《Journal of Materials Research and Technology》：Role of trace cerium on dynamic continuous cooling transformation, microstructural evolution, and mechanical properties of high-strength wheel steel
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为阐明固溶Ce在提升高强车轮钢韧性与疲劳寿命中的作用，研究人员研究了Ce添加量（0.0030、0.0160和0.0340 wt.%）对动态连续冷却相变（DCCT）、热轧组织及力学性能的影响。在固溶Ce低于检测限的0.0030 wt.% Ce钢中，DCCT行为仅
为阐明固溶Ce在提升高强车轮钢韧性与疲劳寿命中的作用，研究人员研究了Ce添加量（0.0030、0.0160和0.0340 wt.%）对动态连续冷却相变（DCCT）、热轧组织及力学性能的影响。在固溶Ce低于检测限的0.0030 wt.% Ce钢中，DCCT行为仅发生轻微变化。当总Ce含量为0.0160和0.0340 wt.%时，相应的固溶Ce含量分别约为0.0050和0.0072 wt.%，DCCT曲线向更低温度和更长时间方向移动，抑制了铁素体/珠光体相变，并将贝氏体相变区向更低冷速方向扩展。与此演变一致，这两种钢表现出比无Ce钢和0.0030 wt.% Ce钢更高的粒状贝氏体分数和更低的珠光体分数。相对于无Ce钢，0.0160 wt.% Ce钢的有效晶粒尺寸从7.61 μm降至4.96 μm，大角度晶界分数从53.22%增至69.84%，同时贝氏体铁素体板条和M/A组元得到细化。Ce添加使室温冲击吸收能量从85.8 J提高至108.6 J，同时保持良好的强塑性匹配。疲劳寿命随Ce含量呈非单调变化，在0.0160 wt.% Ce时改善最为显著，而在0.0340 wt.% Ce时未进一步提高。总体而言，这些发现确定固溶Ce是控制相变行为和基体细化的关键因素，同时表明更高的Ce添加量并不必然带来更大的疲劳寿命收益。
**研究背景与问题**
在碳中目标与汽车轻量化需求驱动下，车轮作为底盘系统关键承载与滚动部件，在制动、加速和转弯过程中承受复杂循环载荷，其结构完整性直接决定整车服役可靠性。为实现了减重，高强车轮钢的组织设计逐渐从传统铁素体-珠光体（F+P）组织向贝氏体（B）等更具韧性的组织类型转变。然而，强度提升往往伴随韧性下降和疲劳寿命波动，因此冲击韧性与疲劳抗力的协同提升仍是该领域的关键技术难题。
稀土（RE）元素被称为"钢的维生素"，在钢液净化、夹杂物改性和组织调控方面具有深远影响。已有研究表明，RE添加可将粗大硫化物夹杂改性为细小弥散的含RE夹杂物，降低裂纹萌生敏感性。Pan等综述指出RE元素通过深度净化和夹杂物改性协同改善多种结构钢的强韧性匹配。Oleksak等发现微量Ce添加可有效改变夹杂物类型、缓解局部应力集中并显著改善钢的低温冲击韧性。Zheng等在大轴重钢轨钢中证实Ce可将粗大链状或带状MnS夹杂物完全改性为细小弥散球形RE氧硫化物。除夹杂物改性外，RE对基体组织的影响同样重要：RE可影响奥氏体中碳和合金元素的扩散行为，改变相变动力学并移动连续冷却相变（CCT）曲线；还可通过改变形核动力学抑制奥氏体晶粒粗化。Liu等发现微量固溶RE原子可偏聚于晶界、增强过冷奥氏体稳定性，使贝氏体和珠光体相变向低温方向移动并延长孕育期。Xu等在高碳铬轴承钢中发现适量RE添加可有效抑制加热过程中晶粒长大，显著细化原始奥氏体晶粒和最终基体组织。Zhao等发现微量RE添加促进贝氏体形成并细化珠光体和马氏体等亚结构单元。Wang等和Li等对轴承钢的研究表明，固溶RE原子在晶界偏聚不仅有效细化原始奥氏体晶粒和贝氏体/马氏体板条，还显著优化碳化物和残余奥氏体的尺寸与分布，缓解局部应力集中并大幅改善冲击韧性和疲劳寿命。
