稀土元素是指原子序數(shù)從57到71的鑭系15個(gè)元素和化學(xué)性質(zhì)相近的Sc、Y共17個(gè)元素，由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、冶金、陶瓷、電光源工業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域和航天、軍事等高科技領(lǐng)域發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，是重要的不可再生戰(zhàn)略資源。自稀土元素被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)其在各種材料中的應(yīng)用進(jìn)行了不斷探索。20世紀(jì)初期，德國(guó)科學(xué)家將稀土元素成功引入鎂鋁合金；20世紀(jì)20年代開(kāi)始嘗試在生鐵中應(yīng)用稀土元素；20世紀(jì)50年代初，美國(guó)也開(kāi)始大規(guī)模地將稀土元素應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，且在20世紀(jì)70年代達(dá)到頂峰。20世紀(jì)80年代后期，隨著鋼鐵冶煉工藝的優(yōu)化以及精煉水平的提高，鋼水純凈度顯著提高，稀土元素凈化工藝逐步被取代。近些年來(lái)，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在生產(chǎn)特殊鋼時(shí)一般都會(huì)添加稀土元素，并將產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高新科技領(lǐng)域。

      我國(guó)關(guān)于稀土元素在鋼中應(yīng)用的研究始于20世紀(jì)50年代末，與美國(guó)、日本等國(guó)家相比，盡管我國(guó)在稀土鋼方面的研究時(shí)間較短，但是進(jìn)展非常迅速。20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者已取得了許多重要研究成果，并成功應(yīng)用于稀土鋼的生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，為了適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的需求，以無(wú)間隙原子鋼(IF鋼)為代表的第1代汽車(chē)沖壓薄板超低碳鋼系列產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，成為制造轎車(chē)的主要用材。在研制該系列產(chǎn)品的同時(shí)，科研人員探究了稀土元素對(duì)該系列產(chǎn)品微觀組織和性能的影響,揭示了適量地加入混合稀土元素會(huì)改善板材的綜合性能。這些認(rèn)識(shí)為稀土元素在碳鋼系列產(chǎn)品中的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。伴隨著我國(guó)對(duì)稀土元素資源開(kāi)發(fā)和合理利用,以及對(duì)稀土合金化的重新認(rèn)識(shí)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)和企業(yè)重新關(guān)注起稀土鋼的技術(shù)開(kāi)發(fā)。目前，我國(guó)開(kāi)發(fā)的稀土管線(xiàn)鋼、稀土結(jié)構(gòu)鋼、稀土耐候鋼、稀土重軌鋼、稀土耐熱鋼等鋼種都已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。稀土鋼具有非常廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景和應(yīng)用前景。

     稀土作為我國(guó)富有的戰(zhàn)略性資源，在鋼鐵材料中的合理應(yīng)用是當(dāng)今亟需探究的重要課題。在鋼中添加稀土元素可以起到改善微觀組織、改性?shī)A雜物、強(qiáng)化界面、阻礙氫擴(kuò)散及鈍化腐蝕銹層等作用，從而顯著提高鋼的熱加工性能、力學(xué)性能、抗氫脆敏感性、耐腐蝕性能、抗疲勞性能、耐熱性能等。但目前稀土元素在鋼中的作用機(jī)理尚有待深入研究，相關(guān)的稀土加入技術(shù)及質(zhì)量控制方向不明確。上述問(wèn)題可能導(dǎo)致稀土元素在鋼中不僅未能起到有利作用，反而成為有害夾雜物，對(duì)生產(chǎn)造成不必要的損失。本文基于稀土在鋼中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，介紹了稀土元素在鋼中的主要作用，闡述了稀土冶金技術(shù)所面臨的難題,并對(duì)稀土元素的賦存狀態(tài)及其先進(jìn)表征方法進(jìn)行了探討，最后著重介紹了稀土元素在鋼中作用機(jī)理研究的新方法，為稀土鋼在未來(lái)的研究和發(fā)展方向提供新思路。

      稀土元素的化學(xué)性質(zhì)活潑,在鋼液中與氧原子、硫原子有很強(qiáng)的親和力，可以置換鋼中的氧與硫,形成低密度、高熔點(diǎn)的稀土化合物。這些稀土化合物非常穩(wěn)定，大多數(shù)呈球形，鋼液經(jīng)過(guò)適時(shí)的鎮(zhèn)靜后，將這些化合物從鋼中排除，凈化了鋼液。隨著鋼的精煉與凝固方式的改變，鋼的潔凈度不斷提升，鋼中氧、硫含量控制較好，稀土在鋼中的主要作用更偏向于對(duì)夾雜物的改性以及微合金化。     

