·1482 工程科学学报，第42卷，第11期 comparing and analyzing the microstructures and prior-austenite grain sizes of the two experimental steels,it can be seen that with increases in the welding heat input,the microstructure of the heat-affected zone of the high-strength steel gradually transforms from martensite and lower bainite to upper bainite and granular bainite,and the average size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone obviously increases.However,at the same welding heat input,the size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone of Ce- doped high-strength steel is significantly smaller.The observed microstructure of Ce-doped steel is finer with a reduced content of brittle upper bainite,which significantly improves the welding performance of 700 MPa high-strength steel. KEY WORDS rare earth;heat-affected zone;oxide metallurgy:700 MPa high-strength steel;toughness 钢板被广泛地应用于诸如建筑、桥梁、压力容 焊接热影响区韧性1 器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中， 目前文献中报道的稀土氧化物冶金技术多通 焊接为厚板使用加工的主要方式.然而，随着焊接 过控制钢中稀土夹杂物的细小弥散分布，一方面 热输入的提高，传统的低合金高强钢焊接热影响 利用这些夹杂物钉轧晶界，抑制焊接过程中晶粒 区性能恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结 粗化；另一方面在冷却过程中诱导针状铁素体的 构的制造带来困难.为了改善焊接热影响区韧性， 形成，从而改善焊接热影响区韧性.然而，对于高 日本的研究人员首先提出了“氧化物冶金”的概念-刃， 碳当量高强厚板，除原奥氏体晶粒粗化外，焊接热 通过利用炼钢过程中生成的细小、弥散分布、成 影响区易生成上贝氏体、粒状贝氏体等组织，很难 分可控的氧化物夹杂控制焊接热影响区钢的组织 生成铁素体组织.因此，本文针对700MPa级高强 和晶粒度，从而改善焊接热影响区韧性 度厚板，研究了工业条件下钢中加入适量稀土对 目前，氧化物冶金技术已有较多研究，日本新 焊接热影响区韧性的影响及作用机理，开拓了稀 日铁的HTUFF技术)、JFE的EWEL技术II和 土元素在氧化物冶金领域的实际应用. 神户制钢的KST技术等均成功应用，开发了如 1试验材料与方法 YS390、SA440等大线能量焊接用钢.国内的武 钢、宝钢、东北大学等也相继进行了Nb、Ti、Ca、Mg、 实验用钢为包钢生产的700MPa级高强度厚 Zr等元素在改善厚板焊接性能方面的研究心-1)] 板，生产工艺为：转炉→LF精炼→RH精炼→连铸 我国是稀土大国，经过半个多世纪的研究，稀 其中，RH精炼过程中加入Ce-Fe合金.两种试验 土在钢中的作用机理和规律也取得了很大的进 钢化学成分如表I所示，其中Ce、Ca和Mg元素 展，钢中加入适量稀土可以起到净化钢液、变质夹 采用ICP-MS测定.连铸后两种实验钢均采用相 杂、微合金化等作用41刀此外，稀土在氧化物冶 同的轧制工艺及淬火-回火工艺，实验用钢最终轧 金方面的应用也有部分研究，但仅停留在实验室 制厚度为30mm.在调质处理后板材上取样，测定 阶段.Thewlis利用50kg感应炉冶炼得到的试验 实验钢母材“V”型夏比冲击功及屈服、抗拉强度， 钢中Ce的质量分数为0.02%~0.12%，S的质量分 冲击试验进行三次，拉伸试验进行两次，试验结果 数为0.007%~0.034%，发现钢中夹杂物主要是 如表2所示 CeS,Ce3S4和CeO2S,采用面积法统计的钢中晶内 从厚度为30mm的调质后钢板上取样，将试 针状铁素体占比超过60%)Yu等研究发现钢中 样加工为10.5mm×10.5mm×75mm的焊接热模拟 加入适量Ce后，生成的Ce的氧硫化物颗粒能够 试样，在Gleeble3500热模拟试验机上进行模拟焊 有效促进晶内针状铁素体的形成，显著地提高了 接试验.采用Rykalin2D模型模拟30mm厚钢板， 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % Sample C Si Mn 力 Al Nb 0 Sample A 0.12 0.32 1.60 0.014 0.024 0.047 0.066 0.0012 Sample B 0.12 0.37 1.70 0.014 0.027 0.048 0.069 0.0016 Sample C Mo Ca Mg Ce Ti W Sample A 0.284 0.130 0.0017 0.0004 0 0.017 0.0019 0.0030 Sample B 0.300 0.130 0.0012 0.0005 0.0018 0.017 0.0030 0.0037comparing and analyzing the microstructures and prior-austenite grain sizes