朱福生，陳榮春，楊宇鵬，李春紅，廖志金，劉燕平，汪志剛

（1.江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000；2.江西省重稀土冶金工業(yè)添加劑工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000；3.龍南龍釔重稀土科技股份有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

HRB400E 螺紋鋼具有高的屈服強度、優(yōu)良的低周疲勞性能以及抗震性能，被廣泛應(yīng)用于高層和抗震建筑領(lǐng)域[1]。近年來，我國對螺紋鋼的需求量越來越大[2]，且對其綜合性能的要求越來越高，需要具備良好的組織均勻性以及較好的拉伸性能。添加微合金元素是發(fā)展高強度鋼筋最好的方法之一。以往均認為釩是最適合添加的微合金元素[3]，但是隨著釩市場價格在不斷上漲，有必要開發(fā)出新的微合金元素。

稀土（RE）不僅有凈化鋼液、改性夾雜等有利影響，而且存在較為明顯的微合金化作用[4-6]。由于稀土降低了碳在鐵素體中的活度，增大了鐵素體的溶碳能力，改變了鐵素體與珠光體的相對含量，并減小了碳錳純凈鋼中片狀珠光體的片層間距，從而提高其強度、塑性等綜合力學(xué)性能[7]。楊吉春等發(fā)現(xiàn)向X80 管線鋼中添加微量Ce 可以使多邊形的鐵素體演變?yōu)獒槧畈⑹咕ЯＷ兊眉毿—M長，阻礙裂紋擴展；粒狀貝氏體更加細小，彌散分布于晶內(nèi)和晶界，阻礙位錯運動從而導(dǎo)致強韌性的提高，同時微量稀土將長條狀的MnS 夾雜變?yōu)轭悪E圓形的稀土夾雜且尺寸更小，有效減少受力時的應(yīng)力集中，提高鋼材的綜合力學(xué)性能[8]。王波等發(fā)現(xiàn)向AH36 船板鋼中添加微量稀土Ce 后，凝固組織中鐵素體的晶粒明顯被細化，基體中珠光體組織的分布相對變得更加均勻，同時斷口韌窩中原來的塊狀夾雜被改性為球狀稀土夾雜，夾雜的分布也變得更加均勻[9]。除了添加稀土元素外，曹磊等添加合金元素Nb，發(fā)現(xiàn)其在HRB400鋼中的共析相變前和相變中與碳結(jié)合后在位錯區(qū)密集析出Nb（C,N）沉淀相粒子，使得位錯區(qū)貧碳，促進針狀鐵素體的形成，同時位錯區(qū)周圍的固溶鈮可以抑制碳原子的擴散，推遲鐵素體-珠光體相變，從而更容易得到針狀鐵素體。鋼材初始屈服時，針狀鐵素體不能與鐵素體基體協(xié)同變形[10]。當(dāng)應(yīng)變不斷增加時，會產(chǎn)生大量位錯，使得應(yīng)力-應(yīng)變曲線中不出現(xiàn)屈服平臺。

為了一定程度減少釩的使用而節(jié)約鋼筋的生產(chǎn)成本，并且保證鋼筋的力學(xué)性能滿足使用需求，以添加不同稀土含量的HRB400 鋼為研究對象，系統(tǒng)研究了混合稀土（La 10%、Ce 90%，指質(zhì)量分數(shù)）對HRB400 顯微組織以及拉伸性能的影響，為REHRB400 的設(shè)計提供參考依據(jù)，并使其滿足房屋、橋梁等實際應(yīng)用需求。

1 實驗材料及方法

實驗用鋼取自南方某鋼廠生產(chǎn)的鋼筋，其牌號為HRB400E，直徑為13.5 mm，試驗用鋼的化學(xué)成分如表1 所列。該熱軋鋼筋在生產(chǎn)過程中熱軋后采用空冷的方式冷卻到室溫。其一般生產(chǎn)工藝流程為：氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄→熱送→加熱→軋制→冷床冷卻→剪切→成品檢驗→收集、打包→稱重并吊牌→入庫。