在高强车轮钢体系中，现有研究主要关注RE诱导夹杂物改性带来的性能改善。讨论RE微合金化效应时，传统研究通常将总RE添加量作为主要宏观变量，进而推断其对组织和性能的影响。然而，已有证据表明仅基于总RE含量解释RE添加对相变行为和组织演变的影响存在局限性，固溶Ce含量的变化尤其值得系统研究。在研究人员前期工作中，采用无水电解分离法精确分离并定量表征了车轮钢中Ce的两种赋存状态，结果表明随总Ce含量从0.0030 wt.%增至0.0160和0.0340 wt.%，Ce的赋存状态逐渐从以RE氧化物和硫化物等化合物形式夹杂物为主演变为化合物形式夹杂物与固溶Ce共存。在较高Ce含量下还形成了Ce–S–As和Ce–S–As–P等复杂夹杂物。同时，球差校正高分辨透射电子显微镜（Cs-corrected HR-TEM）证实固溶Ce原子倾向于在纳米尺度偏聚于奥氏体晶界。这些发现表明Ce在高强车轮钢中的作用与其赋存状态演变密切相关，而非随总Ce添加量线性增加。然而，以固溶Ce含量梯度为中心变量的系统研究仍然缺乏，不同固溶Ce水平对连续冷却相变动力学、热轧组织演变和差异化疲劳寿命增强的影响尚不清楚，关于"固溶Ce介导基体优化"与"化合物形式Ce诱导夹杂物改性"联合作用下韧性和疲劳性能演变也缺乏系统阐释。
为此，本研究在前期工作建立的Ce赋存状态演变基础上，重点研究不同固溶Ce水平下的相变行为、组织演变和力学性能变化。具体而言，采用膨胀仪在10种冷速下考察实验钢的相变行为，结合组织观察和显微硬度测量构建动态连续冷却相变（DCCT）曲线；随后采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）表征热轧组织形貌、有效晶粒尺寸、晶界特征、贝氏体亚结构、第二相组元形貌和位错组态演变；进一步开展拉伸、冲击和疲劳试验评估宏观力学性能和疲劳抗力变化。本研究旨在建立"固溶Ce含量–连续冷却相变动力学–热轧组织演变–强韧化与疲劳行为"的关联链条，阐明固溶Ce在高强车轮钢相变和组织演变中的主导作用，并结合前期赋存状态分析探讨高Ce添加水平下复杂夹杂物对疲劳寿命进一步提升的潜在限制效应。
**关键技术方法**
研究人员在50 kg真空感应炉中冶炼了4种不同Ce含量的车轮钢（0Ce、30Ce、160Ce、340Ce），采用红外光谱分析C、Si、Mn、P、S、Al、Cr、Nb、Ca、As含量，LECO氧氮分析仪测定全氧和全氮含量，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定Ce含量。铸锭经1200 °C均质化2 h后锻成75 mm × 75 mm方坯，以1250 °C初始轧制温度和850 °C终轧温度热轧至约6 mm厚钢板，随后从475 °C炉冷模拟实际卷取冷却过程。