     鋼中加入稀土元素后，稀土元素首先會(huì)與鋼液中的氧、硫反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的球形夾雜物,這些夾雜物呈細(xì)小顆粒狀彌散分布在鋼中，尺寸在10μm以下。同時(shí)，稀土元素又能將Al₂O₃和MnS夾雜物改性為尺寸較小的球狀或橢球狀的稀土夾雜物。如圖1所示。由于這些夾雜物在軋鋼溫度下仍保持細(xì)小的球形或紡錘形，且在鋼材中分布比較均勻，消除了沿鋼材軋向分布呈長(zhǎng)條狀的MnS等夾雜物，從而減弱了鋼材在軋制過(guò)程中由于夾雜物延伸變形所導(dǎo)致的鋼材性能的各向異性。同時(shí)，添加稀土元素后基體與夾雜物之間的等效彈性模量、硬度、變形差異減小，如表1所示，GCr15鋼加入稀土元素后夾雜物與基體協(xié)調(diào)性增強(qiáng)，改善了鋼的抗疲勞性能。

       LID等的統(tǒng)計(jì)分析表明：在添加稀土元素的52100鋼中，超過(guò)50%的大夾雜物被消除，如圖2(a)所示。在未添加稀土元素的52100鋼中發(fā)現(xiàn)了大量硬而脆的Al₂O₃氧化物和長(zhǎng)條狀MnS夾雜物，如圖2(b)所示。在含氧量較高的添加工業(yè)稀土的鋼中,觀察到大量接近正方形或三角形的大尺寸RE₂O₃夾雜物，明顯不同于Al₂O₃和MnS等傳統(tǒng)夾雜物，如圖2(c)所示。對(duì)比未添加稀土和添加稀土元素的52100鋼，在添加了純稀土的52100鋼中，傳統(tǒng)的夾雜物顯著減少，取而代之的是均勻分散的小球形稀土氧硫化物和稀土硫化物，如圖2(d)所示。

      在稀土元素完成凈化鋼液和變質(zhì)夾雜物后，主要以原子的形式存在于鋼中,產(chǎn)生微合金化作用。合金化的物理本質(zhì)是通過(guò)元素的固溶及其固態(tài)反應(yīng)，影響微結(jié)構(gòu)乃至結(jié)構(gòu)、組分和組織，從而使鋼材獲得所需性能。稀土元素微合金化作用的程度，通常取決于稀土元素的固溶強(qiáng)化作用、稀土元素與其他溶質(zhì)元素的相互作用、稀土元素的存在狀態(tài)等。     

      稀土元素在鋼中的固溶度很低，圖3為計(jì)算得到的Fe-Ce合金相圖，在室溫下稀土Ce元素在鐵中的固溶度約為0.0017%。

      研究發(fā)現(xiàn)，固溶在鋼中的稀土元素在晶界處的偏聚概率高于晶內(nèi)，其往往通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制富集于晶界，改善了硫和磷在晶界的偏聚，并且阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而起到細(xì)化晶粒的效果。稀土元素在晶界上的偏聚也會(huì)降低界面能，減輕界面高能量導(dǎo)致的腐蝕，同時(shí)也會(huì)增加晶界的粘附力、抑制晶界滑動(dòng)和沿晶裂紋的形成，進(jìn)而降低鋼的熱變形開(kāi)裂傾向，改善其熱加工性能。陳學(xué)敏等的研究發(fā)現(xiàn)：添加稀土Ce元素可以顯著細(xì)化鋼的微觀組織，抑制熱疲勞裂紋的生長(zhǎng)，有效避免因熱疲勞帶來(lái)的材料軟化效應(yīng)；同時(shí)，隨著稀土Ce元素含量的增加，裂紋長(zhǎng)度以及擴(kuò)展速率得到有效控制。   

      GUOY等的研究發(fā)現(xiàn)：由于稀土Ce元素在晶界的偏聚，添加稀土Ce元素的鋼比未添加的鋼具有更好的高溫強(qiáng)度和韌性，從而獲得更好的熱延展性能，如圖4所示。

