《工程科学学报》：外加 Y2Ti2O7 纳米粒子对 CLAM 钢夹杂物的影响（东北大学冶金学院）

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 外加Y2Ti,0,纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 王佳喜王东伟邱国兴蔡南战东平姜周华 Effect of YTiO nanoparticles on inclusions in CLAM steel WANG Jia-xi.WANG Dong-wei.QIU Guo-xing.CAI Nan,ZHAN Dong-ping.JIANG Zhou-hua 引用本文： 王佳喜，王东伟，邱国兴，蔡南，战东平，姜周华.外加Y2Ti,07纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响.工程科学学报，2020， 42S:21-26.doi:10.13374issn2095-9389.2020.04.15.s07 WANG Jia-xi,WANG Dong-wei,QIU Guo-xing,CAI Nan,ZHAN Dong-ping,JIANG Zhou-hua.Effect of Y2TiO nanoparticles on inclusions in CLAM steel[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):21-26.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 在线阅读View online::https::/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高应变率下红砂岩“冻伤效应” "Frostbite effect"of red sandstone under high strain rates 工程科学学报.2019,41(10)：1249 https:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.14.002 超低碳钢精炼过程中Fe--Ti-0类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报.2019,41(6)：757 https::/doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.06.007 稀土-镁复合处理对GCl5轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763htps:/loi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.008 V,O,MⅨene纳米复合材料制备及储能性能 Preparation and energy storage properties of V,O/MXene nanocomposites 工程科学学报.2020,42(8：1018 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.07.002 Mg0含量对Ca0-Al203-Mg0-Fe,0-Si02-K20系熔体性质的影响 Influence of Mgo content on the thermo-physical properties of Ca0-Al2O3-MgO-Fe O-SiO2-K20slags 工程科学学报.2017,392：215htps:/doi.org10.13374 j.issn22095-9389.2017.02.008 Ca0-Ti02-fe203三元系中Ca,TFe20g的生成机理 Formation mechanism of Ca TiFe,Og in a CaO-TiO-Fe2O system 工程科学学报.2017,39(11：1669htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.11.009

外加Y2 Ti2 O7纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 王佳喜 王东伟 邱国兴 蔡南 战东平 姜周华 Effect of Y2 Ti2 O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel WANG Jia-xi, WANG Dong-wei, QIU Guo-xing, CAI Nan, ZHAN Dong-ping, JIANG Zhou-hua 引用本文: 王佳喜, 王东伟, 邱国兴, 蔡南, 战东平, 姜周华. 外加Y2 Ti2 O7纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 21-26. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 WANG Jia-xi, WANG Dong-wei, QIU Guo-xing, CAI Nan, ZHAN Dong-ping, JIANG Zhou-hua. Effect of Y2 Ti2 O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 21-26. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高应变率下红砂岩“冻伤效应” “Frostbite effect” of red sandstone under high strain rates 工程科学学报. 