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嘉峪檢測網 2025-04-02 16:17
低合金高強度鋼是國民經濟建設中最常用的鋼鐵結構材料，廣泛應用于建筑、交通、農業及能源動力等領域。腐蝕則是造成鋼鐵材料失效的主要因素，據不完全統計，鋼鐵材料腐蝕失效造成的經濟損失占國民生產總值的6%。低合金高強度鋼在實際使用過程中多數情況下會因直接與大氣接觸而發生腐蝕，如何提高其耐腐蝕性能一直以來備受關注。
稀土元素在鋼中可產生發揮凈化鋼液、改性夾雜物、細化晶粒及微合金化的作用，從而在沖擊性能、耐腐蝕性能、耐高溫性能及耐磨性能方面表現出優異的改善效果。稀土是我國的戰略資源，價格昂貴并產量受控，若能在不增加成本的前提下通過微量添加稀土元素來提高鋼鐵材料的力學性能及耐腐蝕性能，則可以促進鋼鐵材料的可持續發展。目前，有關稀土元素中相對原子質量低的鑭（La）元素的應用較少，有關鑭元素對低合金高強度鋼耐腐蝕性能影響方面的研究報道更少。基于此，作者將Q355B低合金高強鋼作為研究對象，通過對比添加稀土元素鑭前后組織和性能的變化，分析鑭元素對Q355B鋼組織和性能的影響，以期為稀土資源的有效利用提供重要理論與實際參考。
試樣制備與試驗方法
試驗材料選用某鋼廠生產的Q355B低合金高強度鋼以及鑭質量分數為20%的鑭鐵合金。采用25kg真空感應爐熔煉Q355B鋼，在熔煉過程中按照質量分數0.005%鑭的配比加入鑭鐵合金，然后澆注成25kg的鋼錠，對鋼錠進行壓下量為78%的軋制處理，最后獲得12mm厚的鋼板。采用相同工藝制備出未添加稀土元素鑭的試驗鋼，并將其作為對比試樣。2種試驗鋼的實測化學成分如表1所示，可見添加的稀土元素鑭的收得率為42%。
表1 添加和未添加鑭試驗鋼的化學成分
在試驗鋼上截取金相試樣，經打磨、拋光后，采用AXIO VRET.A1型光學顯微鏡觀察夾雜物形貌， 采用Zeiss Sigma 300型場發射掃描電鏡自帶的能譜儀（EDS）對夾雜物成分進行分析；打磨拋光后的金相試樣用質量分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察顯微組織。按照 GB/T 228.1— 2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，在試驗鋼上截取標距為100mm的拉伸試樣，采用WAW-600C型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為20mm·s-1。按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在試驗鋼上截取尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣，采用NI 750型沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗，沖擊速度為5m·s-1。采用Zeiss Sigma 300型場發射掃描電鏡（SEM）觀察沖擊斷口形貌。在試驗鋼上截取尺寸為40mm×60mm×5mm的腐蝕試樣，按照TB/T 2375—1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤試驗方法》，采用CHZJ1200型腐蝕試驗機進行72h周期浸潤腐蝕試驗，腐蝕液采用初始濃度為（1.0±0.05）×10-2 mol · L-1NaHSO3溶液，試驗溫度為室溫；采用精度為0.00001g的BS224S型電子天平稱取試驗前后試樣的質量， 計算腐蝕質量損失率，計算公式為