      隨著稀土鋼的發(fā)展，稀土元素的其他作用也被發(fā)掘出來(lái)，如催化作用和抑制氫擴(kuò)散作用等。添加合金元素催化滲氮過(guò)程是低成本且最有效的方法之一。相比于其他合金元素，稀土元素已經(jīng)被證明有助于促進(jìn)滲氮,如提高滲層厚度、表面硬度和改善滲層脈狀組織,其原理如圖5所示。稀土元素催化滲氮的原理主要是由于稀土元素的原子半徑大于鐵的原子半徑，添加稀土元素后周?chē)w的晶格發(fā)生畸變，氮原子優(yōu)先偏聚在畸變區(qū)域，形成原子氣團(tuán)；當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)成為第二相氮化物的形核核心，從而促進(jìn)氮化物的均勻形核,增厚白亮層，避免了氮化物沿晶界偏析和脈狀組織的形成，表面硬度也得到提高。同時(shí)，在氮的擴(kuò)散過(guò)程中，稀土元素還具有吸附作用，在表面形成較高的氮濃度，增大與內(nèi)層的濃度差，有利于氮原子的擴(kuò)散，促進(jìn)滲氮過(guò)程的進(jìn)行。

       高強(qiáng)鋼的氫脆、搪瓷鋼的鱗爆等現(xiàn)象已成為制約鋼材服役的瓶頸問(wèn)題。稀土元素能夠降低氫在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，減少氫在裂紋尖端塑性區(qū)的富集，并且稀土元素可以在鋼中形成氫陷阱，捕捉氫原子,從而改善鋼的延遲開(kāi)裂現(xiàn)象。HUANGC等的研究發(fā)現(xiàn)：稀土Y元素對(duì)鋼的氫脆具有良好的抑制作用。當(dāng)添加稀土Y元素后，鋼的氫致塑性損失為25.27%，而未添加稀土Y元素的鋼，氫致塑性損失達(dá)35.02%。由于稀土原子比鐵原子大得多，固溶稀土原子傾向于富集在晶體缺陷區(qū)，形成更多的氫陷阱，從而減少了擴(kuò)散氫的含量。    

     雖然對(duì)稀土元素在鋼中的作用機(jī)理已經(jīng)開(kāi)展了許多研究，但由于稀土元素物理化學(xué)性質(zhì)的特殊性，仍需要設(shè)計(jì)合理的成分設(shè)計(jì)方案和加工工藝。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合新的理論方法和先進(jìn)的檢測(cè)表征手段，力求實(shí)現(xiàn)稀土元素作用機(jī)理的定量和定性表征，以及稀土元素在鋼中固溶和析出行為的微觀理論研究方面有所突破。

      在稀土鋼生產(chǎn)和研發(fā)過(guò)程中，稀土合金純凈度、加入方式，以及對(duì)其組織性能的控制歷來(lái)是研究的重點(diǎn)，也是制約稀土鋼發(fā)展的重要因素。稀土合金中的氧足以使稀土元素在鋼中的作用由正變負(fù)。保證稀土合金的純凈度并高效地將其加入到鋼水中，同時(shí)保持稀土鋼組織性能的穩(wěn)定性，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

    稀土合金的種類(lèi)主要包括純稀土合金、稀土鐵合金、稀土鋁鐵合金和稀土絲等,各種稀土合金加入后的稀土收得率如表2所示。其中加入稀土鐵合金的收得率最大,加入純稀土絲的收得率最小。由于稀土鐵合金的密度與鋼水接近，熔點(diǎn)均比稀土金屬高，更容易加入到鋼水中與鋼水充分合金化。同時(shí)，稀土鐵合金活度低,抗氧化性強(qiáng)，易于保存和輸送。因此，以稀土中間合金的形式將稀土加入到鋼中是最合適的方法。

      鋼中加入稀土合金的方式有多種類(lèi)型，按照稀土合金的加入位置可分為鋼包加入法、模鑄中注管加入法及鋼錠模內(nèi)加入法、連鑄結(jié)晶器加入法、電渣重熔過(guò)程加入法等；按照稀土合金的加入方式可分為壓入法、吊掛法、喂絲法、噴吹粉劑法、渣系還原法等。其中，鋼包加入法雖然操作簡(jiǎn)單，但存在稀土收得率低(約為10%~25%)、工作環(huán)境惡劣、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，因而被大多數(shù)鋼廠所放棄。模鑄中注管喂絲法及錠模內(nèi)吊掛法的稀土收得率在65%~85%之間，可以顯著降低鋼中氧、硫含量，但會(huì)影響鋼的潔凈度且難以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。目前生產(chǎn)稀土鋼的方法普遍采用連鑄工藝，主要使用中間包喂絲法和結(jié)晶器喂絲法。連鑄中間包括稀土絲法雖然稀土收得率高(約為50%~75%)、夾雜物變質(zhì)完全，但易導(dǎo)致水口結(jié)瘤、鋼液氧化等問(wèn)題；而連鑄結(jié)晶器喂絲法稀土收得率約為80%~90%，工藝順行，是最有效的稀土加入方法，但同時(shí)也會(huì)造成連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣性能惡化，導(dǎo)致鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生。