2019, 41(10): 1249 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.14.002 超低碳钢精炼过程中Fe-Al-Ti-O类复合氧化物夹杂的演变与控制 Revolution and control of Fe-Al-Ti-O complex oxide inclusions in ultralow-carbon steel during refining process 工程科学学报. 2019, 41(6): 757 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.007 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008 V2 O5 /MXene纳米复合材料制备及储能性能 Preparation and energy storage properties of V2 O5 /MXene nanocomposites 工程科学学报. 2020, 42(8): 1018 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.07.002 MgO含量对CaO-Al2 O3 -MgO-Fe x O-SiO2 -K2 O系熔体性质的影响 Influence of MgO content on the thermo-physical properties of CaO-Al2 O3 -MgO-Fe x O-SiO2 -K2 O slags 工程科学学报. 2017, 39(2): 215 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.008 CaO-TiO2 -Fe2 O3三元系中Ca3 TiFe2 O8的生成机理 Formation mechanism of Ca3 TiFe2 O8 in a CaO-TiO2 -Fe2 O3 system 工程科学学报. 2017, 39(11): 1669 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.009

工程科学学报.第42卷，增刊1：21-26.2020年12月 Chinese Journal of Engineering.Vol.42,Suppl.1:2126,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07;http://cje.ustb.edu.cn 外加Y2Ti2O2纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 王佳喜，王东伟，邱国兴，蔡南，战东平区，姜周华 东北大学治金学院.沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:zhandp1906@163.com 摘要在真空感应炉中加人Y,Ti2O,纳米粒子制备CLAM钢，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析仪(EDS)、 X射线衍射仪(XRD)和万能试验机，探究Y2Ti,O,纳米粒子对CLAM钢中夹杂物的影响，分析CLAM钢的力学性能.结果表 明，Y2TizO+Fe纳米粒子成功加人CLAM钢，添加粒子后的CLAM钢中的夹杂物尺寸为0.5~1.5m,其形貌近似球形，成分 为Y-Ti-O-Mn-C-Ta-W-V-Cr-Fe,属于包裹状复合夹杂物，主要是因为Ta、V是强碳化物形成元素以及部分Y2Ti,O,粒子 可能发生了团聚.当Y2T20,粒子添加量（质量分数）为0.5%时，外加的Y2Ti20,粒子使得钢中夹杂物改性变质为稀土氧化 物的复合夹杂类型，钢的强度为1356MP,伸长率和断面收缩率分别为13.44%和63.15%.在部分拉伸断口韧窝中还可以观 察到第二相粒子，其尺寸为≤1m,呈球状，其成分较为复杂，主要为Y-Ti-O-C-Ta-W相. 关键词Y2T2O,纳米粒子：中国低活化马氏体钢：夹杂物变化：弥散强化：断口形貌 分类号TF748.52 Effect of Y2Ti2O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel WANG Jia-xi,WANG Dong-wei,QIU Guo-xing,CAI Nan,ZHAN Dong-ping,JIANG Zhou-hua School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:zhandp1906@163.com ABSTRACT As the preferred material for the first wall of fusion reactors,China's low-activation martensitic (CLAM)steel has several advantages;however,its high-temperature (>550 C)strength is not enough,and the helium produced by fusion can easily form a thick helium bubble and gather at the boundary,which leads to helium embrittlement;thus,the low-activation ferrite/martensite