一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法

本发明涉及稀土原子富集区域的表征领域，具体为一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法。

背景技术：

1、稀土元素电子结构独特，具有优异的磁、光、电等物理和化学特性，在多种材料中发挥着重要的作用。自上世纪20年代稀土在钢中加入以来，国内外大量研究表明：微量稀土添加显著提高了钢的韧塑性、耐磨、耐热、耐蚀性能等。在钢中添加稀土元素可在脱氧和脱硫过程中有效净化钢液。夹杂物的尺寸和形态会发生显著变化，高熔点的稀土氧化物、硫化物和氧硫化物易于在钢中形成，并作为初始凝固组织的有效异质形核核心，导致等轴晶区扩大，可细化微观结构和共晶碳化物，提升均质性。除变质夹杂物外，稀土元素的微合金化效应也得到了大量研究证实。理论分析表明，稀土原子倾向于与空位浓度较高的区域结合。

2、以ce原子为例，半径为0.182nm的ce原子在奥氏体中的溶解度小，这使其成为凝固过程的强过冷元素。由于其平衡常数远小于1，大量ce原子可能会富集到枝晶前沿，导致成分过冷。然而，要在微观尺度上了解固溶稀土在钢中的作用机理，需准确找到稀土原子在多个尺度的偏析证据。由于原子尺寸较大，稀土原子在基体中会产生晶格错配应变，当稀土原子扩散至界面时，错配应变会松弛。尽管稀土原子具有强偏析潜力，但不同合金中溶解度的差异可能会限制稀土原子的最大界面浓度。在微观尺度上，透射电子显微镜可用于在镁合金中检测稀土原子。

3、学者们已利用高角度环形暗场成像(haadf)和能量色散光谱法等多种方法研究了钢中稀土原子的偏析和聚集。然而，由于钢中稀土原子的固溶度远低于镁合金，因此电镜方法在钢中无法提供可靠结果，且尚未有关于钢中稀土原子规模化分布表征的文献报道，稀土原子富集区域的表征难题也限制了我们对微合金化的理解和卓越性能稀土钢的设计。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，使通过精准调控稀土元素分布制备高性能稀土钢成为了可能。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，包括原位加热、化学分析及结构表征，具体步骤如下：

4、步骤1)原位加热：选取铸态添加稀土的m50轴承钢为研究对象，利用高温激光共聚焦显微镜clsm，通过加热和调控clsm真空度，熔化m50轴承钢枝晶区域共晶碳化物，基体未熔化，实现枝晶界面固溶元素的原位氧化，形成新析出相；

5、步骤2)化学分析及结构表征：通过电子探针epma对新析出相成分进行分析，并利用高分辨透射电镜hrtem对析出相结构进行表征；通过分析稀土氧化物的位置，揭示固溶稀土在钢中的富集与偏析规律。

6、进一步地，m50轴承钢的成分及所占质量百分比如下：c0.80％～0.85％、cr4.00％～4.25％、mo4.00％～4.50％、v 0.90％～1.10％、mn0.15％～0.35％、si 0.15％～0.25％、稀土元素ce0.01～0.03％、p≤0.01％、s≤0.01％，余量为fe。

7、进一步地，步骤1)中，clsm加热温度到1260±20℃，加热速度为2～4℃/s。

8、进一步地，步骤1)中，clsm真空度控制低于10pa。

9、进一步地，步骤1)中，对比材料选择未添加稀土的m50轴承钢。

10、进一步地，步骤2)中，epma测量的化学元素种类包含ce、mo、v。

11、进一步地，步骤2)中，用于hrtem分析的试样利用聚焦离子束技术fib原位提取。

12、本发明的设计思想是：

13、稀土原子半径大，更易于与晶内的空位结合，或与空位浓度较高的区域结合，而不是取代正常晶格。枝晶结构形成于钢的最后凝固区域，由于存在大量空位，因此可能是固溶稀土原子的理想富集区域。超高强钢m50易偏析合金元素种类多、含量高，凝固过程合金元素易富集于固液界面前沿和枝晶界面形成低熔点区，这是原位氧化实验方案的必要条件。通过调控枝晶与基体的非同步熔化，原位氧化枝晶界面固溶原子，实现固溶原子分布行为的原位表征，思想独特，对于稀土钢的研发和应用具备重要意义。

14、与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

15、1、尽管稀土原子具有强偏析潜力，但不同合金中溶解度的差异可能会限制稀土原子的最大界面浓度。在微观尺度上，透射电子显微镜可用于在镁合金中检测稀土原子。学者们已利用haadf成像和能量色散光谱法等多种方法研究了钢中稀土原子的偏析和聚集。然而，由于钢中稀土原子的固溶度远低于镁合金，因此电镜方法在钢中无法提供可靠结果，且尚未有关于钢中稀土原子规模化分布表征的文献报道。

16、2、本发明创新的提出通过高温激光共聚焦cslm原位实验观察钢中固溶稀土原子的分布，提供了一种表征稀土原子富集的直接证据，并阐明了稀土原子的偏析和聚集规律。

技术特征：

1.一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，包括原位加热、化学分析及结构表征，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，m50轴承钢的成分及所占质量百分比如下：c0.80％～0.85％、cr 4.00％～4.25％、mo4.00％～4.50％、v 0.90％～1.10％、mn 0.15％～0.35％、si 0.15％～0.25％、稀土元素ce 0.01～0.03％、p≤0.01％、s≤0.01％，余量为fe。

3.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，步骤1)中，clsm加热温度到1260±20℃，加热速度为2～4℃/s。

4.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，步骤1)中，clsm真空度控制低于10pa。

5.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，步骤1)中，对比材料选择未添加稀土的m50轴承钢。

6.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，步骤2)中，epma测量的化学元素种类包含ce、mo、v。

7.根据权利要求1所述的一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法，其特征在于，步骤2)中，用于hrtem分析的试样利用聚焦离子束技术fib原位提取。

技术总结
本发明涉及稀土原子富集区域的表征领域，具体为一种钢中固溶稀土原子富集行为的定性表征方法。利用高温激光共聚焦显微镜CLSM，通过加热和调控真空度，熔化稀土钢(M50轴承钢)枝晶区域共晶碳化物，同时确保基体不熔化，实现枝晶界面固溶元素的原位氧化，形成新析出相。通过电子探针EPMA对新析出相成分进行分析，并利用高分辨透射电镜HRTEM对析出相结构进行表征。本发明通过分析稀土氧化物的位置，首次揭示了固溶稀土在钢中的富集与偏析规律，使通过精准调控稀土元素分布制备高性能稀土钢成为了可能。

技术研发人员：刘航航,傅排先,孙宸,刘宏伟,曹艳飞,郭乾威,杜依诺,宋开颜,唐大伟,李殿中
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11