能谱(b) Fig.3 SEMimage(a)andEDSspectrum(b)ofrareearthoxysulfideinclusionsinSteel2 # 图 4 2 #钢中的稀土复合夹杂 SEM形貌(a)及其能谱(b) Fig.4 SEMimage(a)andEDSspectrum(b)ofrareearthcomplexinclusionsinSteel2 # 由此可见,钢中加入稀土后 ,硫化物与稀土元素 发生作用,形成了稀土硫氧化物夹杂 ,使夹杂物的形 貌和大小发生了改变, 起到了很好的变质夹杂的作 用 .相比于 MnS夹杂 ,稀土夹杂物线膨胀系数和弹 性模量与基体相近,而且其形状多为圆形或椭圆形 , 具有良好的形态与分布,减小了应力集中 ,因此与基 体有较好的适配性 .稀土化合物在钢热加工变形 时 ,仍保持细小的球形或纺锤形 ,较均匀地分布在钢 材中, 可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产 生大的附加应力.因此 , 夹杂的变质能增加夹杂物 与晶界抵抗裂纹形成和扩展的能力, 有利于提高钢 的综合力学性能 [ 10] . 2.2 稀土对 2Cr13不锈钢横向冲击性能的影响 表 2为 1 #和 2 #钢的横向冲击实验数据.从表中 可以看到 ,稀土大幅度地提高了 2Cr13不锈钢的横 向冲击功 :加入稀土使 20 ℃时的横向冲击功提高 20%, -20 ℃时提高 47.46%, -40 ℃时提高约 54.55%.稀土明显改善了钢的横向冲击性能 . 表 2 实验钢横向冲击性能 Table2 Transverseimpactpropertiesofexperimentalsteels 钢种 冲击功, Akv/J 20℃ 0℃ -20℃ -40℃ 1 # 100 85 59 44 2 # 120 96 87 68 · 607·
。608 北京科技大学学报 第32卷 2.3断口形貌分析 突起非常明显，呈花瓣状.另外，在韧窝底部发现有 图5为1和2钢一40℃时的冲击断口SM照 球状夹杂，这些球状夹杂与韧窝之间存在较大的空 片.1钢的断口形貌整体呈河流花样，是典型的解 隙。这说明2C13不锈钢在断裂之前发生过较大的 理断裂，也就是说。对实验所用的2C13不锈钢来 塑性变形.图6是2钢断口韧窝中的夹杂物（箭头 讲，冲击时裂纹主要是穿晶扩展：而2试样则呈现 所指扫描电镜照片及其能谱图.结合其化学成分 出准解理十韧窝的断口形貌，韧窝较深，数量也较 的能谱分析，可以断定此夹杂物为稀土硫氧化物 多，并且在靠近解理和韧窝的边界处，断裂的撕裂棱 CeQ S (a) b 图5一40℃时实验钢的冲击断口形貌.（司1钢：(b2钢 Fg5 mpact fmcuremopho bges of the stee5at-40℃：（两S1eel1F(b)Sweel2# 800Fb 600 Ce 400 0 200 10 能量keN 图62钢中韧窝底部的稀土硫氧化物夹杂SM形貌()及其能谱(b) F 6 SEM image a)and EDS spectnm b)of rare eanh oxysulfide incusions at the botrm of diple in steel2 2.4稀土对冲击韧性的影响机制分析 易沿解理面扩展，直至断裂. 本实验中除稀土外，1和2钢的化学成分基本 2钢中含有细小、球形的稀土硫氧化物夹杂，它 相同，因此两者的裂纹形成阶段相似，晶界的净化状 们分布在钢的基体界面上，当裂纹扩展到夹杂物处 况以及稀士夹杂物的形态和分布就成了影响冲击性 时，稀土夹杂物减缓了应力集中，使得夹杂不易脱离 能的主要因素.冲击韧性受裂纹形成和扩展两阶段 基体，阻碍了裂纹的扩展，使得裂纹扩展功增大，微 的影响，对于体心立方结构的铁原子来说，通常会发 观形貌表现为准解理到韧窝的转变.从断口观察到 生以{100为解理面的解理断裂山.从1钢的断口 韧窝很深，说明稀土夹杂物在与基体脱离之前，周围 形貌可以判定，放射状花样是解理裂纹的发源地，在 吸收了大量的应力集中，稀土夹杂与基体之间发生 放射状花样中心存在着数量较多的长条状MS和 过相当大的塑性变形，微观的塑性变形松弛了裂纹 圆滑性较差的硅酸盐等夹杂，发生冲击断裂时，这些 尖端的应力集中，减缓了裂纹的扩展.另外，2试样 夹杂物在受热变形过程中强烈地阻碍位错的运动， 加入稀土后，S含量明显降低，说明稀土具有较强的 造成位错塞积产生应力集中，导致解理裂纹在析出 脱能力.微量稀土元素偏聚于晶界，减少了杂质 物附近形核，然后沿解理面扩展.另外，杂质元素S 元素S等在晶界的偏聚，净化了品界，提高了晶界的 P等易于在晶界偏析，引起界面能降低，使裂纹更容 强度，试样在承受冲击载荷时，晶界将吸收更多的裂