steel cannot effectively function in the fusion reactor working environment.Previous studies have shown that adding nano-sized oxide strengthening phase into CLAM steel can significantly improve the high-temperature strength and irradiation resistance of the steel,and Y2O3,Al2O3,or ThO2 are commonly used as strengthening phases.Moreover,it has been found that adding Ti will result in a better strengthening effect.In this study,CLAM steel with the addition of Y2TiO nanoparticles was fabricated using a vacuum induction furnace.Afterward,the effect of Y2TiO nanoparticles on inclusions in CLAM steel was investigated via scanning electron microscopy (SEM),energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS),X-ray diffraction (XRD),and a universal testing machine experiment,then,the mechanical properties of CLAM steel were analyzed.The results show that Y2Ti2O+Fe nanoparticles are successfully added to CLAM steel.The inclusion size of CLAM steel is 0.5-1.5 um.The inclusion morphology is near-spherical,and the inclusion composition is Y-Ti-O-Mn-C-Ta-W-V-Cr-Fe;thus,the inclusion is characterized as a compound inclusion,mainly because Ta and V are strong carbide-forming elements and some Y2Ti2O particles may agglomerate.When the Y2Ti2O content is 0.5%,the inclusions in the steel modify into composite inclusions of rare-earth oxides,and the steel strength is 1356 MPa,while the elongation and section shrinkage are 13.44%and 63.15%,respectively.Moreover,second-phase particles also exist in the fracture dimples.The particles are spherical,less than 1 um and have a complex composition,mainly Y-Ti-O-C-Ta-W phase. 收稿日期：2020-04-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574081,51874063)

外加 Y2Ti2O7 纳米粒子对 CLAM 钢夹杂物的影响 王佳喜，王东伟，邱国兴，蔡    南，战东平苣，姜周华 东北大学冶金学院，沈阳 110819 苣通信作者，E-mail: zhandp1906@163.com 摘    要    在真空感应炉中加入 Y2Ti2O7 纳米粒子制备 CLAM 钢，通过扫描电子显微镜 (SEM)、X 射线能谱分析仪（EDS）、 X 射线衍射仪（XRD）和万能试验机，探究 Y2Ti2O7 纳米粒子对 CLAM 钢中夹杂物的影响，分析 CLAM 钢的力学性能. 结果表 明，Y2Ti2O7+Fe 纳米粒子成功加入 CLAM 钢，添加粒子后的 CLAM 钢中的夹杂物尺寸为 0.5～1.5 μm，其形貌近似球形，成分 为 Y–Ti–O–Mn–C–Ta–W–V–Cr–Fe，属于包裹状复合夹杂物，主要是因为 Ta、V 是强碳化物形成元素以及部分 Y2Ti2O7 粒子 可能发生了团聚. 当 Y2Ti2O7 粒子添加量 (质量分数) 为 0.5% 时，外加的 Y2Ti2O7 粒子使得钢中夹杂物改性变质为稀土氧化 物的复合夹杂类型，钢的强度为 1356 MPa，伸长率和断面收缩率分别为 13.44% 和 63.15%. 在部分拉伸断口韧窝中还可以观 察到第二相粒子，其尺寸为≤1 μm，呈球状，其成分较为复杂，主要为 Y–Ti–O–C–Ta–W 相. 