探究稀土鈰對特種防護鋼板組織和性能的影響

孫宇

摘? 要：防護鋼板是船只運輸?shù)闹匾牧?，防護鋼板的性能關(guān)系到船只在海洋中的行駛，從防護鋼板材質(zhì)構(gòu)成上來看，稀土鈰對特種防護鋼板會產(chǎn)生較強的凈化能力，且能夠改變鋼材中夾雜物的形態(tài)，提升防護鋼的硬度和抗變形能力。為此，該文結(jié)合我國某地區(qū)稀土資源的優(yōu)勢特點，在中碳鉻鎳鉬鋼中加入少量的稀土材料來改善防護鋼板組織，旨在能夠更好地提升材料的綜合性能。

關(guān)鍵詞：稀土鈰? 特種防護鋼板? 船只? 組織? 性能? 影響

中圖分類號：TU85文獻標識碼：A??????? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

On the Effect of Rare Earth Cerium on the Microstructure and Properties of Special Protective Steel Plate

SUN Yu1，2

（1. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Bohai Shipbuilding Vocational College， Huludao， Liaoning Province， 125100 China; 2. Department of Mechanical Engineering， Tangshan Industrial Polytechnic College，

Tangshan， Hebei Province，063200 China）

Abstract： Protective steel plate is an important material for ship transportation. The performance of protective steel plate is related to the driving of ships in the sea. From the perspective of the material composition of protective steel plate， rare earth cerium has a strong purification ability for special protective steel plate， and can change the form of inclusions in steel， improve the hardness and deformation resistance of protective steel. Therefore， combined with the advantages and characteristics of rare earth resources in a certain area of China， this paper adds a small amount of rare earth materials to medium carbon chromium nickel molybdenum steel to improve the structure of protective steel plate， in order to better improve the comprehensive properties of the materials.

Key Words： Rare earth cerium; Special protective steel plate; Ships; Microstructure; Performance; Influence

在社會經(jīng)濟的快速發(fā)展下，海洋環(huán)境中船只對特種防護鋼板的需求不斷增加。高強度低合金鋼板是船只力學構(gòu)造中的重要支撐載體。在大氣、海水等腐蝕介質(zhì)的影響下，鋼板材料的腐蝕對船板載體的使用壽命產(chǎn)生了深刻的影響，普通的高強度低合金鋼板在大氣環(huán)境下的耐腐蝕性較差，而在其中添加適量的合金元素能夠改善高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼板的耐腐蝕性能。

1船只常用防護鋼

1.1船只鋼板加工所使用的防護鋼材料概述

海洋能源開發(fā)在我國社會經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)較大的比重，碳鋼、低合金鋼板以其低廉的價格、高強度的屬性、加工方便的特質(zhì)被應(yīng)用到船舶海洋工程，成為船只加工的主要材料。但是受海洋環(huán)境的影響，常規(guī)使用的碳鋼、低合金鋼會遭受不同程度的腐蝕破壞，最終會降低鋼板材料的使用壽命。如何提升鋼鐵材料的抗腐蝕性是相關(guān)人員需要思考和解決的問題[1]。

1.2稀土在鋼中的應(yīng)用作用

第一，凈化作用。稀土對鋼中的氧元素、硫元素會表現(xiàn)出較強的親近性，能夠和鋼中的氧、硫融合在一起這些硫化物會在氧硫化物最外部包裹起來，從而形成復(fù)合夾雜物或者稀土硅酸鹽化合物。這些稀土氧化物和稀土硅酸鹽化合物會順利從鋼中排出，從而凈化鋼液。第二，變質(zhì)作用。稀土化合物在鋼液凝固的時候會以分散、微小球狀物存在的，且在熱加工的過程中稀土夾雜物不會出現(xiàn)變形，稀土夾雜物會替代硫化錳夾雜物，由此減少鋼中硫化錳夾雜的危害。第三，微合金化作用。在微量稀土元素固溶強化、稀土元素和其他融進鋼鐵材料元素交互作用的影響下，微合金化能夠提升鋼鐵材料本身的強度和韌性得到提升[2]。

2 稀土對防護鋼顯微組織和夾雜物的影響

2.1試驗鋼的化學成分分析

試驗鋼化學成本分析如表1所示。鋼鐵中稀土的收得率、脫氧率、脫硫率如表2所示。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)信息可以得出，在添加稀土之前的裝甲鋼匯總的氧元素、硫元素含量處于一個較低的水平，鋼液比較純凈，但是在加入稀土之后試驗鋼中的氧元素和硫元素含量會出現(xiàn)持續(xù)性降低的情況，稀土的脫硫、脫氧效果會充分展現(xiàn)出來[3]。

2.2稀土度試驗鋼顯微組織的影響

添加稀土和不添加稀土防護鋼在顯微鏡的觀察下會發(fā)現(xiàn)存在大量狹長的平行板，且總體呈現(xiàn)出群落組織。船只低合金鋼板條狀馬氏組織會隨著稀土含量的增加而不斷增加。對試驗鋼對應(yīng)的原始性奧氏體晶體顆粒形貌和大小進行統(tǒng)計，每一個試樣統(tǒng)計4個金相照片，最終統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，稀土加入量越多，晶體顆粒的尺寸就越小[4]。

