摘要
本论文通过文献调研总结了稀土元素在钢中应用研究的现状，以国内某厂生产的200系低镍不锈钢为研究对象，系统地研究了稀土铈对低镍不锈钢中非金属夹杂物和钢组织及性能的影响。 在实验室条件下研究了铈对低镍不锈钢中夹杂物的影响规律。随铈含量从0ppm增加至250ppm，钢中T.O含量从59ppm降低至6ppm，钢中T.S含量从20ppm降低至13ppm。随铈含量增加，钢中夹杂物的改性顺序为:Si-Mn-(Al)-O和MnS→Ce-Si-Mn-O-S→Ce(-Si)-O-S→CeS和CeC2，实验结果与热力学计算结果相吻合。在1523K加热条件下，不含铈不锈钢中铝会还原夹杂物中的MnO和SiO2，导致夹杂物中Al2O3含量逐渐升高;铈含量为33ppm时，钢中铈会还原夹杂物中的MnO和SiO2，导致夹杂物中Ce2O3含量明显升高;铈含量为54ppm时，钢中会析出Ce-O-S夹杂物;铈含量为150ppm和250ppm时，钢中会有CeC2夹杂物析出。轧制过程中，不含铈的钢中MnS和Si-Mn-O夹杂物变形程度较大，含铈钢中Ce-Si-Mn-O、Ce-O-S、CeS和CeC2夹杂物的变形程度较小。 通过实验室实验研究了铈对低镍不锈钢凝固组织及加热过程奥氏体晶粒长大过程的影响。凝固过程钢中固态的Ce4.67Si3O13、Ce2O2S和CeS夹杂物与δ-Fe之间的最佳错配度分别为5.3％、4.1％和1.5％，都可作为δ-Fe异相形核的核心，促进凝固前沿发生柱状晶向等轴晶转变。随铈含量从0ppm增加至54ppm，凝固过程钢中可诱导δ-Fe异相形核的有效夹杂物数密度从0#/mm2增加至29.1#/mm2，不锈钢铸锭横剖面和纵剖面的等轴晶率分别从48.2％和65.4％增加至71.6％和83.0％;铈含量继续增加至250ppm时，有效夹杂物数密度逐渐减小至20.6#/mm2，不锈钢铸锭横剖面和纵剖面的等轴晶率分别降低至60.3％和65.4％。在1323K和1423K加热条件下，不锈钢的奥氏体晶界迁移激活能与铈含量的关系分别为Q=2700.9-1659.7·expT.Ce/-51.2)和Q=2700.9-1659.7·exp(T.Ce/-176.7)，随铈含量从0ppm增加至250ppm，晶界迁移激活能增大，加热60min后晶粒尺寸分别从30.2μm和92.8μm减小至18.1μm和28.6μm;在1523K加热条件下，晶界迁移激活能与铈含量的关系为Q=0.1·T.Ce7.5·T.Ce-0.3+390.1，随铈含量从0ppm增加至250ppm，晶界迁移激活能先增大后减小，晶粒尺寸先减小后增大。 通过腐蚀失重实验、电化学实验、腐蚀过程钢中夹杂物原位观察和第一性原理计算分析了铈对低镍不锈钢抗腐蚀性能的影响。在本研究条件下，钢的腐蚀失重与钢中铈含量和腐蚀时间的关系为ΔM=(1.7×10-7×0.97T.Ce+4.7×10-10×T.Ce+5.6×10-7)·t。本研究条件下的最佳铈含量为54ppm，铈含量从0ppm增加至54ppm时，钢的洁净度显著提升，钢中MnS夹杂物数密度从21.3#/mm2降低至3.1#/mm2，其电荷迁移阻抗和点蚀电位分别从3.1×105Ω·cm2和71mVSCE增加至3.4×105Ω·cm2和204mVSCE，腐蚀失重速率从2.5g·m-2·h-1减小至1.9g·m-2·h-1，抗腐蚀性能显著提升;铈含量达到150ppm后，钢中生成大量CeC2夹杂物，随CeC2数密度从0#/mm2增加至73.5#/mm2时，钢的电荷迁移阻抗和点蚀电位降低至2.7×105Ω·cm2和134mVSCE，腐蚀失重速率增大至2.2g·m-2·h-1，钢的抗腐蚀性能有所降低。浸泡腐蚀过程中，夹杂物与钢基体之间发生电偶腐蚀，MnS、CeS和Ce-O-S夹杂物和钢基体接触时，夹杂物作为阳极首先溶解;Si-Mn-Al-O-S和Ce-Si-Mn-Al-O夹杂物和钢基体接触时，钢基体作为阳极首先溶解;Ce-C-O-S夹杂物中CeS夹杂物首先溶解，之后钢基体作为阳极优先溶解。第一性原理计算表明，含铈夹杂物的功函数大小顺序为:铈的氧化物＞铈的硫化物＞铈的氧硫化物，与实验结果基本吻合。不同种类夹杂物诱发点蚀扩展速率的大小顺序为:CeS＞Si-Mn-Al-O-S＞MnS＞Ce-C-O-S＞Ce-O-S＞Ce-Si-Mn-Al-O。 通过高温拉伸试验、室温冲击和拉伸试验研究了铈对低镍不锈钢力学性能的影响。低镍不锈钢高温塑性恶化的温度区间为1373K至1423K，钢中添加铈后可降低其在高温拉伸过程中开始发生动态再结晶温度，从而消除其高温塑性恶化区间。铈含量从0ppm增加至250ppm，钢中大角度晶界占比从26.3％增加至95.8％，钢的奥氏体晶粒尺寸从124.5μm减小至47.6μm，进而导致钢的冲击韧性从177.4J/cm2增加182.7J/cm2，抗拉强度从994.3MPa增加至1152.3MPa，提升了不锈钢的力学性能。
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