关键词    Y2Ti2O7 纳米粒子；中国低活化马氏体钢；夹杂物变化；弥散强化；断口形貌 分类号    TF748.52 Effect of Y2Ti2O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel WANG Jia-xi，WANG Dong-wei，QIU Guo-xing，CAI Nan，ZHAN Dong-ping苣 ，JIANG Zhou-hua School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhandp1906@163.com ABSTRACT    As  the  preferred  material  for  the  first  wall  of  fusion  reactors,  China ’s  low-activation  martensitic  (CLAM)  steel  has several advantages; however, its high-temperature (>550 ℃) strength is not enough, and the helium produced by fusion can easily form a thick helium bubble and gather at the boundary, which leads to helium embrittlement; thus, the low-activation ferrite/martensite steel cannot  effectively  function  in  the  fusion  reactor  working  environment.  Previous  studies  have  shown  that  adding  nano-sized  oxide strengthening phase into CLAM steel can significantly improve the high-temperature strength and irradiation resistance of the steel, and Y2O3 , Al2O3 , or ThO2 are commonly used as strengthening phases. Moreover, it has been found that adding Ti will result in a better strengthening effect. In this study, CLAM steel with the addition of Y2Ti2O7 nanoparticles was fabricated using a vacuum induction furnace. Afterward, the effect of Y2Ti2O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel was investigated via scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and a universal testing machine experiment; then, the mechanical properties of CLAM steel were analyzed. The results show that Y2Ti2O7+Fe nanoparticles are successfully added to CLAM steel. The inclusion size of CLAM steel is 0.5−1.5 μm. The inclusion morphology is near-spherical, and the inclusion composition is Y–Ti–O–Mn–C–Ta–W–V–Cr–Fe; thus, the inclusion is characterized as a compound inclusion, mainly because Ta and V are strong carbide-forming elements and some Y2Ti2O7 particles may agglomerate. When the Y2Ti2O7 content is 0.5%, the inclusions in the steel modify into composite inclusions of rare-earth oxides, and the steel strength is 1356 MPa, while the elongation and section shrinkage are 13.44% and 63.15%, respectively. Moreover, second-phase particles also exist in the fracture dimples. The particles are spherical, less than 1 μm and have a complex composition, mainly Y–Ti–O–C–Ta–W phase. 收稿日期: 2020−04−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 51574081， 51874063) 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：21−26，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 21−26, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07; http://cje.ustb.edu.cn