2.3稀土對試樣鋼夾雜物的影響

第一，稀土對硫化物夾雜的影響。稀土硫氧化加工過程中的不會出現(xiàn)變形，長條形狀的硫化物夾雜會在加工中消失，新生成的夾雜物會替代原本的硫化錳夾雜物，由此會提升鋼的性能。第二，夾雜物級別鑒定和大小的測量。在防護鋼中加入稀土后，稀土元素和硫元素之間會發(fā)生反應(yīng)，新的生成物會凈化鋼液，改變夾雜物的形貌和大小。在鋼材熱加工的時候，形成的圓形稀土加載無會改善其力學性能[5]。

3稀土對防護鋼常溫環(huán)境下力學性能的影響

3.1稀土對防護鋼硬度的影響

在對測試樣品的硬度開展測試分析之后得到了7組數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值之后計算數(shù)據(jù)。在加入稀土之后，伴隨稀土含量的增加，試驗鋼中的維氏硬度會得到增加，相應(yīng)的，在提升船只低合金鋼板抗腐蝕性能方面也顯示出良好的效果。經(jīng)過上文分析發(fā)現(xiàn)，稀土和鋼相互作用的一個重要優(yōu)點是細化金屬晶體中的顆粒，在微量稀土元素在鋼中固溶的時候會最開始在晶界位置上存在，在晶體的晶界位置上會出現(xiàn)較大的畸變。船只低合金鋼板硬度隨著稀土含量增加發(fā)生的變化如圖1所示。

3.2稀土對防護鋼室溫拉伸性能的影響

從定義上來看，拉伸強度是材料 使用過程中所能夠承受的最大應(yīng)力數(shù)值，屈服強度代表的是壓力增加情況下荷載的變化。在實驗操作中，通過對稀土船只低合金鋼板拉伸性能影響因素的分析，具體包含加入稀土之后試驗鋼屈服強度、抗拉強度、伸長率變化來確定一系列的參數(shù)[6]。

3.3室溫拉伸實驗的數(shù)據(jù)分析

試驗鋼拉伸試驗測試結(jié)果如表3所示，根據(jù)表3的數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)，在添加Ce之后，船只低合金鋼板的抗拉強度會提升，屈服強度、伸長率也會在一定程度上提升，在此期間，試驗鋼的強度會從1 220.11 MPa增加到1 284.08 MPa。在實驗操作中各個樣本都沒有出現(xiàn)屈服的現(xiàn)象，由此確定防護鋼板屈服強度是拉伸試樣發(fā)生的0.2%比例塑性變形時的應(yīng)力數(shù)值。

3.4稀土對試驗鋼沖擊性能的影響

3.4.1室溫沖擊實驗數(shù)據(jù)分析

對每個實驗小組開展3次平行試驗，在3次平行試驗中提取平均數(shù)值。通過對3次實驗數(shù)值的分析發(fā)現(xiàn)，伴隨稀土含量的增加，試驗鋼的沖擊力也會相應(yīng)的增加。沒有添加稀土的試驗鋼沖擊功為38.5 J，加入0.084%比例稀土的試驗鋼的沖擊力為50.8 J。

3.4.2沖擊實驗斷口形貌的觀察分析

對沒有加入稀土的船只低合金鋼板沖擊試樣斷口形貌觀察分析我們發(fā)現(xiàn)，沖擊斷口會呈現(xiàn)出平坦的狀態(tài)，多數(shù)韌窩比較小，尺寸基本一致。通過上文對鋼中夾雜物的深入分析發(fā)現(xiàn)，沒有加入稀土的鋼中夾雜物是硫化錳夾雜物，這類鋼材在加熱之后很容易出現(xiàn)變形。長條硫化錳夾雜的自身塑性較好，基體鋼塑性和硫化錳夾雜鋼相比，其塑性較差。

4結(jié)語

綜上所述，該文以船只低合金鋼板作為基本研究對象， 在其中加入稀土之后，借助顯微鏡的顯微組織來了解其中的鋼夾雜物、常溫力學性能變化、熱變形行為，最終得出以下的結(jié)論：（1）稀土在鋼中的添加會使其組織結(jié)構(gòu)更加均勻，顆粒的細化程度得到提升。（2）稀土在鋼中的增加會使得夾雜物從不規(guī)則的長條形硫化錳夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢E球形狀的稀土化合夾雜物。（3）在加入稀土之后防護鋼的常溫力學性能會有所改善，其硬度、抗拉強度、屈服強度、伸長率、沖擊率等也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

參考文獻

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[3]? 李海紅，劉曉，李楊，等.稀土鈰對含鉛雜銅顯微組織和力學性能的影響（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2020， 30（6）：1574-1581.

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[5]? 楊梓健，付傳起，王宙，等.稀土鈰對Ni-Mo-P-PTFE鍍層組織結(jié)構(gòu)與防垢性能的影響研究[J].表面技術(shù)，2019，48（2）：89-93.

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