式中：W為腐蝕質量損失率，g·m-2 ·h-1；m0為試樣的原始質量，g；m1為試驗后試樣的質量，g；a為試樣的長度，mm；b為試樣的寬度，mm；c為試樣的厚度，mm；t為試驗時間，h。
利用線切割方法在腐蝕試驗后的試樣上截取表面積為10mm×10mm的腐蝕試樣，用樹脂鑲嵌，采用Zeiss Sigma 300型場發射掃描電鏡觀察試樣表面和截面的微觀形貌；在銹層中刮取適量銹粉末后，采用X pert PRO MPD型X射線衍射儀（XRD）進行物相分析，采用鈷靶，Kα射線，工作電壓為35kV，工作電流為50mA，掃描范圍為20°~90°，掃描速率為5(°)·min-1，采用Jade和Origin軟件處理數據。
試驗結果與討論
2.1 顯微組織
由圖1可以看出，2種試驗鋼的顯微組織均為鐵素體+珠光體。未添加鑭時試驗鋼的珠光體帶狀組織明顯，這是由鋼中元素偏析所致；添加鑭后鋼中珠光體帶狀組織明顯減少，與未添加鑭相比雖然未有晶粒明顯細化現象，但晶粒尺寸均勻性有所改善。可見，稀土元素鑭的加入可以降低Q355B鋼中元素偏析程度，減少帶狀組織，并提高晶粒尺寸的均勻性。
圖 1 未添加和添加鑭試驗鋼的顯微組織
由圖2可以看出，未添加鑭時鋼中存在棱角分明的串狀夾雜物，尺寸約為267μm，而添加鑭后鋼中存在球狀夾雜物，尺寸約為10μm。對夾雜物的成分進行EDS分析得到，未添加鑭時鋼中夾雜物的主要成分（質量分數/%）為32.8Al，52.5O，判斷為Al2O3夾雜物；該夾雜物會破壞鋼基體的連續性，從而降低鋼基體的沖擊性能。添加鑭后鋼中球狀夾雜物的成分（質量分數/%）為41.0O，11.3La，5.1S，推測該夾雜物為稀土復合硫氧化物。球狀夾雜物可降低對鋼基體的破壞程度，減少應力集中，改善沖擊性能。可知，稀土元素鑭可以起到凈化鋼液、改性夾雜物的作用，與前人研究結果一致。
圖 2 未添加和添加鑭試驗鋼的夾雜物形貌
2.2 力學性能
未添加和添加鑭的試驗鋼的屈服強度分別為383.5，381.2MPa，抗拉強度分別為518.7，517.5MPa，斷后伸長率分別為32.3%，33.0%。可知，稀土元素鑭對試驗鋼拉伸性能的影響不大，這與稀土元素鑭對晶粒晶化作用不明顯的現象相吻合。未添加和添加鑭的試驗鋼的沖擊吸收能量分別為254.7，268.0J，可見，稀土元素鑭的添加可以提高Q355B鋼的沖擊性能。由圖3可以看出：未添加鑭時試驗鋼的沖擊斷口為準解理和韌窩混合斷口，韌窩明顯被拉長；添加鑭后沖擊斷口呈典型韌窩狀，韌窩大小均勻、深淺不一，部分韌窩被拉長，相比未添加鑭時韌窩明顯細化。稀土元素鑭的添加減輕了帶狀組織的元素偏析程度，并將尖銳的夾雜物改性為球狀夾雜物，從而降低了夾雜物與鋼基體間的應力，減小了夾雜物對鋼基體連續性的破壞，提高了Q355B鋼的沖擊性能。
圖 3 未添加和添加鑭試驗鋼的沖擊斷口形貌
2.3 耐腐蝕性能
未添加和添加鑭時試驗鋼的腐蝕質量損失率分別為2.54，2.40g · m-2 · h-1。由圖4可以看出：除銹前2種試驗鋼銹層形貌存在較大區別，未添加鑭時試驗鋼表面銹層分布均勻，銹層較厚，而添加鑭后試驗鋼表面銹層分布不均勻，邊緣區域腐蝕程度較重，銹層較厚，中心區域腐蝕程度輕微，銹層稀薄；除銹后未添加鑭時試驗鋼表面銹蝕痕跡明顯，而添加鑭后試驗鋼表面銹蝕痕跡輕微。由腐蝕質量損失率和宏觀腐蝕形貌可知，添加鑭后試驗鋼的耐腐蝕性能優于未添加鑭時試驗鋼。
