稀土微合金钢扩散及相变行为研究

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1、内蒙古科技大学硕士学位论文引言钢铁工业作为我国经济建设最重要的产业之一，并且钢铁生产量在全球居首位，但与国外相比，我国的钢铁种类和质量还和其他国家有一定的差距，一些生产部门仍需进口钢材。中国作为RE(稀土)资源最多的国家，发挥好这一点优势来督促中国在全世界钢铁业的发展。以此同时，提高我国钢铁产品的实用性能，开发一些新的钢铁品种，让丰富的稀土资源与我国钢铁业结合，具有重大意义。在镧系的所有稀土元素里，有效并实用的仅为La，利用好La元素，这将关系到稀土资源利用的关键课题。有关稀土La在金属中的作用，在很多方面已经进行了大量的实验及理论的研究，但大多数

2、是集中在对微合金元素的溶解、析出以及相关回复、再结晶、相变的影响，而从关于稀土元素在Fe基合金中的作用规律以及稀土元素的扩散的研究及相关的扩散系数等尚缺乏系统研究。本文将以稀土微合金钢及RE-Fe为研究对象，探索RE对微合金钢相变及组织的影响。采用密度泛函理论讨论稀土La元素在α-Fe中的存在形式，在此基础上研究稀土La在纯铁中的扩散行为。-1-内蒙古科技大学硕士学位论文1文献综述1.1稀土钢概述1.1.1稀土钢的发展稀土是芬兰的一位科学家JohanGado1in于1794年在实验中发现的，稀土主要包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd

3、、Tb、Dy、To、Er、Tm、Yb、Lu以及Y和Sc。加多林在石矿中无意找到矿物成分与土的形状相似的Y土，并且发现它存在的量很稀少，就把它叫作“稀有的土”，英文名为RareEarth，简称RE。随后，在矿石中不断的探索出了很多与Y同种类的元素，人们把他们统称为稀土。而在后续探索中知道，RE在地壳存在的丰富量远比设想的要多很多。例如，Ce要比Sn的量大很多，Y的存储量也比Pb多。这正好说明RE在自然界的存在及其量不比其他元素的少。但其实它们并不是“土”，而全部是金属元素[1,2]。RE不仅可以以游离态存在，也可以化合物的形态存在或和别的金属合成化合

4、物，目前已发现3000种以上的二元金属间化合物。另外，因RE原子最里层4f电子的数量由0向14依次充满，这样组合的特殊组态，导致RE在电学、光学以及磁学等性能有显著不同，衍生出用途各异的新材料。所以，RE被科学家称为新材料的“聚宝盆”，高新技能的“摇篮”。一直到今天，RE早就成为各领域学者不容忽视的元素之一。在日本，挑选出的26个高技术元素里就有16种RE涵盖在里面，但里面除了Pm，为总量的61.5%[3]。并且美国也公开了35种高技术元素，不算Pm，里面涵盖其他的16类RE，占发布的45.7%。Pm是在大自然中含量很少的放射性元素中的一种，它普遍

5、不在RE矿里存在，因此，在RE的研究及其应用生产方面不包含Pm[4]。RE的物理性质如表1.1所示。RE从化学性质来看都是金属元素，且原子半径都很大，很容易丢失最外面的6s电子和5d或4f电子，因此具有强烈的化学性质很活泼，只比碱金属及碱土金属的弱一些。伴着原子序数第加，RE稳定性依次上升。为避免RE同湿润的气体接近，发生化学反应，通常把RE存放在煤油里。此外RE容易在稀HCl、HNO、HSO中溶34解，不易在浓HSO中溶解，并且能够少量溶于HF×HO和H，尽管如此，RE并3PO424不与碱发生反应[5]。作为21世纪举足轻重的战略物质，RE被人们

6、给予产业中的“维生素”称号，同时，RE也是科学技术前端探索研发新材料和开展高新技术事业不可或缺的必要物质。-2-内蒙古科技大学硕士学位论文过去的八十多年时间，人们不断摸索RE在金属材料中的应用。最早是一战期间，德国科学家把RE完胜地加入于Mg合金和Al合金，之后，1920年于生铁中应用。American于50年代前叶开始大范围的把RE应用在企业生产，在70年代登上顶峰。近20多年，美国、日本、西欧等国把RE探索发展的重心转移到对用高新技术开发新材料。我国的RE总量占世界40%左右，产量十分丰富，已成为RE资源和开发量居首位的RE大国。RE以微合金化

7、、变质夹杂和净化钢液等良好效果在国防军工、高新技术事业等地方广泛应用。国防军工上则是抓住RE容易被氧化、燃烧的优点，来生产打火石及很多用来发火的合金。在钢材方面则是应用于大批高性能钢中，例如：RE-耐热钢、RE-重轨钢、RE-管线钢等都已大批投入工业，RE显著增强了钢的各种性能(耐蚀性等)，给予合金钢较良好的综合性能[6~8]。表1.1稀土的物理性质元素原子序数原子量密度/s.cm-3熔点/℃沸点/℃硬度/HBLa57138.916.166918346435-40Ce58140.126.773798343325-30Pr59140.916.4759

8、31352035-50Nd60144.247.0031021307435-45Pm611477.210423000-Sm6