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 2.3 断口形貌分析 图 5为 1 #和 2 #钢 -40 ℃时的冲击断口 SEM照 片 .1 #钢的断口形貌整体呈河流花样, 是典型的解 理断裂 ,也就是说, 对实验所用的 2Cr13 不锈钢来 讲 ,冲击时裂纹主要是穿晶扩展;而 2 #试样则呈现 出准解理 +韧窝的断口形貌 , 韧窝较深 , 数量也较 多 ,并且在靠近解理和韧窝的边界处 ,断裂的撕裂棱 突起非常明显 ,呈花瓣状 .另外 ,在韧窝底部发现有 球状夹杂 ,这些球状夹杂与韧窝之间存在较大的空 隙, 这说明 2Cr13不锈钢在断裂之前发生过较大的 塑性变形 .图 6是 2 #钢断口韧窝中的夹杂物 (箭头 所指 )扫描电镜照片及其能谱图.结合其化学成分 的能谱分析 , 可以断定此夹杂物为稀土硫氧化物 Ce2 O2 S. 图 5 -40℃时实验钢的冲击断口形貌.(a)1 #钢;(b)2 #钢 Fig.5 Impactfracturemorphologiesofthesteelsat-40℃:(a)Steel1 #;(b)Steel2 # 图 6 2 #钢中韧窝底部的稀土硫氧化物夹杂 SEM形貌(a)及其能谱(b) Fig.6 SEMimage(a)andEDSspectrum(b)ofrareearthoxysulfideinclusionsatthebottomofdimpleinsteel2 # 2.4 稀土对冲击韧性的影响机制分析 本实验中除稀土外 , 1 #和 2 #钢的化学成分基本 相同, 因此两者的裂纹形成阶段相似 ,晶界的净化状 况以及稀土夹杂物的形态和分布就成了影响冲击性 能的主要因素.冲击韧性受裂纹形成和扩展两阶段 的影响 ,对于体心立方结构的铁原子来说 ,通常会发 生以{100}为解理面的解理断裂 [ 11] .从 1 #钢的断口 形貌可以判定,放射状花样是解理裂纹的发源地,在 放射状花样中心存在着数量较多的长条状 MnS和 圆滑性较差的硅酸盐等夹杂,发生冲击断裂时 ,这些 夹杂物在受热变形过程中强烈地阻碍位错的运动 , 造成位错塞积,产生应力集中, 导致解理裂纹在析出 物附近形核 ,然后沿解理面扩展 .另外,杂质元素 S、 P等易于在晶界偏析, 引起界面能降低 ,使裂纹更容 易沿解理面扩展,直至断裂. 2 #钢中含有细小 、球形的稀土硫氧化物夹杂, 它 们分布在钢的基体界面上, 当裂纹扩展到夹杂物处 时, 稀土夹杂物减缓了应力集中, 使得夹杂不易脱离 基体 ,阻碍了裂纹的扩展, 使得裂纹扩展功增大, 微 观形貌表现为准解理到韧窝的转变.从断口观察到 韧窝很深 ,说明稀土夹杂物在与基体脱离之前,周围 吸收了大量的应力集中, 稀土夹杂与基体之间发生 过相当大的塑性变形 ,微观的塑性变形松弛了裂纹 尖端的应力集中,减缓了裂纹的扩展 .另外, 2 #试样 加入稀土后, S含量明显降低 ,说明稀土具有较强的 脱 S能力 .微量稀土元素偏聚于晶界, 减少了杂质 元素 S等在晶界的偏聚 ,净化了晶界, 提高了晶界的 强度 ,试样在承受冲击载荷时 ,晶界将吸收更多的裂 · 608·
第5期 刘晓等：稀土对2C13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 609 纹扩展的能量，从而使试样的冲击功提高， less steel2Cn3 by aserwelding Mod Mac 2008 35(6):70 (余和国，赵飞.2C13马氏体不锈钢的激光焊接组织及性能 3结论 研究.现代机械200835(6,70) (1)稀土元素Ce使2CI3不锈钢中MnS夹杂 [5 Xu HE Lu S F HeH etal Fracture ana psis of2Cn3 skeam uurbne blade Phys Exam Test 1999 17(5):38 的形貌和大小发生了改变，稀土起到了很好的变质 (许宏飞，刘素芬贺华山，等.2C3汽轮机叶片断裂分析.物 夹杂的作用. 理测试.199917(5)：38) (2)2CI3不锈钢中加入稀土元素Ce后，通过 [6 Lu X E DngY Gu BQ et a]The cmcking ailure reason am y 稀土的变质夹杂作用，提高了钢的冲击韧性，尤其对 sis of hydrogenation com Pressor pack ing boxes Comn presor Techn 01200442(4,38 低温冲击值的提高明显，一40℃时提高了54.55%. (陆晓峰，丁毅，顾伯勒，等.加氢压缩机填料盒开裂失效原因 未加稀土的钢的断口是典型的解理断裂，加稀土后 分析.