铈微合金化调控EH460船钢力学性能的机制及其抗棘轮效应提升研究

本文系统探讨了铈（Ce）微合金化对EH460船钢力学性能的影响机制。研究发现，微量Ce（0.016 wt%）的添加显著提升材料延性（延伸率由26.7%增至31.5%），同时维持极限抗拉强度（629.6±2.3 MPa）。Ce通过改变珠光体形态（连续渗碳体层破碎为短棒状结构）、细化夹杂物（Ce-O-S型，尺寸由2.0 μm降至1.5 μm）及抑制碳原子晶界扩散（能垒由1.25 eV升至2.39 eV），有效延缓裂纹萌生、提升均匀塑性变形能力，为高安全边际海洋钢材设计提供理论依据。

　　

Highlight

Inclusion modification and refinement

如图1所示，0Ce钢中以Al-Mg-O基夹杂物为主（占比89.1%），而添加Ce后，160Ce钢中Ce-O-S型夹杂物成为绝对主导（占比98.9%）。尺寸分布分析表明，Ce的加入使夹杂物数密度从11.2 mm^-2大幅增加至28.5 mm^-2，而平均尺寸显著减小（从2.0 μm降至1.5 μm）。这一细化与改性效应为材料微观结构优化奠定了基础。

Effect of Ce on the morphology of pearlite

对比图2与图3可知，Ce的添加显著改变了EH460钢中珠光体的结构形态。Ce促使带状珠光体分解，将连续渗碳体层转化为短棒状渗碳体（占比高达91.1%）。由于碳是渗碳体的主要组成元素，碳含量的增加通常会促进连续珠光体层的形成。因此，珠光体形态的转变（尤其是渗碳体的变化）与Ce对碳原子行为的影响密切相关。

Conclusion

通过第一性原理计算与实验表征，系统研究了Ce微合金化对EH460船钢微观结构演变与力学性能的影响，主要结论如下：

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  （1）微量Ce的添加在不牺牲极限抗拉强度（629.6 ± 2.3 MPa）的前提下，显著提升EH460钢的延性（延伸率从26.7%增至31.5%）。Ce降低了初始加工硬化率（从2.2 × 10⁵ MPa降至1.6 × 10⁵ MPa），并延长了均匀塑性变形阶段。
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  （2）Ce促使珠光体形态从带状转变为退化珠光体，其特征为连续渗碳体层破碎并以短棒状结构为主（占比91.1%）。
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  （3）Ce改性夹杂物（主要为Ce-O-S型）的数密度增加（从11.2 mm^-2增至28.5 mm^-2），平均尺寸减小（从2.0 μm降至1.5 μm）。
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  （4）第一性原理计算表明，Ce在晶界（GBs）处的偏析抑制了碳原子向相邻区域的扩散，并将其扩散能垒从1.25 eV提升至2.39 eV，从而阻碍碳原子的长程扩散路径，破坏连续渗碳体层的形成。
  短棒状渗碳体与细小夹杂物的存在降低了位错浓度、延缓裂纹萌生，并增强了EH460钢的均匀塑性变形能力，赋予其优异的抗棘轮效应能力，为设计更高安全边际的海洋钢材提供了基础。