Nature Materials：金屬領域集科學與工程于一體的重大突破

一、導讀

將稀土元素加入鋼種會帶來非常巨大的優勢。如，在脫氧和脫硫過程中表現出有效的凈化左右，修正夾雜物并實現微合金化。這些影響會導致眾多材料性能的改善，包括韌性、塑性、耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性。大量的研究表明，加入稀土元素后，鋼的力學性能非常不穩定。有時惡化了材料的性能，有時則對材料的力學性能非常有利。這種不穩定性導致稀土鋼的應用受限，尤其是在高端設備的應用中，材料力學性能的穩定性非常重要。另外，稀土鋼工藝不順行，存在澆口嚴重堵塞的問題；盡管作出了巨大的努力，但這些問題尚未得到成功解決。 因此，稀土鋼的相關研究和應用大幅下降。怎樣將稀土元素的有益作用發揮到最大，是亟需解決的國際性難題。

二、成果掠影

近日，金屬所李依依院士團隊的李殿中研究員，陳星秋研究員等人基于上述問題。受氧致偏析新機制的啟發，通過長期的機理研究和實驗，發現稀土鋼性能不穩定、澆口堵塞問題的根本原因在于其中含有較多的氧含量。本工作提出了一種雙低氧技術，在鋼熔體中特別是在稀土原料中保持低水平的氧含量，這是長期被忽視的，以獲得穩定的和有利的稀土強化效果。僅添加百萬分之一的稀土元素就能大大提高疲勞壽命，拉伸壓縮疲勞壽命提高40倍，滾動接觸疲勞壽命提高40%。結合計算和表征揭示了稀土元素在鋼中的關鍵作用機制。發現稀土的作用是通過降低碳擴散速率和延緩奧氏體晶界處的鐵素體形核。相關成果以“Low-oxygen rare earth steels”為題發表在國際材料頂級期刊Nature Materials.

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

三、核心創新點

(1) 發明雙低氧技術，制備純凈低氧的稀土鋼；

(2) 揭示了稀土鋼性能不穩定、澆口堵塞問題的根本原因，并理論結合實際，解決了稀土鋼面臨的突出問題；

四、數據概覽

圖1 稀土元素對52100鋼的拉壓壽命和軋制接觸疲勞壽命的顯著影響；a、實驗測量了未添加稀土的52100鋼、RE-52100鋼和添加稀土的52100鋼在最大應力±800 MPa循環拉壓載荷下的疲勞使用壽命分布。表示為累計概率(P)作為到循環次數(Nf)的函數；b、在轉速為2000轉/分的軸向加載條件下，采用4.2 GPa的赫茲接觸壓力，實驗測量了未添加稀土的52100鋼和RE-52100鋼的滾動接觸疲勞壽命分布。L-FC類型號。32油浴潤滑系統。虛線表示50%的累計失敗概率。

圖2 稀土添加對包裹體的影響；a, 18個3噸52100鋼錠中添加和不添加稀土的52個樣品中大夾雜物(>5 μm)的統計數量。N，樣本中的項目數。b，在不添加稀土的52100鋼中電解得到的夾雜物的三維形貌，通過掃描電鏡觀察。c，用SEM觀察RE-52100鋼中添加稀土后的RE-氧化物夾雜物的三維形貌。d, 通過SEM觀察了RE-52100鋼中的稀土氧硫化物和稀土硫化物夾雜物的三維形貌。e,稀土氧化硫化物和Al₂O₃納米壓痕加載力與壓痕深度的函數關系。維克氏硬度。f,g，疲勞后夾雜物的形貌(f)和夾雜物中位錯的積累(g)。在f中，紅色箭頭表示馬氏體基體的板條邊界。白色虛線表示不同夾雜物之間的邊界以及夾雜物與基體之間的邊界。紅色虛線曲線勾勒出Al₂O₃附近受應力集中影響的區域。

圖3 稀土在鋼中的溶解；a，理論上模擬了鋼基體中的稀土納米團簇與單空位的相互作用。E_bind(nRE_cluster-Vac)表示每個nRE簇與單個空位之間的結合能，單位為eV。nRE簇表示由n個RE原子組成的簇，Vac為單空位。b，∑5 <100>{013} GB的二維投影;其中的數字表示RE原子在該GB上的取代位置。c, RE在GB下與一系列其他合金添加物的分離能。d, RE-S355低碳鋼沿[111]方向的高角度環形暗場掃描TEM圖像。由于在添加稀土的S355低碳鋼中，只有稀土元素的原子序數高于Fe，因此某些納米簇的鮮明對比可以歸因于稀土原子的富集。e, d中選定區域A的FFT圖; f, d中選定區域B的FFT模式; g,h，碳在bcc (g)和fcc (h) Fe中擴散的能壘，添加La或Ce和不添加RE。

圖4 稀土在鋼液中對相變溫度和碳擴散的影響；a，在冷卻速率為20°C s^-1時，實驗測量了添加和不添加稀土的S355低碳鋼的膨脹曲線；b、Fe-0.14%C在20°C s^-1冷卻速率下添加和不添加稀土時的實驗測量膨脹曲線。a和b中的黑色直線是測得的膨脹曲線的切線。c，電子探針顯微分析測量典型碳濃度隨擴散偶(紅點為Fe-0.6%C / Fe-0.14%C，黑點為Fe-0.6%C - RE / Fe-0.14%C - RE)距離的函數關系及其根據菲克第二定律擬合曲線。

五、成果啟迪

該工作的研究表明，鋼只需添加百萬分之一的稀土元素，在工藝流程基本不改變的條件下即可顯著提升鋼的性能。我國是稀土資源大國，這對于發揮我國優勢，平衡稀土資源利用，提升優特鋼的品質具有重要意義。