     在上述添加稀土合金種類(lèi)及工藝恰當(dāng)?shù)那疤嵯?，制約稀土鋼生產(chǎn)工藝順行最主要的因素是澆鑄過(guò)程中水口結(jié)瘤及保護(hù)渣惡化的問(wèn)題。楊峰等通過(guò)對(duì)水口堵塞物的能譜分析，發(fā)現(xiàn)Al₂O₃的存在是造成水口堵塞的重要原因之一。而中間包材料也會(huì)與鋼液中的稀土反應(yīng)形成黏滯性較大的混合物，可將鋼中的夾雜物粘附在水口處，從而造成水口的堵塞。為了避免水口堵塞，較為有效的方法是抑制稀土鋁氧化物的生成，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏认鄬?duì)較小的稀土硫化物。稀土硫化物在精煉和澆鑄過(guò)程中容易上浮，進(jìn)而可以達(dá)到解決水口堵塞的目的。同時(shí)，還可以更換水口或中間包材料，因?yàn)楦咪X質(zhì)耐火材料結(jié)瘤傾向最為嚴(yán)重，石英質(zhì)、粘土質(zhì)或鎂質(zhì)材料結(jié)瘤傾向較輕。諶智勇等開(kāi)發(fā)了稀土-碳材質(zhì)的浸入式水口和稀土氧化物CeAlO₃的中間包材料，其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了稀土鋼的連澆目標(biāo)，且控流精確、穩(wěn)定，滿(mǎn)足了連鑄稀土鋼的生產(chǎn)需求。

     稀土絲喂入結(jié)晶器時(shí)鋼液必須通過(guò)結(jié)晶器的保護(hù)渣層，稀土元素不可避免與渣層中氧、硫元素反應(yīng)形成化合物而大量留存于爐渣內(nèi)，只有少部分稀土元素隨鋼水進(jìn)入澆鑄環(huán)節(jié)，影響稀土收得率。并且進(jìn)入到渣層中的稀土氧化物越多，保護(hù)渣的熔化溫度及黏度則越高，從而使保護(hù)渣性能惡化。保護(hù)渣吸收稀土脫氧產(chǎn)物能力的好壞直接關(guān)系到稀土鋼澆鑄是否順行。因此采用結(jié)晶器喂稀土絲，必須對(duì)保護(hù)渣的性能進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)稀土專(zhuān)用保護(hù)渣。

     在保證稀土鋼冶煉工藝順行的前提下，使用合適的加工工藝，可以使稀土元素在鋼中最大限度地發(fā)揮有利作用，使鋼材獲得良好的組織性能。目前薄板坯連鑄連軋技術(shù)(CSP)和熱機(jī)械軋制工藝(TMCP)等均已在稀土鋼組織性能調(diào)控中成功應(yīng)用。魏慧慧等通過(guò)低碳稀土微合金成分體系和TMCP+回火工藝路線(xiàn)，成功研制了一種新型稀土高性能耐候橋梁鋼，其產(chǎn)品能夠在保證強(qiáng)度的前提下達(dá)到低溫下所需沖擊功的要求。研究發(fā)現(xiàn)，稀土鋼在熱軋過(guò)程中，其發(fā)生再結(jié)晶所需要的激活能更高，完成再結(jié)晶的時(shí)間更長(zhǎng)，變形溫度越高則動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越容易發(fā)生。在熱軋后快速冷卻過(guò)程中，與未添加稀土元素的鋼相比，稀土鋼的細(xì)晶強(qiáng)化效果更顯著。且稀土元素可以通過(guò)降低沉淀相的析出速率和溶解溫度來(lái)抑制奧氏體中沉淀相的析出量，促進(jìn)Nb、V、Ti等沉淀相在鐵素體中彌散析出，從而影響組織轉(zhuǎn)變速率及析出物分布狀態(tài)。因此，將稀土元素與微合金元素、控軋控冷工藝相結(jié)合，是研發(fā)高性能稀土鋼的重要思路。

