稀土改性钢的微观组织演变、力学行为、耐腐蚀性能与疲劳性能综述：从无镍到高镍体系

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural evolution, mechanical behavior, corrosion resistance and fatigue performance of rare-earth modified steels: A review from nickel-free to high-nickel systems

　　

稀土元素在钢中的作用按镍含量分为五类进行了比较。稀土将MnS和Al2O3夹杂物转化为更细小、更稳定的稀土氧硫化物。最佳稀土含量（0.003–0.031 wt.%）与氧和硫含量成比例，而非与镍含量成比例。当稀土去除MnS时，点蚀抗力提高，但富硫稀土相可能引发点蚀。腐蚀-疲劳数据和氢服役测试被确定为关键的研究空白。

一、研究背景与科学问题

传统结构钢和不锈钢的长期可持续性正面临原材料价格波动、供应链的地缘政治不确定性以及现代工程应用日益增长的性能要求的挑战。因此，高性能钢的开发聚焦于成本效益与长期结构可靠性之间的平衡。然而，高锰含量的使用以及常规炼钢和脱氧实践会引入一系列微观结构和化学挑战，例如形成粗大且棱角分明的硫化锰（MnS）、硬质氧化铝（Al₂O₃）颗粒以及复合铝酸盐夹杂物。这些非金属夹杂物长期以来被认为是导致高强度轴承钢和弹簧钢疲劳损伤和过早失效的主要因素，它们常作为局部腐蚀和循环载荷下微裂纹的萌生源，降低材料在冲击或断裂过程中的能量吸收能力，最终损害其结构完整性和长期性能。

为了克服这些性能限制，稀土（RE）微合金化已成为现代合金设计中的有效策略。即使是极低浓度的铈（Ce）、镧（La）和镨（Pr）等稀土元素，也能显著改变钢的微观结构。它们最重要的作用之一是将有害的细长MnS条带和棱角状氧化物夹杂物转变为更细小、更稳定且近乎球形的稀土氧硫化物颗粒。这种夹杂物改性减少了应力集中点，有助于提升力学性能和耐腐蚀性能。此外，固溶态或偏聚于晶界的残余稀土原子可通过溶质拖曳和齐纳钉扎效应促进晶粒细化并增强相稳定性。

研究人员指出，镍含量本身并非控制稀土-夹杂物化学性质的关键变量，溶解态的氧和硫活度、脱氧实践以及稀土/(氧+硫)比值才是决定性因素。尽管如此，本综述仍以镍含量作为组织轴线，原因有三：其一，镍与铬、锰、氮共同决定了基体构成，从而影响稀土原子的偏聚、堆垛层错能以及夹杂物与裂纹相互作用的相界类型；其二，不同镍含量的钢种在服役中受限于不同的退化模式；其三，镍的减量化是稀土微合金化在不锈钢中应用的主要成本和供应动机。基于此，研究人员将所评述的钢种按镍含量分为五个类别：I类无镍钢、II类贫镍低合金钢、III类低镍不锈钢、IV类中镍双相不锈钢和V类高镍奥氏体不锈钢。

二、关键技术方法

研究人员在综述中总结了多种用于表征稀土改性钢微观结构和性能的关键技术方法。对于微观结构分析，采用了光学显微镜（OM）评估晶粒尺寸、相分布和宏观夹杂物形貌；扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM-EDS）用于高分辨率形貌观察、相衬度分析和元素分布图谱绘制，以识别稀土改性的夹杂物；电子背散射衍射（EBSD）用于研究晶体学取向、织构演变和相鉴定，特别是铁素体和奥氏体的分布。透射电子显微镜（TEM）结合选区电子衍射（SAED）用于纳米级析出相鉴定和位错组态分析。此外，还介绍了关联表征方法，如关联EBSD-电子通道衬度成像（cECCI）用于在块体试样中成像位错和滑移带，以及定点聚焦离子束（FIB）提取结合TEM和原子探针层析技术（APT）用于分析稀土在晶界和夹杂物/基体界面的偏聚。在力学性能测试方面，涵盖了单轴拉伸测试、硬度测试、夏比冲击测试、轴向疲劳测试、应变控制疲劳测试、超声疲劳测试、慢应变速率拉伸测试（SSRT）以及疲劳裂纹扩展测试等方法。

三、主要研究结果

2. 微观结构与夹杂物分析

研究人员通过光学显微镜（OM）观察到，在无镍结构钢中，稀土添加使平均铁素体晶粒尺寸从约41微米减小至24微米，证明了其固有的晶粒细化效果。扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）揭示了稀土如何将细长的MnS和棱角状的Al₂O₃夹杂物转化为细小、球形的稀土氧硫化物或复合氧化物，例如在316L不锈钢中观察到了球形Ce₂O₂S夹杂物。电子背散射衍射（EBSD）用于定量评估晶粒尺寸、取向差分布以及特殊晶界（如Σ3孪晶界）的比例，后者对抵抗晶间腐蚀至关重要。透射电子显微镜（TEM）则揭示了更精细的结构，如在Ce改性的SAF 2507超级双相不锈钢中，观察到了Cr₂N析出相以及在高温变形过程中奥氏体的动态再结晶和铁素体的动态回复行为。研究人员还特别强调了关联表征的重要性，例如利用定点FIB-TEM-APT联用技术来测量痕量浓度下稀土在晶界处的偏聚。

3. 力学性能测试

研究人员通过汇总不同类别钢种的力学性能数据，系统分析了稀土添加的影响。在I类无镍低合金钢中，添加0.003%的Ce使屈服强度从935 MPa提升至1040 MPa，抗拉强度从1370 MPa提升至1415 MPa，延伸率也从11%增至12.5%，这归因于脆性Al₂O₃向球形稀土复合夹杂物的转化。在II类含0.56% Ni的超高强度低合金钢中，添加0.021% Ce同时提升了强度和塑性（抗拉强度从1702 MPa增至1982 MPa，延伸率从17.91%增至25.56%），这得益于Ce的溶质拖曳效应和纳米级VC析出相的协同作用。对于III类低镍不锈钢，稀土添加通过消除MnS夹杂物提高了点蚀电位（E_pit）。在IV类中镍双相不锈钢中，稀土添加将点蚀电位从0.43 V_SCE提升至0.90 V_SCE，并将夏比冲击功从99.5 J提升至138.1 J。对于V类高镍奥氏体不锈钢，稀土添加改善了热加工性、高温抗氧化性，并降低了氢脆敏感性。研究人员也注意到，在某些情况下，过量的稀土添加会导致性能下降，呈现出抛物线趋势。

四、总结与讨论

本综述系统地比较了稀土元素在从无镍到高镍的五类钢种中的作用机制。研究发现，稀土的核心作用是将其它有害的MnS和Al₂O₃夹杂物转化为更细小、更稳定且呈球形的稀土氧硫化物或复合氧化物，从而减少应力集中，提升力学性能和耐腐蚀性能。最佳的稀土添加量（0.003–0.031 wt.%）主要取决于钢中初始的氧和硫含量，而非镍含量，但镍含量决定了哪种稀土作用机制最为关键。虽然稀土改性在提升点蚀抗力方面效果显著，但当形成富硫稀土相时，也可能成为新的点蚀萌生源。研究人员明确指出，腐蚀-疲劳数据和氢服役测试是当前最关键的研究空白，缺乏相关数据限制了稀土改性钢在复杂服役环境下的可靠应用。此外，研究人员强调了对稀土相进行严格鉴定的必要性，指出许多研究中仅凭EDS成分分析不足以确定晶体结构，应结合衍射技术（如SAED、XRD）或热力学计算进行确认。