DCCT测试采用B?HR DIL 805A/D淬火膨胀仪在Ar保护气氛下进行，圆柱试样尺寸为直径5 mm × 长10 mm，经1200 °C保温3 min完全奥氏体化后，于1050 °C进行第一道次变形（真应变0.40，应变速率5 s?1），再于900 °C进行第二道次变形（真应变0.20，应变速率10 s?1），随后以0.05至40 °C s?1的10种冷速连续冷却至室温。采用切线法从膨胀曲线确定Ac1、Ac3、Ms及各相变开始和结束温度。组织表征采用OM和配备能谱仪的SEM（Phenom ProX），选取0Ce和160Ce钢进行EBSD和TEM观察，TEM采用JEM-2100F透射电子显微镜，HR-TEM图像采用Gatan DigitalMicrograph?软件进行快速傅里叶变换（FFT）分析。拉伸和冲击试样平行于轧向加工，室温单轴拉伸获得工程应力-应变曲线，室温Charpy冲击试验按GB/T 229-2020采用55 mm × 10 mm × 5 mm亚尺寸V型缺口试样，疲劳试验在轴向拉-压载荷下进行，应力比R = ?1，加载频率20 Hz，运行寿命定义为2 × 10?循环。
**研究结果**
**固溶Ce对动态连续冷却相变行为的影响**：通过膨胀仪测试和DCCT曲线构建发现，Ce对DCCT行为的作用应基于其赋存状态而非总含量解释。30Ce钢固溶Ce低于检测限，其相变行为与0Ce钢基本一致；而160Ce和340Ce钢（固溶Ce约0.0050和0.0072 wt.%）的相变区明显向右下方移动，F/P相变区向低温长时间方向移动，贝氏体相变区向低冷速扩展，贝氏体相变孕育期延长，Ac1和Ac3略升高，Ms从0Ce钢的381.4 °C逐渐降至340Ce钢的362.4 °C。组织验证表明，在0.5 °C s?1低冷速下，0Ce和30Ce钢以F+P为主，而160Ce和340Ce钢出现贝氏体，形成F+P+B多相组织；在5 °C s?1下，0Ce和30Ce钢为F+B混合组织，160Ce钢基本为全贝氏体组织，340Ce钢获得B+M双相组织；在20 °C s?1下，0Ce和30Ce钢为B+M混合组织，而160Ce和340Ce钢以马氏体为主。显微硬度随冷速增加而升高，在1–10 °C s?1区间差异逐渐显著，5 °C s?1时160Ce钢显微硬度约208 HV，比0Ce钢的约185 HV高约12%。上述结果表明固溶Ce通过溶质拖曳效应和增加碳扩散能垒抑制扩散型相变、增强淬透性。
**固溶Ce对热轧组织演变的影响**：通过OM和SEM观察发现，所有实验钢均保持F+P+粒状贝氏体（GB）多相组织框架，但160Ce和340Ce钢的GB分数从0Ce钢的16.5%分别增至25.3%和26.8%，珠光体分数从4.8%分别降至1.4%和1.3%，且组织分布更均匀、局部粗大组织单元更少。通过EBSD分析发现，160Ce钢平均有效晶粒尺寸从0Ce钢的7.61 μm降至4.96 μm，小于5 μm细晶比例从44.96%增至61.67%，晶粒尺寸分布标准差从5.43 μm降至4.46 μm；大角度晶界（HAGB）分数从53.22%增至69.84%，低角度晶界（LAGB）分数从46.78%降至30.16%，且HAGB取向差分布更加多样。通过TEM观察发现，160Ce钢贝氏体铁素体（BF）板条更细小密集，M/A岛更小且以长条状或楔形为主；SAED证实160Ce钢M/A岛边缘存在残余奥氏体（RA），主要以薄膜状分布于M/A岛与BF基体界面。统计分析表明，160Ce钢中大于300 nm的M/A岛比例从0Ce钢的53.31%降至18.67%，小于300 nm的M/A岛占比达81.33%（0Ce钢为46.69%），M/A组元数密度从105个/1000 μm2增至216个/1000 μm2。