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中科院金屬所《Nature Materials》：稀土鋼突破性進展！

2022-09-13 13:50:18 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

稀土元素電子結構獨特，具有優(yōu)異的磁、光、電等物理和化學特性，在多種材料中發(fā)揮著重要的作用。自上世紀20年代稀土在鋼中加入以來，國內外大量研究表明：微量稀土添加顯著提高了鋼的韌塑性、耐磨、耐熱、耐蝕性能等。然而，稀土鋼在工業(yè)應用時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴重堵塞的問題；二是稀土在鋼中添加后，鋼的性能劇烈波動，存在穩(wěn)定性問題。這兩大難題一直未能有效解決，導致稀土鋼的研究與應用由熱變冷，逐步走入低谷。

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進鋼鐵材料研究部李殿中研究員團隊受前期氧致偏析新機制的啟發(fā)（Inclusion flotation- driven channel segregation in solidifying steels, Nature Communications, 2014），通過長達十余年的機理研究和工業(yè)實驗，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。他們通過降低鋼液和稀土金屬中的氧含量，并與金屬所相關研究團隊合作，結合實驗、計算和表征揭示了稀土在鋼中的關鍵作用機制，控制夾雜物和稀土固溶，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定的低氧稀土鋼。相關研究結果于9月8日在線發(fā)表在Nature Materials上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01352-9

研究發(fā)現(xiàn)，不僅僅是鋼液中的氧含量影響稀土鋼的性能，更為重要的是長期被學界和產業(yè)界忽視的稀土金屬中的氧含量，對稀土鋼的性能具有決定性的影響。因為稀土金屬極為活潑，在稀土金屬電解制備時容易形成大尺寸稀土氧化物，這些稀土氧化物隨稀土金屬或合金加入到鋼液中，帶入的大尺寸稀土夾雜物難以上浮去除，從而導致稀土鋼性能波動并與耐火材料反應堵塞澆口。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究人員進一步開發(fā)了“雙低氧稀土鋼”技術，即鋼液低氧和稀土金屬低氧的控制技術，從而有效解決了稀土鋼工業(yè)應用中的瓶頸問題。在高純凈度的GCr15軸承鋼中應用后，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800MPa拉壓疲勞壽命提升了40倍，滾動接觸疲勞壽命提升了40%，而添加現(xiàn)有的商業(yè)稀土金屬（稀土金屬中氧含量為270ppm）的對比樣品疲勞壽命出現(xiàn)明顯波動，如圖1所示。

圖1 稀土軸承鋼與不加稀土的軸承鋼、添加商業(yè)稀土的軸承鋼的拉壓疲勞和滾動接觸疲勞壽命對比

研究人員利用自主發(fā)明的夾雜物萃取三維表征技術，分析了稀土GCr15軸承鋼和進口的某軸承鋼中的夾雜物形貌，發(fā)現(xiàn)在三維尺度上進口軸承鋼中以氧化鋁和大尺寸硫化錳夾雜物為主（圖2a），而稀土軸承鋼中夾雜物主要是細小的球狀稀土氧硫化物（圖2b）。更為重要的是稀土氧硫化物的硬度僅為氧化鋁的1/5左右，略高于軸承鋼基體硬度，與脆硬的氧化鋁夾雜物相比，尺寸細小、與基體硬度匹配性良好的稀土氧硫化物在疲勞加載過程中可以發(fā)生塑性變形，引發(fā)夾雜物周圍應力集中顯著減小，有效延緩了疲勞裂紋的萌生。

圖2 某進口軸承鋼(a)與雙低氧稀土軸承鋼(b)中的夾雜物對比

雙低氧稀土鋼不僅有效減少、細化、改變了鋼中夾雜物，解決了稀土鋼性能波動、堵塞澆口的問題，而且給稀土在鋼中的固溶提供了良好的基礎，為稀土發(fā)揮微合金化作用提供了可能。在以往數(shù)十年的研究中，人們通過對比一些鋼種添加稀土后的性能變化推測部分稀土可能以固溶形式存在于鋼中，發(fā)揮了微合金化的作用，但始終沒有直接的實驗證據(jù)且難以獲得穩(wěn)定的效果。研究人員通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，當鋼中存在鐵空位時，空位與稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓，促進稀土固溶。計算同時發(fā)現(xiàn)，與鋼中常見的合金元素相比，稀土更容易在晶界偏聚。研究人員使用球差校正電鏡觀察到了鋼中的固溶稀土團簇，從而證實了鋼中存在一定數(shù)量的固溶稀土。

第一性原理計算進一步揭示了固溶的稀土元素顯著提高了鋼中碳的擴散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳擴散激活能的共同作用下，使用雙低氧技術在鋼中添加ppm量級的稀土，即可顯著降低鋼中擴散型相變的相變開始溫度。研究人員還進一步設計了擴散偶實驗，證實了稀土顯著降低鋼中碳的擴散系數(shù)，展示出稀土強烈的微合金化能力，這為通過調控碳擴散優(yōu)化鋼的顯微組織和力學性能提供了新的途徑。

該研究揭示了稀土鋼性能波動的根源在于氧，只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩(wěn)定發(fā)揮出深度凈化鋼液、細化改變夾雜物和強烈微合金化的作用。該研究工作表明，噸鋼只需添加百余克的鑭鈰輕稀土，在成本基本不增加、工藝流程基本不改變的條件下即可顯著提升鋼的性能，這對于發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質具有重要意義。

該工作得到了國家自然科學基金（52031013, U1708252, 51725103）、中國科學院戰(zhàn)略先導專項、省市重大科技項目和多家鋼鐵企業(yè)的大力支持。

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