表1 HRB400E 螺紋鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of HRB400E thread steel 單位：質(zhì)量分數(shù)，%

混合稀土采用鑭鈰混合金屬絲或合金，通過喂線設(shè)備在連鑄結(jié)晶器處加入。為了改進稀土外層包裹鋼帶和改善連鑄渣對稀土吸收率的影響，包芯線中間層加入預(yù)熔渣粉料，其示意圖如圖1 所示。

圖1 稀土包芯線示意Fig.1 Schematic diagram of rare earth cored wire

借助蔡司Sigma 型場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織以及拉伸斷口形貌。針對其硬度及拉伸性能進行了測試，并借助UTM/CMT5105 系列（精密）電子萬能試驗機進行拉伸實驗，速度為2 mm/min。拉伸試樣沿軋向取標距為25 mm 的拉伸試樣各2 個，試樣尺寸遵循GB/T228.1—2010 國家標準，試樣尺寸如圖2 所示。并利用Image-Pro 軟件統(tǒng)計了珠光體體積分數(shù)。

圖2 標準拉伸試樣尺寸Fig.2 Standard tensile specimen size

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼力學(xué)性能的影響

圖3 所示為不同稀土含量HRB400 鋼的硬度和拉伸性能測試結(jié)果。由圖3（a）可知，試樣邊部硬度與心部維氏硬度差值均滿足國家標準，且試樣鋼邊部硬度均低于心部硬度。并且對于0.045RE 鋼來說，無論是心部還是邊部的硬度，均大于0.025RE，稀土含量的增加使得鋼整體硬度上升。由試驗鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3（b））可知，試樣在拉伸過程均出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，拉伸曲線中出現(xiàn)了屈服平臺區(qū)。由表2 數(shù)據(jù)可知，稀土含量的增加使得抗拉強度、上屈服點以及下屈服點的增加，但同時降低了螺紋鋼的延伸率以及斷面收縮率。

圖3 試驗鋼的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of test steels

表2 試驗鋼的拉伸性能Table 2 Tensile properties of test steels

2.2 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼組織的影響

圖4 所示為試樣橫斷面邊部（基圓表層部分）和心部（基圓1/2 直徑處）的光學(xué)組織。由圖4 可知，試樣邊部與心部組織均由塊狀鐵素體（白色區(qū)域）以及珠光體（黑色區(qū)域）組成。如圖4（a）和圖4（b）所示，稀土含量的增加對鐵素體晶粒存在一定的細化作用，組織都較為均勻。并且鐵素體晶粒出現(xiàn)一種細長的表現(xiàn)，呈現(xiàn)一定程度的條狀趨勢，具備一定的方向性。相較于稀土含量增加對心部組織的影響，稀土對邊部組織也存在類似的影響。如圖4（c）和圖4（d）所示，稀土含量的增加對心部鐵素體組織存在一定的細化作用。圖4（e）和圖4（f）為RE-HRB400E 鋼縱截面的光學(xué)組織。試樣沿軋制方向均出現(xiàn)了鐵素體和珠光體交替相間的帶狀組織，且以鐵素體帶為主。此外，稀土含量的增加細化了鐵素體帶。這可能是由于鋼液中彌散分布的高熔點稀土氧硫化物提供了異質(zhì)形核的核心，同時稀土原子易偏聚于晶界，抑制了C 原子的擴散，該方式在一定程度上極大地減輕了帶狀組織嚴重程度，但這并未從根本上消除帶狀組織[11-13]。屈服強度很大程度上取決于基體的晶粒尺寸以及析出相的尺寸和類型[14-16]。晶粒細化能增加小角度晶界比例，對運動位錯的阻礙效應(yīng)更大，增加鋼材的變形抗力，從而改善鋼材的屈服強度[17-18]。另一方面晶界可以將塑性變形限制在一定范圍內(nèi)使塑性變形更加均勻而改善塑性，且能一定程度上抑制裂紋的擴展而使得材料的韌性得到改善[19]。隨著稀土含量的增加，組織更為均勻，其強度、韌性等力學(xué)性能也隨之改善，但由于條狀的珠光體造成性能的不均勻性，使力學(xué)性能具有一定的方向性。