上述结果表明固溶Ce通过溶质拖曳效应与细小Ce?O?S颗粒的Zener钉扎协同抑制高温奥氏体晶界迁移和晶粒粗化，实现多尺度组织优化。
**Ce在强韧化与疲劳行为中的作用**：通过拉伸、冲击和疲劳试验发现，实验钢抗拉强度保持在600–629 MPa范围，延伸率24.3%–28.4%，160Ce钢综合拉伸性能最优（抗拉强度629 MPa、屈服强度497 MPa、延伸率28.4%）。冲击韧性对Ce含量更为敏感，室温冲击吸收能量从0Ce钢的85.8 J持续增至30Ce钢的90.8 J、160Ce钢的99.4 J和340Ce钢的108.6 J。断口形貌显示随Ce含量增加韧窝数量增多、尺寸细化，解理特征逐渐减弱。然而疲劳寿命呈非单调变化，含Ce钢S–N曲线总体高于0Ce钢，160Ce钢上移最显著、疲劳寿命改善最大，30Ce和340Ce钢虽优于0Ce钢但未达160Ce钢水平。结合前期赋存状态分析，30Ce钢固溶Ce极低，主要贡献为化合物形式Ce的初步夹杂物改性；160Ce钢固溶Ce显著增加，相变调控与多尺度组织优化叠加夹杂物改性效应，实现最大疲劳寿命提升；340Ce钢固溶Ce继续增加、冲击韧性持续改善，但Ce–S–As和Ce–S–As–P等复杂复合夹杂物形成增加了夹杂物体系复杂性，可能加剧局部应力集中和循环界面损伤，部分抵消基体组织优化带来的疲劳收益。研究表明Ce对高强车轮钢性能的影响呈明显阶段依赖性特征，而非随添加量单调增加。
**讨论与结论**
讨论部分指出，Ce对DCCT行为的影响主要由固溶Ce含量控制：固溶Ce原子半径（1.82 ?）远大于Fe（1.27 ?），引起显著晶格畸变，加之晶界纳米尺度富集产生溶质拖曳效应，并增加碳在奥氏体中的扩散能垒、降低有效扩散速率，共同削弱F/P相变所需的长程扩散和界面迁移动力学。组织优化归因于固溶Ce晶界偏聚的溶质拖曳效应与细小Ce?O?S颗粒Zener钉扎的协同作用。疲劳寿命的非单调响应表明，冲击断裂与疲劳失效机制不同：冲击为单次动态断裂过程，吸收能量主要受基体塑性变形能力、裂纹偏转和整体能量耗散控制；而疲劳寿命对局部缺陷更敏感，裂纹萌生常由最有害夹杂物控制，过量Ce添加形成的复杂复合夹杂物可能加剧局部应力集中和循环界面损伤，从而部分抵消基体组织优化带来的疲劳收益。340Ce钢疲劳寿命未进一步提升并非基体组织优化失效，而是夹杂物复杂性增加限制了组织优化向疲劳寿命提升的进一步转化。
结论部分译为：1）Ce对DCCT行为的影响主要受固溶Ce含量控制。30Ce钢固溶Ce低于检测限，相变行为与0Ce钢接近；而含约0.0050和0.0072 wt.%固溶Ce的160Ce和340Ce钢DCCT曲线向更低温度和更长时间方向移动，表现为铁素体/珠光体相变抑制、贝氏体孕育期延长及贝氏体相变区向低冷速扩展。2）所有钢保持铁素体–珠光体–粒状贝氏体（F+P+GB）多相组织，160Ce和340Ce钢GB分数高于0Ce和30Ce钢而P分数更低。相对0Ce钢，160Ce钢有效晶粒尺寸从7.61 μm降至4.96 μm，HAGB分数从53.22%增至69.84%，BF板条和M/A组元细化，M/A–BF界面观察到薄膜状残余奥氏体。3）Ce添加保持良好强塑性匹配，室温冲击吸收能量从85.8 J提高至108.6 J。含Ce钢疲劳寿命总体长于0Ce钢，160Ce钢改善最大，340Ce钢未进一步提高，该非单调响应表明更高Ce添加量并不必然带来更大疲劳寿命收益。