22 工程科学学报.第42卷，增刊1 KEY WORDS Y2Ti2O nanoparticles;China's low-activation martensitic;inclusion change;dispersion strengthening:fracture morphology 低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)是聚变堆第 验：冲击试验采用夏比V型缺口试样，尺寸为55mm× 壁的候选材料-)，我国在RAFM钢方面的研究 10mm×10mm,在JBW-500型冲击试验机进行冲 获得巨大进展，制备了具有自主知识产权的中国 击实验.使用ZEISS ULTRA PLUS场发射扫描电 低活化马氏体钢(CLAM).尽管低活化铁素体/马 镜观察断口形貌.采用HRS-150D型多功能数显 氏体钢存在诸多优点，但是其高温(>550℃)强度 洛氏硬度计测量轧制态试样的硬度 不足，而且聚变产生的氨容易形成粗大的氦泡聚 2结果分析与讨论 于晶界处，从而导致氦脆，使得低活化铁素体/马氏 体钢难以服役在聚变堆工作环境下.研究者证明 2.1夹杂物分析 将纳米尺寸的氧化物强化相添加到RAFM钢中可 图1为1#、2#和3#钢中典型夹杂物的形貌及 以明显提高钢的高温强度和抗辐照性能，可在 成分.从图中可以看出来，未添加Y2TO,粒子的 700℃下使用B,普遍采用Y203、Al203和ThO2 1#钢中夹杂物的尺寸为0.5um左右，呈单一球状， 作为强化相阿随着研究的逐渐深入，研究者 其主要成分是O、Mn、Ta、Cr,这是由于冶炼过程 发现向钢中加人T会起到更好的强化效果.因此 中合金化产生的夹杂物，也说明在真空冶炼过程中， 本文以CLAM钢为研究对象，探究Y2Ti2O,纳米粒 合金元素收得率高于普通冶炼方式的收得率添 子对CLAM钢中夹杂物的影响规律，以及对CLAM 加Y2Ti2O,的2#和3#钢中发现了含有Y、Ti元素 钢的力学性能的改善 成分较为复杂的夹杂物，其形貌近似球形，尺寸为 0.5~l.5um,成分为Y-Ti-O-Mn-C-Ta-W-V-Cr-Fe, 1 实验材料及方法 几乎包含了所有的合金成分和外加的Y2TO2粒 采用30kg真空感应炉冶炼实验用钢，实验原 子成分，这也说明Y2T,O2粒子成功加入到了钢 料为纯铁、Cr、W、Ta、高碳铬铁、Mn和V合金， 中.添加0.3%Y2T20,粒子的2#钢中的夹杂物尺 添加的弥散强化相为Y2TiO,+Fe纳米粒子 寸与未添加Y2Ti2O,粒子的1#钢的夹杂物尺寸相 冶炼步骤为：在氩气保护气氛下，熔化纯铁， 近，通过X射线能谱分析仪检测夹杂物成分可知， 并依次加入Cr、W、Ta、高碳铬铁、Mn和V,温度 该夹杂物为包裹状复合夹杂物0川，基体为 为1580℃.待所有合金熔化后，加入不同质量分 Y-Ta-W-Cr-Mn-C-O相，外部为Mn-Ta-W-Cr-C 数的Y2Ti2O+Fe颗粒，保温5min后进行浇铸.将 相.这是因为Ta、V是强碳化物形成元素，且其相 铸锭经1150℃保温1h后锻造成坯料，再热轧成 应的碳化物熔点很高，在凝固过程中，它们将以 12mm厚板材，始轧温度为1200℃，终轧温度为 外加的Y2TO,粒子为核心形成碳化物并附着在 950℃，轧后空冷，分别得到1#、2#和3#实验钢，其 Y2Ti2O,粒子表面，因此导致这种复杂成分的存 化学成分见表1. 在.添加0.5%Y2Ti202粒子的钢中夹杂物尺寸约 1.5um,明显大于外加的Y2Ti,0,粒子尺寸，其原 表1实验钢的化学成分（质量分数） 因除了碳化物在其表面生成导致其尺寸偏大外， Table 1 Chemical composition of the test steel % 部分Y2Ti20,粒子可能发生了团聚)，使得Y2Ti07 Steel No.C Si Cr Mn W Ta V Y2Ti2O7 粒子在钢中成团聚形式存在 1# 0.10.0590.451.50.150.2 图2为3#钢夹杂物的面扫图.从图可知，通过 2# 0.10.0590.451.50.150.2 0.3 添加Y2T2O,粒子，夹杂物改性变质为稀土氧化物 3# 0.10.0590.451.50.150.2 0.5 的复合夹杂类型，从图2(d)可以看出，在该复合夹 杂物的黑色区域有Y的富集，从图2(e)、(g)和(i) 采用ZEISS ULTRA PLUS场发射扫描电镜 可以看出，夹杂物中Ta、Mn、V的富集也十分明 (SEM)及其自带的X-Max50型电制冷能谱仪研究 显，这也与Ta、V是强碳化物形成元素有关 了夹杂物的形貌和成分.采用F5M10棒状拉伸试 2.2力学性能分析 样，标距段尺寸为直径5mm,长25mm,拉伸速率 2.2.1拉伸性能 为2 mm-min',在w20型万能试验机进行拉伸实 在不同Y2TiO,添加量下CLAM钢的抗拉强

KEY  WORDS    Y2Ti2O7 nanoparticles； China ’s  low-activation  martensitic； inclusion  change； dispersion  strengthening； fracture morphology 低活化铁素体/马氏体钢（RAFM）是聚变堆第 一壁的候选材料[1−2] ，我国在 RAFM 钢方面的研究 获得巨大进展，制备了具有自主知识产权的中国 低活化马氏体钢（CLAM）. 尽管低活化铁素体/马 氏体钢存在诸多优点，但是其高温（>550 ℃）强度 不足，而且聚变产生的氦容易形成粗大的氦泡聚 于晶界处，从而导致氦脆，使得低活化铁素体/马氏 体钢难以服役在聚变堆工作环境下. 研究者证明 将纳米尺寸的氧化物强化相添加到 RAFM 钢中可 以明显提高钢的高温强度和抗辐照性能，可在 700 ℃ 下使用[3−5] ，普遍采用 Y2O3、Al2O3 和 ThO2 作为强化相[6] . 