圖4 實驗鋼的光學(xué)組織Fig.4 Optical microstructure of experimental steels

圖5 所示為片層狀珠光體的形貌圖，結(jié)果表明試樣珠光體組織均表現(xiàn)為鐵素體（F）基體和Fe3C 片交替相間的層片狀。以同一直徑做圓測得0.025RE 鋼珠光體片層間距為（0.23±0.014）μm，0.045RE 珠光體片層間距為（0.18±0.021）μm，0.045RE 鋼的珠光體片層間距更小。分析表明，珠光體的片間距越小，其強度和硬度值會一定程度地增加，塑性也會變好，這主要是因為當(dāng)F和Fe3C 片變得更薄時，組織中的相界面會變多，鋼的塑性變形抗力因此而增大，使得強度上升。并且滲碳體片變薄后，變形會變得更容易，不容易發(fā)生脆性斷裂，使鋼的塑性變形能力變好，即塑性得到改善。

圖5 不同成分實驗鋼的SEM 像Fig.5 SEM images of experimental steels with different compositions

珠光體體積分數(shù)統(tǒng)計如圖6 所示，結(jié)果表明0.045RE 鋼珠光體的體積分數(shù)相對0.025RE 鋼更多，因為鐵素體屬于軟韌相，而滲碳體屬于硬脆相，這使珠光體的強硬度相對于鐵素體更高，隨著珠光體增多，強硬度也增大。層間距的任何變化都將與固溶體中的元素如何決定碳的擴散和轉(zhuǎn)化率相關(guān)[20]。從這個意義上講，稀土在固溶體中的存在可能會起到重要的作用。在珠光體中，滲碳體富含碳，而鐵素體只容納很少的碳。因此，在珠光體生長過程中，碳需要在相變前沿的這兩個相之間重新分配。到目前為止，關(guān)于稀土元素對珠光體轉(zhuǎn)變的影響仍不明確。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解稀土對細化珠光體片層間距的潛在作用。通過第一性原理計算，發(fā)現(xiàn)稀土原子與碳原子在第二配位層至第五配位層存在著親和作用[21]。這可能會降低珠光體生長過程中碳原子的擴散系數(shù)[22]，從而影響珠光體的片層間距。

圖6 珠光體體積分數(shù)統(tǒng)計Fig.6 Pearlite volume fraction statistics

2.3 稀土元素含量增加對HRB400E 螺紋鋼拉伸斷口形貌的影響

圖7 所示為試驗鋼的拉伸斷口SEM 圖，試驗鋼斷裂方式為韌性斷裂。斷口處存在大量韌窩，并且韌窩處有大量細小的球狀稀土夾雜物。在稀土夾雜物和韌窩之間存在較大的空隙，為斷裂過程中提供了可塑性變形的空間[23]。其中，0.025RE 鋼的斷口出現(xiàn)了較大且分布不均的孔洞，而0.045RE 鋼的孔洞數(shù)量更少，尺寸相對更小。隨著稀土含量的增加，韌窩的數(shù)量減少，深度降低。因此，0.045RE 鋼的延伸率和斷面收縮率也隨之降低。

圖7 不同成分實驗鋼的拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology of experimental steels with different compositions

3 結(jié)論

1）稀土元素含量的增加，一方面細化了鐵素體晶粒尺寸，一定程度減輕了帶狀組織分布，另一方面增加了珠光體的體積分數(shù)，細化了珠光體的片層間距。

2）稀土元素含量的增加，增加了螺紋鋼的上、下屈服點，抗拉強度增加約11 MPa，但由于韌窩的數(shù)量及深度減少導(dǎo)致其延伸率下降約4%。