郑州轻工魏世忠教授团队:稀土硅铁对消失模铸造的45钢合金组织性能的影响

采用工业纯铁块（98.634%，质量分数，下同）、高纯石墨块（0.46%）、商用稀土硅铁合金粉末制备了不同稀土硅铁含量（0%，0.15%和0.35%）的45号钢，其成分分别见表1和表2。通过消失模铸造法，采用EPS泡沫模型（密度为25 kg/m³）浸涂铝矾土基涂料（厚度为1.0～1.2 mm），干燥后填入石英砂并振动紧实。采用中注式浇注系统，浇注温度为1 600 ℃，收缩率约为5.2%，收缩质量（体积）为32.44 kg，浇注出3个铸件，分别加入不同含量的稀土硅铁，浇注完成后自然冷却脱模。

从铸件心部至中部再到边面依次取样，见图1，分别用红、蓝、黑依次代表心部、中部、边部。使用DK7720快走丝电火花线切割机从合金铸件上切取试样制成金相试样，采用热镶嵌法对试样进行镶嵌。镶嵌后的试样依次经180、400、800、1 000、1 500、2 000及3 000目的砂纸进行逐级打磨。在抛光机上使用绒布配合粒度为1.5、1.0和0.5 μm的金刚石抛光膏抛光至试样表面无划痕。每次更换砂纸或抛光介质前后，均使用无水乙醇对试样进行清洗，以彻底去除表面残留磨粒。采用王水腐蚀试样，利用BM-4XAI金相显微镜（OM）进行组织观察，结合ImageJ软件利用截点法统计晶粒尺寸。采用Phenom XL扫描电镜（SEM）及能谱分析（EDS）进行断口形貌及组织观察分析。使用DNS-100型电子万能试验机测试合金拉伸性能，试样尺寸示意图见图1b，厚度为1.4 mm，应变速率为0.001 s^-1，每组试样测3次结果取平均值。采用威尔逊600MRD-DE834洛氏硬度测量仪对试样进行硬度测试，加载载荷为60 N，保压时间为12 s，每个试样测试12次，取平均值。

不同含量稀土硅铁和45号钢合金铸件不同位置的显微组织形貌见图2～图4。可以发现，随稀土硅铁含量增加，铸件从心部至边部各区域的晶粒细化程度均显著提高。这主要归因于稀土元素（如La、Ce、Pr等）在钢铁凝固过程中的多重作用机制。从热力学角度分析，稀土元素的添加能够显著改变Fe-C相图特征，降低液相线温度并扩大固液两相区温度范围。研究表明，稀土元素的加入可使Fe-C合金的共晶点向左下方移动，这种改变有利于增加凝固过程中的形核驱动力。其次，稀土元素具有优异的异质形核能力，其与钢水中存在的夹杂物相互作用，形成复合夹杂物，这些夹杂物可作为有效的形核基底，显著提高形核率。从动力学角度考虑，稀土硅铁的加入能够与钢水中的其他合金元素（如Mn、Ti、Nb等）形成（RE，M）C、（RE，M）N等复合碳氮化物。这些高熔点化合物在凝固初期即可形成，为晶粒形核提供大量有效基底。此外，稀土元素具有较高的化学活性，能够降低固液界面能，提高形核速率。

在晶粒生长阶段，稀土元素通过表面活性效应在晶界偏聚，降低晶界能，抑制晶粒粗化。这种作用在凝固后期尤为明显，可有效阻碍晶粒的异常长大。图5为不同含量稀土硅铁铸件晶粒尺寸对比。

通过扫描电镜（SEM）对不同稀土硅铁含量的45号钢心部组织进行微观结构观察，见图6。可以看出，随稀土硅铁含量增加，珠光体组织明显细化。采用ImageJ软件对不少于20个典型珠光体片层进行系统测量统计，结果显示，0、0.15%和0.35%稀土硅铁含量试样平均片层间距分别为（0.96±0.06）、（0.68±0.12）和（0.24±0.08）μm。