随着研究的逐渐深入，研究者[7−8] 发现向钢中加入 Ti 会起到更好的强化效果. 因此 本文以 CLAM 钢为研究对象，探究 Y2Ti2O7 纳米粒 子对 CLAM 钢中夹杂物的影响规律，以及对 CLAM 钢的力学性能的改善. 1    实验材料及方法 采用 30 kg 真空感应炉冶炼实验用钢，实验原 料为纯铁、Cr、W、Ta、高碳铬铁、Mn 和 V 合金， 添加的弥散强化相为 Y2Ti2O7+Fe 纳米粒子. 冶炼步骤为：在氩气保护气氛下，熔化纯铁， 并依次加入 Cr、W、Ta、高碳铬铁、Mn 和 V，温度 为 1580 ℃. 待所有合金熔化后，加入不同质量分 数的 Y2Ti2O7+Fe 颗粒，保温 5 min 后进行浇铸. 将 铸锭经 1150 ℃ 保温 1 h 后锻造成坯料，再热轧成 12 mm 厚板材，始轧温度为 1200 ℃，终轧温度为 950 ℃，轧后空冷，分别得到 1#、2#和 3#实验钢，其 化学成分见表 1. 采 用 ZEISS  ULTRA  PLUS 场发射扫描电镜 （SEM）及其自带的 X-Max 50 型电制冷能谱仪研究 了夹杂物的形貌和成分. 采用 F5M10 棒状拉伸试 样，标距段尺寸为直径 5 mm，长 25 mm，拉伸速率 为 2 mm·min–1 ，在 W20 型万能试验机进行拉伸实 验；冲击试验采用夏比 V 型缺口试样，尺寸为 55 mm × 10 mm × 10 mm，在 JBW-500 型冲击试验机进行冲 击实验. 使用 ZEISS ULTRA PLUS 场发射扫描电 镜观察断口形貌. 采用 HRS-150D 型多功能数显 洛氏硬度计测量轧制态试样的硬度. 2    结果分析与讨论 2.1    夹杂物分析 图 1 为 1#、2#和 3#钢中典型夹杂物的形貌及 成分. 从图中可以看出来，未添加 Y2Ti2O7 粒子的 1#钢中夹杂物的尺寸为 0.5 μm 左右，呈单一球状， 其主要成分是 O、Mn、Ta、Cr，这是由于冶炼过程 中合金化产生的夹杂物，也说明在真空冶炼过程中， 合金元素收得率高于普通冶炼方式的收得率[9] . 添 加 Y2Ti2O7 的 2#和 3#钢中发现了含有 Y、Ti 元素 成分较为复杂的夹杂物，其形貌近似球形，尺寸为 0.5～1.5 μm，成分为Y–Ti–O–Mn–C–Ta–W–V–Cr–Fe， 几乎包含了所有的合金成分和外加的 Y2Ti2O7 粒 子成分，这也说明 Y2Ti2O7 粒子成功加入到了钢 中. 添加 0.3%Y2Ti2O7 粒子的 2#钢中的夹杂物尺 寸与未添加 Y2Ti2O7 粒子的 1#钢的夹杂物尺寸相 近，通过 X 射线能谱分析仪检测夹杂物成分可知， 该 夹 杂 物 为 包 裹 状 复 合 夹 杂 物 [10−11] ， 基 体 为 Y–Ta–W–Cr–Mn–C–O 相，外部为 Mn–Ta–W–Cr–C 相. 这是因为 Ta、V 是强碳化物形成元素，且其相 应的碳化物熔点很高[12] ，在凝固过程中，它们将以 外加的 Y2Ti2O7 粒子为核心形成碳化物并附着在 Y2Ti2O7 粒子表面，因此导致这种复杂成分的存 在. 添加 0.5%Y2Ti2O7 粒子的钢中夹杂物尺寸约 1.5 μm，明显大于外加的 Y2Ti2O7 粒子尺寸，其原 因除了碳化物在其表面生成导致其尺寸偏大外， 部分 Y2Ti2O7 粒子可能发生了团聚[13] ，使得 Y2Ti2O7 粒子在钢中成团聚形式存在. 图 2 为 3#钢夹杂物的面扫图. 从图可知，通过 添加 Y2Ti2O7 粒子，夹杂物改性变质为稀土氧化物 的复合夹杂类型，从图 2（d）可以看出，在该复合夹 杂物的黑色区域有 Y 的富集，从图 2（e）、（g）和（i） 可以看出，夹杂物中 Ta、Mn、V 的富集也十分明 显，这也与 Ta、V 是强碳化物形成元素有关. 2.2    力学性能分析 2.2.1    拉伸性能 在不同 Y2Ti2O7 添加量下 CLAM 钢的抗拉强 表 1    实验钢的化学成分 (质量分数) Table 1    Chemical composition of the test steel % Steel No. C Si Cr Mn W Ta V Y2Ti2O7 1# 0.1 0.05 9 0.45 1.5 0.15 0.2 — 2# 0.1 0.05 9 0.45 1.5 0.15 0.2 0.3 3# 0.1 0.05 9 0.45 1.5 0.15 0.2 0.5 · 22 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1

王佳喜等：外加Y2TiO,纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 23· 1# 2# Element 3# Element mass fraction/ mass fraction/ Element Element mass fraction/ mass fraction/ 0 6.59 2.14 M 4.85 Element 13.63 04且 Mn 6 mass fraction/% 4.66 Mn5.77 Fe 5842 3.38 > E> 1.31 2.3 Fe 29.64 Fe 5.23 8.73 1 um e 75.8 500nm Cr 8.73 I um Fe 75.8 图1 钢中典型夹杂物形貌及成分 Fig.1 Morphology and compositions of typical inclusions in steel (a) (b) (c) 0.5m (d) (e) ( Ta (g) (h) (①) 图23#钢中典型夹杂物面扫 Fig.2 Surface scan results of typical inclusions in 3#steel 度、伸长率和断面收缩率折线图见图3.