压缩机技术200442(4)，：38) 钢的断口是准解理十韧窝型，韧窝中出现的细小球 [7 XuW L TangHQ Sun YN hfuence ofAlby ekments on mi 状稀土硫氧化物夹杂是其转变的主要原因. crostructure and popenies of 2Cn3 martensitic sta inkess steel Baosteel Techrol 2008 26(5):39 参考文献 (徐文亮唐豪清，孙元宁合金元素对2门3马氏体不锈钢组 I]ZhuX Q DaiQX ZHouM et al Effectof umpering tempemure 织及性能的影响.宝钢技术，200826(5)：39) on stress comosion crack ing and mechan ical hyste resis of 2 Cn3 [8 ZhaoL P W ang JE Ma Y L etal Sudy of hot depmaton mi stain less steel TransMa terHeatTreat 2009 30(1):11 crostructure and poperties fr2Cn3 snkss steel conning rare (侏向群，戴起勋.周明，等.回火温度对2C3不锈钢应力腐 earth Y J InnerMangola UnivSciTechnol 2009 28(1)32 蚀开裂和力学滞后的影响.材料热处理学报，200930(1)片 (赵莉萍，王锦飞.麻永林等.含稀土元素Y的2C13不锈钢 11) 热变形组织与性能研究.内蒙古科技大学学报200928(1， 【2犭ZhangW Yao J日PengW eta]Research onm icrostrucuure and 32) Popen ies of 2Cn3 stanless steel pans made by aser directmetal 【9 W ang LM LinQ五W et al New sudy coceming devebp deposition Chin J Lasers 2008 35(11):1830 ment of application of rare earth metals n steels J AlbysComnpd (张伟姚建华，彭伟等.2C13不锈钢粉末激光直接堆积成 2006408-412384 形的组织与性能研究.中国激光.200%35(11：1830) 10 Wang L M APPlicatin Prospects and behavor of RE in new 【3到Li HX Tang B Y W ang L P et al Surace modificatin of generation high stength stee ls with superior oughness J Chin 2Cn3 steel by plasma mmersion ion mplantaton cmbned with Rare Earh Soc 2004 22(1):48 知beam enhanced depositi仰J Aeonaut Mate2D0525(2: (王龙妹.稀土元素在新一代高强韧钢中的作用和应用前 32 景.中国稀士学报。200422(1：48) 刘洪喜，汤宝寅，王浪平，等.2C门3钢的全方位离子注入与 [11]CuiYX W angC L AnapsisofMetalFracmure Harbin Han 离子束增强沉积复合表面强化处理.航空材料学报，20心25 Insti ute of Techno kgy Pess 1998 (2:32) (崔约贤，王长利.金属断口分析.哈尔滨：哈尔滨工业大学 4 YuH G Zhao F Microstrucure and Poperties ofmartensite sn in 出版社，1998)
第 5期 刘 晓等:稀土对 2Cr13不锈钢夹杂物的变质及对冲击韧性的影响 纹扩展的能量,从而使试样的冲击功提高 . 3 结论 (1)稀土元素 Ce使 2Cr13不锈钢中 MnS夹杂 的形貌和大小发生了改变 , 稀土起到了很好的变质 夹杂的作用 . (2)2Cr13不锈钢中加入稀土元素 Ce后, 通过 稀土的变质夹杂作用 ,提高了钢的冲击韧性,尤其对 低温冲击值的提高明显, -40 ℃时提高了 54.55%. 未加稀土的钢的断口是典型的解理断裂, 加稀土后 钢的断口是准解理 +韧窝型 ,韧窝中出现的细小球 状稀土硫氧化物夹杂是其转变的主要原因 . 参 考 文 献 [ 1] ZhuXQ, DaiQX, ZhouM, etal.Effectoftemperingtemperature onstress-corrosioncrackingandmechanicalhysteresisof2Cr13 stainlesssteel.TransMaterHeatTreat, 2009, 30(1):11 (朱向群, 戴起勋, 周明, 等.