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前言
稀土元素在钢液中具有独特的脱硫、脱氧和变质夹杂的作用，近年来在炼钢生产过程的精炼或连铸工序中作为进一步净化及夹杂物变质剂加入钢液，得到了广泛的开发应用。
世界稀土储存量最大的白云鄂博矿铁矿石经过矿石采选、高炉炼铁、转炉炼钢到成品钢材生产，自然带入钢中的稀土元素能留存多少及其对钢材性能是否有益一直存在争议，包钢研究者提出白云鄂博铁矿石带入钢中的稀土元素残留在钢铁冶炼过程中具有传承性，对钢材性能有较好影响。
科学家对白云鄂博矿中稀土元素在冶炼过程中的铁渣变化研究得出稀土元素复合进入炼铁渣中，残渣在炼钢过程中发生还原反应后重新回到钢液中，轧制成材后残留量⁻⁶，<1.1×10⁻⁶，余宗森分析包钢生产钢材的成分认为包钢钢材中稀土元素残留量不超过⁻⁶15×10⁻⁶,不具有“稀土钢”特色。
但可以在炼钢后期加入稀土生产稀土处理钢，北科大杨晓红研究高Al脱氧特殊钢认为稀土Ce含量⁻⁶<15×10⁻⁶时，钢中没有稀土夹杂物生成，有研究表明稀土元素在钢中的含量影响其在钢中的存在形式。
稀土元素含量极少时，几乎全部存在于夹杂物中，当钢中稀土量低于⁻⁶10×10⁻⁶，由于生成夹杂物的数量极少，不易观察到钢中稀土夹杂物，研究表明稀土夹杂物在钢中优先偏聚在晶界处，可以通过力学性能测试并对试验钢断口处夹杂物进行检测来分析稀土的作用。
为了验证痕量稀土对钢材性能是否有益，选取Super304不锈钢加入不超过⁻⁶10×10⁻⁶稀土进行热力学计算验证并进行冲击实验，观察分析断口处夹杂物。
实验材料与实验方法
试验钢采用真空感应炉配料熔炼成圆柱钢锭冷却后取出，其中实验钢为Super304设计对比钢，实验钢在设计成分钢中加入0.001wt%稀土铈铁，按照15%稀土收得率计算，确保钢中稀土含量低于10×10⁻⁶，实验钢的化学分析成分见下图:
将浇注钢锭在1250°C保温2小时后轧成30mm厚度板坯，水淬切割；将切割后的钢板分别采用1100℃×30min固溶、1100℃×30min固溶+650℃×25h时效处理两种工艺，依据国标制作夏比V型缺口冲击样。
使用JB300型冲击试验机进行冲击性能测试,测试温度为:室温、-20℃、-40℃，每个温度进行3次冲击试验,使用场发射扫描电子显微镜观察其冲击断口形貌并进行分析；在两种试验钢试样选取3×3mm²试验区做夹杂物统计分析，将实验所需样品对其金相面打磨抛光。
使用显微硬度仪测试维氏硬度，并观测金相面表面的压痕。
Super304钢中加入稀土元素后，钢液体系在液态温度区间内形成以稀土氧化物、稀土氧硫化物及稀土硫化物为主，实验钢可能生成的主要稀土夹杂物为CeO₂、Ce₂O₃、Ce₂O₂S、Ce₂S₃、Ce₃S₄、CeS，1873K可能进行的反应如下表2所示稀土元素与钢中杂质元素反应的一般式为：
[RE]+xy[F]=1yREyFx利用化学反应等温方程可以计算钢液中稀土夹杂物的生成自由能：ΔG=ΔGθ+RTlnJ=ΔGθ+RTln产物活度积/反应物活度积=ΔGΘ+RTln1yαRΞ×xy取质量分数为1%的溶液为标准态。
反应生成物均为纯物质，所以反应生成物的活度均为1，通过计算稀土夹杂物的生成自由能可以确定夹杂物的生成类型与生成顺序，可以计算出钢液中各稀土夹杂物的生成吉布斯自由能，如下表所示。
反应式热力学计算结果可知，实验钢中Ce₂S₃、Ce₃S₄、CeS在炼钢温度下均不能生成；钢液中能够生成的稀土夹杂物优先顺序为 Ce₂O₂S>Ce₂O₃>CeO₂,验证了文献热力学计算结果，在实际冶炼过程中，稀土夹杂物之间可能发生夹杂物转化。
在此反应体系下，稀土含量为0.00028wt%时，ΔG<0，反应式可以向右进行，钢中可以稳定存在Ce2O2S。
冲击实验数据对实验钢进行不同热处理制度下的室温、低温冲击性能测试，实验数据表明，固溶条件下2#加入稀土Ce实验钢的室温冲击功数值比不加稀土的实验钢的平均值高出9.9%，痕量稀土对室温冲击功数值有显著提高作用。
在固溶时效处理条件下，加入稀土Ce对两种实验钢冲击功数值的影响没有显著差别。
实验钢的低温冲击功数值与不加稀土的实验钢混杂，没有明显差别。
下图为两种实验钢固溶态室温冲击断口形貌：
实验钢固溶态室温冲击断口形貌
