混合稀土元素对HRB400 钢组织及拉伸性能的影响

2021-11-08朱福生陈荣春杨宇鹏李春红廖志金刘燕平汪志刚

有色金属科学与工程 2021年5期

朱福生，陈荣春，杨宇鹏，李春红，廖志金，刘燕平，汪志刚

（1.江西理工大学材料冶金化学学部，江西赣州 341000；2.江西省重稀土冶金工业添加剂工程技术研究中心，江西赣州 341000；3.龙南龙钇重稀土科技股份有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

HRB400E 螺纹钢具有高的屈服强度、优良的低周疲劳性能以及抗震性能，被广泛应用于高层和抗震建筑领域[1]。近年来，我国对螺纹钢的需求量越来越大[2]，且对其综合性能的要求越来越高，需要具备良好的组织均匀性以及较好的拉伸性能。添加微合金元素是发展高强度钢筋最好的方法之一。以往均认为钒是最适合添加的微合金元素[3]，但是随着钒市场价格在不断上涨，有必要开发出新的微合金元素。

稀土（RE）不仅有净化钢液、改性夹杂等有利影响，而且存在较为明显的微合金化作用[4-6]。由于稀土降低了碳在铁素体中的活度，增大了铁素体的溶碳能力，改变了铁素体与珠光体的相对含量，并减小了碳锰纯净钢中片状珠光体的片层间距，从而提高其强度、塑性等综合力学性能[7]。杨吉春等发现向X80 管线钢中添加微量Ce 可以使多边形的铁素体演变为针状并使晶粒变得细小狭长，阻碍裂纹扩展；粒状贝氏体更加细小，弥散分布于晶内和晶界，阻碍位错运动从而导致强韧性的提高，同时微量稀土将长条状的MnS 夹杂变为类椭圆形的稀土夹杂且尺寸更小，有效减少受力时的应力集中，提高钢材的综合力学性能[8]。王波等发现向AH36 船板钢中添加微量稀土Ce 后，凝固组织中铁素体的晶粒明显被细化，基体中珠光体组织的分布相对变得更加均匀，同时断口韧窝中原来的块状夹杂被改性为球状稀土夹杂，夹杂的分布也变得更加均匀[9]。除了添加稀土元素外，曹磊等添加合金元素Nb，发现其在HRB400钢中的共析相变前和相变中与碳结合后在位错区密集析出Nb（C,N）沉淀相粒子，使得位错区贫碳，促进针状铁素体的形成，同时位错区周围的固溶铌可以抑制碳原子的扩散，推迟铁素体-珠光体相变，从而更容易得到针状铁素体。钢材初始屈服时，针状铁素体不能与铁素体基体协同变形[10]。当应变不断增加时，会产生大量位错，使得应力-应变曲线中不出现屈服平台。

为了一定程度减少钒的使用而节约钢筋的生产成本，并且保证钢筋的力学性能满足使用需求，以添加不同稀土含量的HRB400 钢为研究对象，系统研究了混合稀土（La 10%、Ce 90%，指质量分数）对HRB400 显微组织以及拉伸性能的影响，为REHRB400 的设计提供参考依据，并使其满足房屋、桥梁等实际应用需求。

1 实验材料及方法

实验用钢取自南方某钢厂生产的钢筋，其牌号为HRB400E，直径为13.5 mm，试验用钢的化学成分如表1 所列。该热轧钢筋在生产过程中热轧后采用空冷的方式冷却到室温。其一般生产工艺流程为：氧气顶底复吹转炉→吹氩→连铸→热送→加热→轧制→冷床冷却→剪切→成品检验→收集、打包→称重并吊牌→入库。

表1 HRB400E 螺纹钢的化学成分Table 1 Chemical composition of HRB400E thread steel 单位：质量分数，%

混合稀土采用镧铈混合金属丝或合金，通过喂线设备在连铸结晶器处加入。为了改进稀土外层包裹钢带和改善连铸渣对稀土吸收率的影响，包芯线中间层加入预熔渣粉料，其示意图如图1 所示。

图1 稀土包芯线示意Fig.1 Schematic diagram of rare earth cored wire

借助蔡司Sigma 型场发射扫描电镜观察微观组织以及拉伸断口形貌。针对其硬度及拉伸性能进行了测试，并借助UTM/CMT5105 系列（精密）电子万能试验机进行拉伸实验，速度为2 mm/min。拉伸试样沿轧向取标距为25 mm 的拉伸试样各2 个，试样尺寸遵循GB/T228.1—2010 国家标准，试样尺寸如图2 所示。并利用Image-Pro 软件统计了珠光体体积分数。

图2 标准拉伸试样尺寸Fig.2 Standard tensile specimen size

2 结果与讨论

2.1 稀土元素含量增加对HRB400E 螺纹钢力学性能的影响

图3 所示为不同稀土含量HRB400 钢的硬度和拉伸性能测试结果。由图3（a）可知，试样边部硬度与心部维氏硬度差值均满足国家标准，且试样钢边部硬度均低于心部硬度。并且对于0.045RE 钢来说，无论是心部还是边部的硬度，均大于0.025RE，稀土含量的增加使得钢整体硬度上升。由试验钢的工程应力-应变曲线（图3（b））可知，试样在拉伸过程均出现了明显的屈服现象，拉伸曲线中出现了屈服平台区。由表2 数据可知，稀土含量的增加使得抗拉强度、上屈服点以及下屈服点的增加，但同时降低了螺纹钢的延伸率以及断面收缩率。