回火温度对 2Cr13不锈钢应力腐 蚀开裂和力学滞后的影响.材料热处理学报, 2009, 30(1): 11) [ 2] ZhangW, YaoJH, PengW, etal.Researchonmicrostructureand propertiesof2Cr13 stainlesssteelpartsmadebylaserdirectmetal deposition.ChinJLasers, 2008, 35(11):1830 (张伟,姚建华, 彭伟, 等.2Cr13不锈钢粉末激光直接堆积成 形的组织与性能研究.中国激光, 2008, 35(11):1830) [ 3] LiuHX, TangBY, WangLP, etal.Surfacemodificationof 2Cr13 steelbyplasmaimmersionionimplantationcombinedwith ionbeamenhanceddeposition.JAeronautMater, 2005, 25(2): 32 (刘洪喜, 汤宝寅, 王浪平, 等.2Cr13钢的全方位离子注入与 离子束增强沉积复合表面强化处理.航空材料学报, 2005, 25 (2):32) [ 4] YuHG, ZhaoF.Microstructureandpropertiesofmartensitestainlesssteel2Cr13 bylaserwelding.ModMach, 2008, 35(6):70 (余和国, 赵飞.2Cr13马氏体不锈钢的激光焊接组织及性能 研究.现代机械, 2008, 35(6):70) [ 5] XuHF, LiuSF, HeHS, etal.Fractureanalysisof2Cr13 steam turbineblade.PhysExamTest, 1999, 17(5):38 (许宏飞, 刘素芬, 贺华山, 等.2Cr13汽轮机叶片断裂分析.物 理测试, 1999, 17(5):38) [ 6] LuXF, DingY, GuBQ, etal.Thecrackingfailurereasonanalysisofhydrogenationcompressorpackingboxes.CompressorTechnol, 2004, 42(4):38 (陆晓峰, 丁毅, 顾伯勤, 等.加氢压缩机填料盒开裂失效原因 分析.压缩机技术, 2004, 42(4):38) [ 7] XuW L, TangHQ, SunYN.InfluenceofAlloyelementsonmicrostructureandpropertiesof2Cr13 martensiticstainlesssteel. BaosteelTechnol, 2008, 26(5):39 (徐文亮, 唐豪清, 孙元宁.合金元素对 2Cr13马氏体不锈钢组 织及性能的影响.宝钢技术, 2008, 26(5):39) [ 8] ZhaoLP, WangJF, MaYL, etal.Studyofhotdeformationmicrostructureandpropertiesfor2Cr13 stainlesssteelcontainingrare earthY.JInnerMongoliaUnivSciTechnol, 2009, 28(1):32 (赵莉萍, 王锦飞, 麻永林, 等.含稀土元素 Y的 2Cr13不锈钢 热变形组织与性能研究.内蒙古科技大学学报, 2009, 28(1): 32) [ 9] WangLM, LinQ, JiJW, etal.Newstudyconcerningdevelopmentofapplicationofrareearthmetalsinsteels.JAlloysCompd, 2006, 408--412:384 [ 10] WangLM.ApplicationprospectsandbehaviorofREinnew generationhighstrengthsteelswithsuperiortoughness.JChin RareEarthSoc, 2004, 22(1):48 (王龙妹.稀土元素在新一代高强韧钢中的作用和应用前 景.中国稀土学报, 2004, 22(1):48) [ 11] CuiYX, WangCL.AnalysisofMetalFracture.Harbin:Harbin InstituteofTechnologyPress, 1998 (崔约贤, 王长利.金属断口分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社, 1998) · 609·