不加稀土的实验钢固溶态室温冲击断口，断口处撕裂棱突起明显，韧窝直径较大，韧窝底部、侧壁上析出物的数量较多且形状不规则，加入稀土的实验钢试样断口形貌，显示有不均匀分布的细小韧窝，数量较多，撕裂棱密集，部分韧窝底部有细小的析出物，分析两种实验钢均为韧窝断裂。
实验钢固溶态室温冲击断口上析出物进行分析，断口上选取的夹杂物形貌，以及侧壁上基体成分能谱，与析出物成分能谱形成对比，片状析出物2的能谱，有Nb、Cr、S等元素存在，判定为金属间化合物夹杂。
为韧窝壁上方的片状析出物3的能谱，有Cr、O、Mn、Fe、Al等元素存在，判定为铝酸盐类复合夹杂，夹杂物形状不规则，尺寸较大，数量多且分布不均匀，该类夹杂熔点高，硬度高，脆性大，不易变形，在外力作用下破裂成带棱角不规则碎块，导致钢的塑性下降，抗冲击性能降低。
加稀土实验钢固溶态室温冲击断口的夹杂物进行分析，观察断口侧壁夹杂物形貌，夹杂物外形呈现圆形，直径不超过1.5μm，能谱分析表明夹杂物含22.78wt%Ce、20.31wt%O及0.83wt%S,还含有Si、Mn、Nb等元素,判定为稀土硫氧化物的复合夹杂物。
实验钢冲击断口韧窝底部稀土夹杂物形貌，夹杂物的形貌为弯月形，外观圆滑，结合能谱分析稀土Ce含量在14.95wt%，不含O元素，判定为稀土与硫化物的复合夹杂物，稀土夹杂物进行分析，稀土Ce的加入使钢中夹杂物的形貌与尺寸发生变化。
夹杂物从不规则片状、长条状的金属间化合物或氧化物转变成圆形、短棒状的稀土复合化合物；稀土Ce进一步与钢中的O发生化合反应，降低钢中的氧含量，使钢中夹杂物改变形状和大小，从而提高了实验钢的冲击韧性。
固溶态实验钢冲击断口形貌分析与实测冲击功值的变化规律相符合，加入痕量稀土的2#钢冲击功明显大于不加稀土实验钢，表明固溶态实验钢加入痕量稀土可以明显改善钢的冲击韧性。
固溶时效态冲击断口分析
对两种实验钢固溶时效态的冲击断口形貌图像放大进行比较，如下图所示：
可以看出实验钢断裂面明显，有粗大的韧窝形成，裂纹沿着断裂的解理面扩展，实验钢断裂面韧窝浅小，分布很不均匀，两种实验钢断口形貌差异表明添加稀土具有明显作用，两种实验钢的冲击功的测试数值相互交叉，没有显著分布差异。
表明固溶时效态条件下痕量稀土对实验钢的冲击性能作用不明显，这可能与时效态析出相的数量、形貌有关。
用扫描电镜分别对两种实验钢的固溶、固溶时效态样品的选定区域进行夹杂物种类、数量及平均直径统计，统计结果如下：
统计固溶态实验钢的氧化物数量为1150个，平均直径为2.40μm，固溶态加稀土实验钢氧化物数量为470个，平均直径为2.99μm，氧化物析出数量减小明显，平均直径略有增大，固溶态加稀土2#实验钢的MnS夹杂物比实验钢中的数量高出一倍。
但是，平均直径相比有所减小，对实验钢的冲击韧性破坏作用有所减小，固溶时效态的加稀土实验钢的氧化物数量为435个，平均直径与固溶态基本一致，统计分析加入稀土后实验钢中的氧化物、复合硫氧化物、铝酸盐等夹杂物的数量都有较大幅度下降。
平均直径略有增大，但都小于4μm，表明稀土元素有促进夹杂物复合，减少夹杂物生成数量的作用，分析钢中氧含量及氧化物数量的变化，痕量稀土有深脱氧的作用，这与王承等在300M钢中加入微量稀土La。
钢中的氧、硫均大幅降低，加入过量稀土则起反作用的实验结果相吻合，统计分析表明稀土夹杂物的数量、夹杂物的平均直径是钢材性能的影响因素，其中夹杂物的平均直径是主要影响因素。
结论
热力学计算表明含0.00028wt%Ce的Super304钢中优先生成稀土硫氧化物、稀土氧化物，不生成稀土硫化物，固溶态含0.00028wt%稀土Ce的Super304钢的室温冲击功平均值比不加稀土实验钢增加了9.9%，痕量稀土对Super304钢固溶态室温冲击韧性有明显提高作用。
1100°C×30min固溶+650°C×25h时效条件下,加入痕量稀土实验钢冲击韧性与不加稀土钢相比没有显著变化，显微硬度测试表明固溶态加痕量稀土试验钢的压痕形态由沉入型转变为堆积型，实验钢的显微硬度值降低。
固溶时效态痕量稀土对实验钢的显微硬度没有显著区别，痕量稀土在钢液中具有进一步深脱氧的作用，稀土夹杂物的尺寸、形貌是实验钢冲击性能的主要影响因素。
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