由图可以 由位错滑移理4可知，金属强度的提高 看出，随Y2Ti2O,添加量的增加，CLAM钢的抗拉 及塑性的下降是由于位错的运动受到了限制. 强度先升高后持平的趋势，而伸长率和断面收缩 CLAM钢的拉伸性能出现上述变化的原因包括两 率先降低后增加.相比于1#钢，Y2T2O,质量分数 个方面：其一，Y2T2O,纳米粒子添加到钢中后，使 为0.3%的2#钢的抗拉强度由1308MPa增加到 晶粒得到细化，导致单位体积内晶界数量增加，从 1359MPa,而伸长率和断面收缩率分别由14.98% 而使位错运动的阻力增加，表现为强度的增加和 和66.16%降低到13.18%和62.69%；当Y2Ti20,添 塑性的下降，这种强化属于细晶强化范畴6：其 加量由0.3%增加到0.5%时，抗拉强度基本保持不 二，Y2T2O,纳米粒子弥散分布于钢中，可以对位 变，而伸长率和断面收缩率反而增加，分别由 错进行钉扎，限制位错进一步运动，发挥弥散强化 13.18%和62.69%增加到13.44%和63.15%. 作用，从而使金属材料的强度升高而塑性降低7

度、伸长率和断面收缩率折线图见图 3. 由图可以 看出，随 Y2Ti2O7 添加量的增加，CLAM 钢的抗拉 强度先升高后持平的趋势，而伸长率和断面收缩 率先降低后增加. 相比于 1#钢，Y2Ti2O7 质量分数 为 0.3% 的 2#钢的抗拉强度 由 1308 MPa 增 加 到 1359 MPa，而伸长率和断面收缩率分别由 14.98% 和 66.16% 降低到 13.18% 和 62.69%；当 Y2Ti2O7 添 加量由 0.3% 增加到 0.5% 时，抗拉强度基本保持不 变 ，而伸长率和断面收缩率反而增加 ，分别 由 13.18% 和 62.69% 增加到 13.44% 和 63.15%. 由位错滑移理 [14−15] 可知 ，金属强度的提高 及塑性的下降是由于位错的运动受到了限制. CLAM 钢的拉伸性能出现上述变化的原因包括两 个方面：其一，Y2Ti2O7 纳米粒子添加到钢中后，使 晶粒得到细化，导致单位体积内晶界数量增加，从 而使位错运动的阻力增加，表现为强度的增加和 塑性的下降，这种强化属于细晶强化范畴[16] ；其 二，Y2Ti2O7 纳米粒子弥散分布于钢中，可以对位 错进行钉扎，限制位错进一步运动，发挥弥散强化 作用，从而使金属材料的强度升高而塑性降低[17] . 1 μm 3# 500 nm 1# 2# 1 μm Element mass fraction/% O Mn Ta Cr Fe 6.59 4.85 22.97 7.17 58.42 Element mass fraction/% Mn C Ta W Cr 5.77 3.38 3.87 2.44 8.73 Fe 75.8 Element mass fraction/% O Ti Y Mn C Ta W V Cr Fe 6.43 1.32 2.14 13.63 4.66 30.06 5.42 0.96 5.74 29.64 Element mass fraction/% O Ti Y Mn C Ta W V Cr Fe 17.28 6.49 7.83 8.40 3.24 42.02 5.47 1.31 2.73 5.23 Element mass fraction/% O Ti Y Mn C Ta W V Cr Fe 14.11 5.72 7.29 5.77 3.38 3.87 2.44 1.09 8.73 75.8 图 1    钢中典型夹杂物形貌及成分 Fig.1    Morphology and compositions of typical inclusions in steel 0.5 μm (a) (b) O Fe Y Ta W Mn Cr V (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 图 2    3#钢中典型夹杂物面扫 Fig.2    Surface scan results of typical inclusions in 3# steel 王佳喜等： 外加 Y2Ti2O7 纳米粒子对 CLAM 钢夹杂物的影响 · 23 ·

24 工程科学学报.第42卷，增刊1 1360 66.5 1350 66.0 65.5 65.0 1330 64.5 1320 64.0 63.5 1310 63.0 1300 62.5 1# 2# 3# 1# 3# 1# 3# Steel No Steel No. Steel No. 图3 不同Y2T,0,添加量下钢的力学性能 Fig.3 Tensile strength of steel under different Y2Ti,O,additions 当添加量为0.3%时，2#钢的强度的提高效果相对 2.2.3硬度性能 显著，但当添加量增加到0.5%时，3#钢强度不再 根据硬度检测结果可知，在实验钢不同的位 继续增加，为1356MPa,几乎与2#钢的强度持平， 置测量，硬度值变化并不大，说明试样的组织比较 然而3#钢的伸长率和断面收缩率比2#钢增加了 均匀.从图4可以看出，随着Y2T02添加量的增 许多，说明3#钢在保证强度的同时，还具有很好的 加，CLAM钢的硬度逐渐增加，当添加量增加 塑性 到0.5%时，硬度达到最大值HRC40.72,而未加 2.2.2冲击性能 Y2Ti2O,的1#钢的硬度只有HRC37.96,硬度性能 图4为不同Y2T2O,添加量下钢的平均冲击 增加了7.3%. 功与平均硬度柱状图.由图4可以看出，随着 2.3断口形貌分析 Y2T2O,添加量的增加，冲击功持续降低，未添加 2.3.1拉伸断口 Y2Ti20,粒子的1#钢的冲击功高达74J,而添加 图5为不同Y2Ti2O,添加量下钢的室温拉伸 0.5%Y2T202的3#钢的冲击功只有59J,冲击性能 断口形貌.