稀土元素電子結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有優(yōu)異的磁、光、電等物理和化學(xué)特性，在多種材料中發(fā)揮著重要的作用。自上世紀(jì)20年代稀土在鋼中加入以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量研究表明：微量稀土添加顯著提高了鋼的韌塑性、耐磨、耐熱、耐蝕性能等。然而，稀土鋼在工業(yè)應(yīng)用時(shí)遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴(yán)重堵塞的問(wèn)題；二是稀土在鋼中添加后，鋼的性能劇烈波動(dòng)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題。這兩大難題一直未能有效解決，導(dǎo)致稀土鋼的研究與應(yīng)用由熱變冷，逐步走入低谷。 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)鋼鐵材料研究部李殿中研究員團(tuán)隊(duì)受前期氧致偏析新機(jī)制的啟發(fā)（Inclusion flotation- driven channel segregation in solidifying steels, Nature Communications, 2014），通過(guò)長(zhǎng)達(dá)十余年的機(jī)理研究和工業(yè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動(dòng)、澆口堵塞問(wèn)題的根源在于氧含量。他們通過(guò)降低鋼液和稀土金屬中的氧含量，并與金屬所相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和表征揭示了稀土在鋼中的關(guān)鍵作用機(jī)制，控制夾雜物和稀土固溶，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定的低氧稀土鋼。相關(guān)研究結(jié)果于9月8日在線發(fā)表在Nature Materials上。  

　　研究發(fā)現(xiàn)，不僅僅是鋼液中的氧含量影響稀土鋼的性能，更為重要的是長(zhǎng)期被學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界忽視的稀土金屬中的氧含量，對(duì)稀土鋼的性能具有決定性的影響。因?yàn)橄⊥两饘贅O為活潑，在稀土金屬電解制備時(shí)容易形成大尺寸稀土氧化物，這些稀土氧化物隨稀土金屬或合金加入到鋼液中，帶入的大尺寸稀土夾雜物難以上浮去除，從而導(dǎo)致稀土鋼性能波動(dòng)并與耐火材料反應(yīng)堵塞澆口。 

　　基于上述發(fā)現(xiàn)，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了“雙低氧稀土鋼”技術(shù)，即鋼液低氧和稀土金屬低氧的控制技術(shù)，從而有效解決了稀土鋼工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸問(wèn)題。在高純凈度的GCr15軸承鋼中應(yīng)用后，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800MPa拉壓疲勞壽命提升了40倍，滾動(dòng)接觸疲勞壽命提升了40%，而添加現(xiàn)有的商業(yè)稀土金屬（稀土金屬中氧含量為270ppm）的對(duì)比樣品疲勞壽命出現(xiàn)明顯波動(dòng)，如圖1所示。 

圖1 稀土軸承鋼與不加稀土的軸承鋼、添加商業(yè)稀土的軸承鋼的拉壓疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞壽命對(duì)比

　　研究人員利用自主發(fā)明的夾雜物萃取三維表征技術(shù)，分析了稀土GCr15軸承鋼和進(jìn)口的某軸承鋼中的夾雜物形貌，發(fā)現(xiàn)在三維尺度上進(jìn)口軸承鋼中以氧化鋁和大尺寸硫化錳夾雜物為主（圖2a），而稀土軸承鋼中夾雜物主要是細(xì)小的球狀稀土氧硫化物（圖2b）。更為重要的是稀土氧硫化物的硬度僅為氧化鋁的1/5左右，略高于軸承鋼基體硬度，與脆硬的氧化鋁夾雜物相比，尺寸細(xì)小、與基體硬度匹配性良好的稀土氧硫化物在疲勞加載過(guò)程中可以發(fā)生塑性變形，引發(fā)夾雜物周?chē)鷳?yīng)力集中顯著減小，有效延緩了疲勞裂紋的萌生。 

圖2 某進(jìn)口軸承鋼(a)與雙低氧稀土軸承鋼(b)中的夾雜物對(duì)比

　　雙低氧稀土鋼不僅有效減少、細(xì)化、改變了鋼中夾雜物，解決了稀土鋼性能波動(dòng)、堵塞澆口的問(wèn)題，而且給稀土在鋼中的固溶提供了良好的基礎(chǔ)，為稀土發(fā)揮微合金化作用提供了可能。在以往數(shù)十年的研究中，人們通過(guò)對(duì)比一些鋼種添加稀土后的性能變化推測(cè)部分稀土可能以固溶形式存在于鋼中，發(fā)揮了微合金化的作用，但始終沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)且難以獲得穩(wěn)定的效果。研究人員通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼中存在鐵空位時(shí)，空位與稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓，促進(jìn)稀土固溶。計(jì)算同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與鋼中常見(jiàn)的合金元素相比，稀土更容易在晶界偏聚。研究人員使用球差校正電鏡觀察到了鋼中的固溶稀土團(tuán)簇，從而證實(shí)了鋼中存在一定數(shù)量的固溶稀土。 

　　第一性原理計(jì)算進(jìn)一步揭示了固溶的稀土元素顯著提高了鋼中碳的擴(kuò)散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳擴(kuò)散激活能的共同作用下，使用雙低氧技術(shù)在鋼中添加ppm量級(jí)的稀土，即可顯著降低鋼中擴(kuò)散型相變的相變開(kāi)始溫度。研究人員還進(jìn)一步設(shè)計(jì)了擴(kuò)散偶實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了稀土顯著降低鋼中碳的擴(kuò)散系數(shù)，展示出稀土強(qiáng)烈的微合金化能力，這為通過(guò)調(diào)控碳擴(kuò)散優(yōu)化鋼的顯微組織和力學(xué)性能提供了新的途徑。 

　　該研究揭示了稀土鋼性能波動(dòng)的根源在于氧，只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩(wěn)定發(fā)揮出深度凈化鋼液、細(xì)化改變夾雜物和強(qiáng)烈微合金化的作用。該研究工作表明，噸鋼只需添加百余克的鑭鈰輕稀土，在成本基本不增加、工藝流程基本不改變的條件下即可顯著提升鋼的性能，這對(duì)于發(fā)揮我國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì)，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質(zhì)具有重要意義。 

　　該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52031013, U1708252, 51725103）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、省市重大科技項(xiàng)目和多家鋼鐵企業(yè)的大力支持。