      稀土元素在鋼中主要以3種形態(tài)存在：稀土夾雜物、固溶稀土、稀土-鐵金屬間化合物。稀土元素具有較強(qiáng)的化學(xué)活性、4f殼層價(jià)態(tài)可變和大原子尺寸等特點(diǎn)，由于其性質(zhì)的特殊性，對(duì)稀土元素在鋼中賦存狀態(tài)的表征變得較為困難。普通的實(shí)驗(yàn)儀器很難對(duì)稀土元素的賦存狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)表征，尤其是鋼中固溶稀土原子的分布狀態(tài)，這限制了稀土有關(guān)理論的研究進(jìn)程。 

     劉潔等使用三維原子探針技術(shù)(3DAP)對(duì)鋼中稀土元素的分布進(jìn)行了研究，從圖6可以看出：稀土Ce元素在晶界和相界面處有明顯的偏聚現(xiàn)象，其中相界面處的偏聚更為明顯。稀土Ce元素的相對(duì)原子質(zhì)量較大,固溶于鋼中的稀土Ce原子容易產(chǎn)生晶格畸變，從而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶界處的稀土Ce元素偏聚還會(huì)阻礙晶界運(yùn)動(dòng)，細(xì)化晶粒。

     LIUZ等使用電子探針顯微分析技術(shù)(EPMA)測(cè)得的添加、未添加稀土元素Q235鋼鹽霧腐蝕銹層中元素的線(xiàn)性分布，如圖7所示。研究結(jié)果顯示添加稀土元素的Q235鋼鹽霧腐蝕速率降低，且銹層非常致密、粘附性好，可防止Cl^-進(jìn)入基體并減緩基體的腐蝕。由EPMA測(cè)試結(jié)果可知，在靠近銹層的基體中，稀土元素La和Ce的含量略高，表明稀土元素傾向于富集在基體和銹層之間的界面上。因此含稀土元素的Q235鋼鹽霧腐蝕速率的降低和銹層致密性的提高是由于稀土元素在基體和銹層界面上富集所致。

      FANZ等利用二次離子質(zhì)譜技術(shù)(SIMS技術(shù))研究了石墨鑄鐵中稀土元素的分布，在石墨附近發(fā)現(xiàn)了許多含有高濃度稀土元素的區(qū)域，經(jīng)確認(rèn)為稀土夾雜物，如圖8中白色箭頭所示。此外，在石墨/珠光體邊界、鐵素體/珠光體邊界和晶界處檢測(cè)到Ce和La元素的聚集。在同一區(qū)域未觀察到明顯的夾雜物，表明稀土元素可能以原子形式偏聚到晶界處。

      稀土是不可再生的重要戰(zhàn)略資源，在高新技術(shù)領(lǐng)域中具有不可替代的重要作用。突破稀土元素在鋼中存在形式的精確表征，提高稀土元素在材料中作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，對(duì)于新型稀土鋼的研究與開(kāi)發(fā)具有重要作用。目前較為先進(jìn)的表征手段如三維原子探針(3DAP)、電子探針顯微分析技術(shù)(EPMA)、二次離子質(zhì)譜技術(shù)(SIMS)、球差校正的高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡(HAADF-STEM)和氫微印技術(shù)(HMT)等仍具有一定的局限性。未來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，更為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器將會(huì)被發(fā)明出來(lái)，在這些先進(jìn)技術(shù)手段的支持下，鋼中稀土元素的賦存狀態(tài)將會(huì)被精確捕獲，從而促進(jìn)稀土鋼的快速發(fā)展。

      具有近原子分辨率的電子顯微鏡可用于識(shí)別鋼中稀土元素的分布狀態(tài)，但由于稀土元素的固體溶解度極低，因此不能提供可靠的結(jié)果，并且稀土元素在微觀層面的作用機(jī)理目前很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析，這些過(guò)程需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間并且耗費(fèi)大量的資源。在材料學(xué)研究中，材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)是繼實(shí)驗(yàn)研究方法、理論研究方法之后的第3個(gè)重要科學(xué)研究方法。同時(shí)中國(guó)材料基因組計(jì)劃掀開(kāi)了中國(guó)材料設(shè)計(jì)與模擬領(lǐng)域遠(yuǎn)景規(guī)劃的序幕。材料所有的宏觀性質(zhì)都由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定，因此新材料的研發(fā)離不開(kāi)材料的計(jì)算與模擬，準(zhǔn)確而有效的理論計(jì)算和模擬將會(huì)有效地減少研發(fā)周期并降低研發(fā)成本。采用模擬計(jì)算研究材料性質(zhì)的兩種最常用的方法是密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)。基于密度泛函理論，能從電子的層面探討材料的光學(xué)、磁性、力學(xué)等性質(zhì)，已逐漸成為在材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重要手段之一，對(duì)材料的成分設(shè)計(jì)、合成和性能研究提供了不可或缺的指導(dǎo)；而分子動(dòng)力學(xué)是一套結(jié)合了物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)綜合技術(shù)的分子模擬方法，通過(guò)利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)上原子核的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而得到更加準(zhǔn)確和有效的材料的熱力學(xué)量及其他宏觀性質(zhì)。