图3 试验钢的力学性能Fig.3 Mechanical properties of test steels

表2 试验钢的拉伸性能Table 2 Tensile properties of test steels

2.2 稀土元素含量增加对HRB400E 螺纹钢组织的影响

图4 所示为试样横断面边部（基圆表层部分）和心部（基圆1/2 直径处）的光学组织。由图4 可知，试样边部与心部组织均由块状铁素体（白色区域）以及珠光体（黑色区域）组成。如图4（a）和图4（b）所示，稀土含量的增加对铁素体晶粒存在一定的细化作用，组织都较为均匀。并且铁素体晶粒出现一种细长的表现，呈现一定程度的条状趋势，具备一定的方向性。相较于稀土含量增加对心部组织的影响，稀土对边部组织也存在类似的影响。如图4（c）和图4（d）所示，稀土含量的增加对心部铁素体组织存在一定的细化作用。图4（e）和图4（f）为RE-HRB400E 钢纵截面的光学组织。试样沿轧制方向均出现了铁素体和珠光体交替相间的带状组织，且以铁素体带为主。此外，稀土含量的增加细化了铁素体带。这可能是由于钢液中弥散分布的高熔点稀土氧硫化物提供了异质形核的核心，同时稀土原子易偏聚于晶界，抑制了C 原子的扩散，该方式在一定程度上极大地减轻了带状组织严重程度，但这并未从根本上消除带状组织[11-13]。屈服强度很大程度上取决于基体的晶粒尺寸以及析出相的尺寸和类型[14-16]。晶粒细化能增加小角度晶界比例，对运动位错的阻碍效应更大，增加钢材的变形抗力，从而改善钢材的屈服强度[17-18]。另一方面晶界可以将塑性变形限制在一定范围内使塑性变形更加均匀而改善塑性，且能一定程度上抑制裂纹的扩展而使得材料的韧性得到改善[19]。随着稀土含量的增加，组织更为均匀，其强度、韧性等力学性能也随之改善，但由于条状的珠光体造成性能的不均匀性，使力学性能具有一定的方向性。

图4 实验钢的光学组织Fig.4 Optical microstructure of experimental steels

图5 所示为片层状珠光体的形貌图，结果表明试样珠光体组织均表现为铁素体（F）基体和Fe3C 片交替相间的层片状。以同一直径做圆测得0.025RE 钢珠光体片层间距为（0.23±0.014）μm，0.045RE 珠光体片层间距为（0.18±0.021）μm，0.045RE 钢的珠光体片层间距更小。分析表明，珠光体的片间距越小，其强度和硬度值会一定程度地增加，塑性也会变好，这主要是因为当F和Fe3C 片变得更薄时，组织中的相界面会变多，钢的塑性变形抗力因此而增大，使得强度上升。并且渗碳体片变薄后，变形会变得更容易，不容易发生脆性断裂，使钢的塑性变形能力变好，即塑性得到改善。

图5 不同成分实验钢的SEM 像Fig.5 SEM images of experimental steels with different compositions

珠光体体积分数统计如图6 所示，结果表明0.045RE 钢珠光体的体积分数相对0.025RE 钢更多，因为铁素体属于软韧相，而渗碳体属于硬脆相，这使珠光体的强硬度相对于铁素体更高，随着珠光体增多，强硬度也增大。层间距的任何变化都将与固溶体中的元素如何决定碳的扩散和转化率相关[20]。从这个意义上讲，稀土在固溶体中的存在可能会起到重要的作用。在珠光体中，渗碳体富含碳，而铁素体只容纳很少的碳。因此，在珠光体生长过程中，碳需要在相变前沿的这两个相之间重新分配。到目前为止，关于稀土元素对珠光体转变的影响仍不明确。这些发现有助于理解稀土对细化珠光体片层间距的潜在作用。通过第一性原理计算，发现稀土原子与碳原子在第二配位层至第五配位层存在着亲和作用[21]。这可能会降低珠光体生长过程中碳原子的扩散系数[22]，从而影响珠光体的片层间距。

图6 珠光体体积分数统计Fig.6 Pearlite volume fraction statistics

2.3 稀土元素含量增加对HRB400E 螺纹钢拉伸断口形貌的影响

图7 所示为试验钢的拉伸断口SEM 图，试验钢断裂方式为韧性断裂。断口处存在大量韧窝，并且韧窝处有大量细小的球状稀土夹杂物。在稀土夹杂物和韧窝之间存在较大的空隙，为断裂过程中提供了可塑性变形的空间[23]。其中，0.025RE 钢的断口出现了较大且分布不均的孔洞，而0.045RE 钢的孔洞数量更少，尺寸相对更小。随着稀土含量的增加，韧窝的数量减少，深度降低。因此，0.045RE 钢的延伸率和断面收缩率也随之降低。