可以看出，未添加Y2Ti2O2的1#钢与添 下降了20.3% 加Y2Ti2O,的2#和3#钢均呈现典型的韧窝断口特 征，断口上分布着大小不同、深浅不一的凹坑，即 Impact energy/J 70 韧窝，基本都是等轴韧窝同时在大韧窝之间布 Hardness.HRC 满小韧窝且在个别韧窝附近出现小孔洞，这种断 50 裂方式属于韧性断裂中的微孔聚集型断裂例相 比之下，1#钢的断口韧窝尺寸较大，数量较少；而 400 2#和3#钢的断口韧窝较浅且大小差异较大.此外， 20 在2#和3#钢的部分断口韧窝中还分布着第二相粒 10 子，其尺寸为≤1m,这也解释了添加Y2Ti2O2的 0 2#和3#钢硬度大于未添加Y2T,O2的1#钢硬度的 2 Steel No. 原因202)图6为3#钢拉伸断口第二相粒子形貌 图4不同Y2TO,添加量下钢的平均冲击功与硬度 及成分，从图中可以可看出该粒子呈球状，其成分 Fig.4 Average impact energy and hardness of steel with different 较为复杂，主要为Y-Ti-O-C-Ta-W相，而在未添 Y2Ti2O additions 加Y2Ti,O2的1#钢中并未发现相应的第二相粒子. μm 5 um 图5不同Y,T2O,添加量下钢的室温拉伸断口形貌 Fig.5 Tensile fracture morphology of steel at room temperature under different Y2Ti,O,additions

当添加量为 0.3% 时，2#钢的强度的提高效果相对 显著，但当添加量增加到 0.5% 时 ，3#钢强度不再 继续增加，为 1356 MPa，几乎与 2#钢的强度持平， 然而 3#钢的伸长率和断面收缩率比 2#钢增加了 许多，说明 3#钢在保证强度的同时，还具有很好的 塑性. 2.2.2    冲击性能 图 4 为不同 Y2Ti2O7 添加量下钢的平均冲击 功与平均硬度柱状图 . 由 图 4 可以看出 ，随 着 Y2Ti2O7 添加量的增加，冲击功持续降低，未添加 Y2Ti2O7 粒子的 1#钢的冲击功高达 74 J，而添加 0.5%Y2Ti2O7 的 3#钢的冲击功只有 59 J，冲击性能 下降了 20.3%. 2.2.3    硬度性能 根据硬度检测结果可知，在实验钢不同的位 置测量，硬度值变化并不大，说明试样的组织比较 均匀. 从图 4 可以看出，随着 Y2Ti2O7 添加量的增 加 ， CLAM 钢的硬度逐渐增加 ，当添加量增加 到 0.5% 时 ，硬度达到最大值 HRC 40.72，而未加 Y2Ti2O7 的 1#钢的硬度只有 HRC 37.96，硬度性能 增加了 7.3%. 2.3    断口形貌分析 2.3.1    拉伸断口 图 5 为不同 Y2Ti2O7 添加量下钢的室温拉伸 断口形貌. 可以看出，未添加 Y2Ti2O7 的 1#钢与添 加 Y2Ti2O7 的 2#和 3#钢均呈现典型的韧窝断口特 征，断口上分布着大小不同、深浅不一的凹坑，即 韧窝，基本都是等轴韧窝[18] . 同时在大韧窝之间布 满小韧窝且在个别韧窝附近出现小孔洞，这种断 裂方式属于韧性断裂中的微孔聚集型断裂[19] . 相 比之下，1#钢的断口韧窝尺寸较大，数量较少；而 2#和 3#钢的断口韧窝较浅且大小差异较大. 此外， 在 2#和 3#钢的部分断口韧窝中还分布着第二相粒 子，其尺寸为≤1 μm，这也解释了添加 Y2Ti2O7 的 2#和 3#钢硬度大于未添加 Y2Ti2O7 的 1#钢硬度的 原因[20−21] . 图 6 为 3#钢拉伸断口第二相粒子形貌 及成分，从图中可以可看出该粒子呈球状，其成分 较为复杂，主要为 Y–Ti–O–C–Ta–W 相，而在未添 加 Y2Ti2O7 的 1#钢中并未发现相应的第二相粒子. 1360 1350 1340 1330 1320 1310 1300 Tensile strength/MPa 1# 2# Steel No. 3# 15.2 14.8 14.4 14.0 13.6 13.2 15.0 14.6 14.2 13.8 13.4 13.0 Elongation/ % 1# 2# Steel No. 3# 66.5 66.0 65.5 65.0 64.5 64.0 63.5 63.0 62.5 Reduction of area/ % 1# 2# Steel No. 3# 图 3    不同 Y2Ti2O7 添加量下钢的力学性能 Fig.3    Tensile strength of steel under different Y2Ti2O7 additions 0 1# 2# Steel No. Impact energy/J Hardness, HRC 3# 10 20 30 40 50 60 70 Results 图 4    不同 Y2Ti2O7 添加量下钢的平均冲击功与硬度 Fig.4     Average  impact  energy  and  hardness  of  steel  with  different Y2Ti2O7 additions 1# 5 μm 5 μm 5 μm 2# 3# 图 5    不同 Y2Ti2O7 添加量下钢的室温拉伸断口形貌 Fig.5    Tensile fracture morphology of steel at room temperature under different Y2Ti2O7 additions · 24 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1