      稀土元素在鋼中的固溶是稀土鋼研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。通過(guò)密度泛函理論可以計(jì)算稀土摻雜體系的形成焓來(lái)分析鋼中各元素對(duì)稀土元素固溶的影響。劉香軍等的計(jì)算結(jié)果顯示：鋼中Cu、Mg和C元素不利于稀土Ce元素在鐵中的固溶；Cr、Mn和Ni元素對(duì)稀土Ce元素在鐵中的固溶影響較小；Si、P、Al、Ti、O、V、Co、W、Mo、Nb和N元素有利于稀土Ce元素在鐵中的固溶，且其促進(jìn)稀土Ce元素固溶的能力按此順序依次遞減。     

     LIU H等則通過(guò)使用密度泛函理論計(jì)算了稀土Ce元素在鐵晶界的固溶焓，其計(jì)算結(jié)果及模型如圖9所示。稀土Ce元素在Σ5(310)[001]晶界處的固溶焓為負(fù)值，同時(shí)也降低了Σ5(310)[001]晶界的晶界能，表明稀土Ce元素可以在晶界處穩(wěn)定存在且增加了晶界的穩(wěn)定性。這一結(jié)果證實(shí)了枝晶界面可以有效捕獲鋼中的稀土元素，這一發(fā)現(xiàn)有效地解決了使用傳統(tǒng)技術(shù)表征鋼中稀土原子所帶來(lái)的問(wèn)題。

      對(duì)于稀土金屬的研究，了解其凝固過(guò)程是一個(gè)必不可少的過(guò)程。分子動(dòng)力學(xué)不僅可以模擬液態(tài)金屬的凝固過(guò)程，還可以模擬液-固界面的界面能和電子結(jié)構(gòu)，這對(duì)于在原子尺度上理解液-固界面的非均勻形核具有重要價(jià)值。在稀土金屬元素或含有稀土元素的合金熔化過(guò)程中，坩堝表面將充當(dāng)異質(zhì)形核位置。ZHANG G等使用分子動(dòng)力學(xué)模擬探討了液態(tài)稀土金屬在不同氧化鋁表面構(gòu)型下的非均相成核過(guò)程，其平衡結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。圖10(a)、(b)、(c)的主要區(qū)別在于Al₂O₃結(jié)構(gòu)中與Y接觸的原子層種類(lèi)的不同。與Al原子層接觸相比,如圖10(a)、(b)所示，稀土Y與O原子層接觸時(shí)會(huì)在界面處形成一個(gè)富Y層，如圖10(c)所示。在富Y層之上，仍有3~4層有序原子，這些有序的原子層被稱(chēng)為預(yù)形核層，其中第1預(yù)形核層表現(xiàn)出高度的有序性,即預(yù)形核現(xiàn)象。因此，模擬結(jié)果表明Al₂O₃表面O原子的暴露更有利于稀土Y的形核。

      材料模擬與計(jì)算的應(yīng)用能夠有效降低稀土鋼的研究成本，縮短研究周期，促進(jìn)稀土鋼研究領(lǐng)域的快速發(fā)展。目前的模擬計(jì)算方法在原子數(shù)目較多的大體系上的應(yīng)用還相當(dāng)困難，未來(lái)大尺度的材料計(jì)算與模擬將會(huì)是一種趨勢(shì)，基于云計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，大體系計(jì)算也有可能在未來(lái)幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

      結(jié)合中國(guó)富裕的稀土資源，采用稀土元素作為合金元素，在量大面廣的普碳鋼中通過(guò)稀土合金化，發(fā)展具有我國(guó)資源特色的稀土鋼，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、高附加值稀土鋼制備技術(shù)，把我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，形成具有中國(guó)特色的鋼鐵材料技術(shù)，對(duì)于提高我國(guó)稀土鋼的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義以及戰(zhàn)略意義