圖 4 除銹前后未添加和添加鑭試驗鋼腐蝕表面的宏觀形貌
由圖5可以看出：未添加鑭時試驗鋼表面腐蝕產物顆粒較大且松散，與基體的結合力差，容易脫落；添加鑭后試驗鋼表面腐蝕產物顆粒細小且致密，與基體的結合力強，不容易脫落。未添加鑭時試驗鋼的腐蝕產物層較厚，且腐蝕產物層中發現明顯的裂紋，表明腐蝕產物層與基體結合差，易脫落；與基體結合處的腐蝕產物呈不規則形狀，尖角處應力集中嚴重，使得腐蝕產物更容易向基體中滲透。添加鑭后試驗鋼的腐蝕產物層較薄，腐蝕產物層中僅存在少量微小裂紋；與基體結合處的大部分腐蝕產物呈圓弧狀，與基體間的應力小，腐蝕產物向基體滲透傾向性小。
圖 5 不同試驗鋼腐蝕后表面和截面微觀形貌
由圖6可知，2種試驗鋼腐蝕產物的物相組成相同，均由Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH組成，但添加鑭后各相衍射峰強度更高，說明含量更高。可知，稀土元素鑭可以促進腐蝕產物Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH的生成，增強其對基體的保護作用。
圖6 不同試驗鋼腐蝕產物的XRD譜
由圖7可以看出：未添加鑭時試驗鋼表面的腐蝕產物粘結成塊狀且較厚重，與鋼基體結合不緊密，部分發生脫落，失去腐蝕產物保護的鋼基體腐蝕嚴重；添加鑭后試驗鋼的腐蝕產物較為輕薄，與鋼基體的結合較為緊密，未發生脫落，保證了對鋼基體的保護作用。稀土元素鑭可以提高Q355B鋼的耐腐蝕性能，可以從以下兩個方面解釋：一方面，加入稀土元素鑭能夠將試驗鋼中帶尖銳棱角的夾雜物改性為球狀夾雜物，降低了夾雜物與基體之間的應力集中程度，減少了腐蝕起源點，從而緩解了鋼基體的腐蝕趨勢，同時加入稀土元素鑭后夾雜物的尺寸減小，電化學腐蝕趨勢減緩：另一方面，加入稀土元素鑭后，具有保護作用的腐蝕產物層更加致密，對基體的保護作用更強。
圖 7 未添加和添加鑭試驗鋼腐蝕產物的微觀形貌
3.結 論
（1）未添加和添加稀土元素鑭的Q355B鋼的組織均為鐵素體+珠光體，而鑭的加入降低了組織的元素偏析程度，減少了帶狀組織，并提高了晶粒尺寸的均勻性；未添加鑭的Q355B鋼中存在棱角分明的串狀Al2O3夾雜物，尺寸約為267μm，而添加鑭后夾雜物變為球狀稀土復合硫氧化物，尺寸約為10μm。
（2）添加鑭對Q355B鋼拉伸性能的影響不大，但可以提高其沖擊性能，與未添加鑭的Q355B鋼相比，添加鑭后的沖擊吸收能量提高了5.2%，且沖擊斷口呈典型的韌窩形貌。
（3）與未添加鑭相比，在NaHSO3溶液中腐蝕72h后添加鑭的試驗鋼的腐蝕質量損失率降低了5.5%；2種試驗鋼的表面腐蝕產物均由Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH組成，而添加鑭后腐蝕產物層更加致密，與鋼基體的結合更緊密，耐腐蝕性能更好。
作者：
魏慧慧1, 2，黃 利2，袁曉鳴2，高雪云1，王海燕1
工作單位：
1. 內蒙古科技大學材料與冶金學院
2. 內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心
來源：《機械工程材料》2025年3期
來源：機械工程材料