图7为0.15%和0.35%稀土硅铁含量试样心部区域Ce元素EDS面扫描分析。结果显示，0.35%稀土硅铁含量试样中Ce局部含量显著高于0.15%含量试样，证实了稀土添加量的提升增大了Ce在基体中的固溶度。

不同稀土硅铁含量的45号钢合金铸件的洛氏硬度测试结果见图8。可以发现，铸件硬度与稀土硅铁含量呈现显著的正相关关系。当稀土硅铁含量达到0.35%时，铸件心部位置的硬度（HRA）为53.43，较添加0.15%含量稀土硅铁的试样（49.60）提高了约10%，较无稀土硅铁试样（47.82）提高了约13%。这一强化效应主要源于稀土硅铁的多重作用机制。稀土硅铁的添加显著细化了铸件的晶粒尺寸，晶粒细化导致晶界密度增加，这些晶界能有效阻碍位错运动，从而提高材料的强度和硬度。同时，细晶组织。结果表明，添加0.35%稀土硅铁可使晶粒尺寸减小约35%，相应地提高了材料的硬度。

不同稀土硅铁含量的45号钢应力-应变曲线见图9，力学性能数据见表3。可以发现，铸件的应力-应变行为均表现出典型的弹塑性变形特征，力学性能随稀土硅铁含量增加而显著提高。图10为不同含量稀土硅铁铸件心部力学性能对比。可以看出，稀土硅铁含量增加，试样强度提高，而伸长率依次为8.5%、10%和15.17%，添加稀土硅铁（0.15%与0.35%）的试样伸长率比不添加稀土硅铁（0%）的高，且与自身强度成反比，即抗拉强度越高，伸长率越低，这主要归因于稀土硅铁的多重强化机制。

据应力-应变曲线可以发现，材料刚开始出现了屈服平台，在达到最大应力点后应力急剧下降，这表示材料失去了承载能力。图11为拉伸断口宏观形貌。可以看出，45号钢的拉伸断口呈现出明显的韧性断裂特征。断口表面较为粗糙，呈现出纤维状和剪切唇的形貌，断口边缘有明显的塑性变形痕迹，表明材料在断裂前经历了显著的塑性流动。这种形貌特征与典型的韧性断裂行为一致，即材料在断裂前发生了较大的塑性变形。图12为不同稀土硅铁含量铸件拉伸断口微观形貌。可以看出，断口表面存在大量韧窝，形貌多为等轴状或拉长状，其尺寸和深度分布较为均匀。韧窝的形成机制与材料在拉伸过程中微孔洞的形核、长大和聚合有关。在拉伸应力作用下，材料内部的夹杂物或第二相粒子与基体界面处产生应力集中，导致微孔洞的形核。随应变的增加，微孔洞逐渐长大并相互连接，最终形成韧窝结构。韧窝的形貌和分布反映了材料的塑性变形能力和断裂韧性，且韧窝周围观察到少量撕裂棱，撕裂棱的形成与局部应力集中和剪切变形有关，这是韧性断裂的特征。此外，还可以观察到断口处出现解理台阶和二次裂纹，且断口呈河流花样，这表明材料在断裂过程中存在局部脆性断裂的成分，因此材料属于韧脆断裂结合。

综上，添加稀土硅铁的45号钢合金铸件试样的拉伸断口形貌表现出韧脆断裂结合的特征，包括宏观上的纤维状断口和剪切唇，以及微观上的韧窝、撕裂棱、解理台阶和二次裂纹。这表明材料在断裂前经历了显著的塑性变形及局部脆性变形，其断裂机制以微孔洞的形核、长大和聚合为主。

（1）采用消失模铸造的铸件，未经热处理而自然冷却后脱模，随稀土硅铁含量增加，铸件从心部至边部各区域的晶粒细化程度均显著提高。

（2）稀土硅铁含量增加可细化铸件晶粒尺寸，改善钢水纯净度，改变夹杂物形态和分布特征，45号钢铸件的平均洛氏硬度得以提升。

（3）稀土硅铁多重强化机制使铸件力学性能提升，拉伸断口分析表明，合金断裂机制为韧脆断裂结合。

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