of the two experimental steels, it can be seen that with increases in the welding heat input, the microstructure of the heat-affected zone of the high-strength steel gradually transforms from martensite and lower bainite to upper bainite and granular bainite, and the average size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone obviously increases. However, at the same welding heat input, the size of the prior-austenite grains in the heat-affected zone of Ce￾doped high-strength steel is significantly smaller. The observed microstructure of Ce-doped steel is finer with a reduced content of brittle upper bainite, which significantly improves the welding performance of 700 MPa high-strength steel. KEY WORDS    rare earth；heat-affected zone；oxide metallurgy；700 MPa high-strength steel；toughness 钢板被广泛地应用于诸如建筑、桥梁、压力容 器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中， 焊接为厚板使用加工的主要方式. 然而，随着焊接 热输入的提高，传统的低合金高强钢焊接热影响 区性能恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结 构的制造带来困难. 为了改善焊接热影响区韧性， 日本的研究人员首先提出了“氧化物冶金”的概念[1−3] ， 通过利用炼钢过程中生成的细小、弥散分布、成 分可控的氧化物夹杂控制焊接热影响区钢的组织 和晶粒度，从而改善焊接热影响区韧性. 目前，氧化物冶金技术已有较多研究，日本新 日铁的 HTUFF 技术[4−5]、JFE 的 EWEL 技术[6−8] 和 神户制钢的 KST 技术[9] 等均成功应用，开发了如 YS390、SA440 等大线能量焊接用钢. 国内的武 钢、宝钢、东北大学等也相继进行了 Nb、Ti、Ca、Mg、 Zr 等元素在改善厚板焊接性能方面的研究[10−13] . 我国是稀土大国，经过半个多世纪的研究，稀 土在钢中的作用机理和规律也取得了很大的进 展，钢中加入适量稀土可以起到净化钢液、变质夹 杂、微合金化等作用[14−17] . 此外，稀土在氧化物冶 金方面的应用也有部分研究，但仅停留在实验室 阶段. Thewlis 利用 50 kg 感应炉冶炼得到的试验 钢中 Ce 的质量分数为 0.02%～0.12%，S 的质量分 数 为 0.007%～ 0.034%，发现钢中夹杂物主要 是 CeS，Ce3S4 和 Ce2O2S，采用面积法统计的钢中晶内 针状铁素体占比超过 60% [18] . Yu 等研究发现钢中 加入适量 Ce 后，生成的 Ce 的氧硫化物颗粒能够 有效促进晶内针状铁素体的形成，显著地提高了 焊接热影响区韧性[19] . 目前文献中报道的稀土氧化物冶金技术多通 过控制钢中稀土夹杂物的细小弥散分布，一方面 利用这些夹杂物钉轧晶界，抑制焊接过程中晶粒 粗化；另一方面在冷却过程中诱导针状铁素体的 形成，从而改善焊接热影响区韧性. 然而，对于高 碳当量高强厚板，除原奥氏体晶粒粗化外，焊接热 影响区易生成上贝氏体、粒状贝氏体等组织，很难 生成铁素体组织. 因此，本文针对 700 MPa 级高强 度厚板，研究了工业条件下钢中加入适量稀土对 焊接热影响区韧性的影响及作用机理，开拓了稀 土元素在氧化物冶金领域的实际应用. 1    试验材料与方法 实验用钢为包钢生产的 700 MPa 级高强度厚 板，生产工艺为：转炉→LF 精炼→RH 精炼→连铸. 其中，RH 精炼过程中加入 Ce–Fe 合金. 两种试验 钢化学成分如表 1 所示，其中 Ce、Ca 和 Mg 元素 采用 ICP–MS 测定. 连铸后两种实验钢均采用相 同的轧制工艺及淬火–回火工艺，实验用钢最终轧 制厚度为 30 mm. 在调质处理后板材上取样，测定 实验钢母材“V”型夏比冲击功及屈服、抗拉强度， 冲击试验进行三次，拉伸试验进行两次，试验结果 如表 2 所示. 从厚度为 30 mm 的调质后钢板上取样，将试 样加工为 10.5 mm×10.5 mm×75 mm 的焊接热模拟 试样，在 Gleeble3500 热模拟试验机上进行模拟焊 接试验. 采用 Rykalin2D 模型模拟 30 mm 厚钢板， 表 1 实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % Sample C Si Mn P Al Nb V O Sample A 0.12 0.32 1.60 0.014 0.024 0.047 0.066 0.0012 Sample B 0.12 0.37 1.70 0.014 0.027 0.048 0.069 0.0016 Sample Cr Mo Ca Mg Ce Ti S N Sample A 0.284 0.130 0.0017 0.0004 0 0.017 0.0019 0.0030 Sample B 0.300 0.130 0.0012 0.0005 0.0018 0.017 0.0030 0.0037 · 1482 · 工程科学学报，第 42 卷，第 11 期