低碳高锰钢材强度高,低温冲击韧性良好,焊接性能优异,广泛地应用于造船、工程机械零件、桥梁、采油平台等领域。随着微合金化技术和控扎控冷(TMCP)技术的发展,国内外普遍采用微合金化和TMCP技术生产低碳高锰钢材。但是,TMCP不能无限制控制压下量和冷却速度,其细晶化只能局限于某一范围。在钢中加入微合金化元素,虽可用细晶强化和沉淀强化改善低碳高锰钢材性能,但却会增加其生产成本。过量添加微合金元素将增加钢材碳当量,恶化其焊接性能和冲击韧性。为此,本文以低碳高锰钢为研究对象,用中频真空感应炉制备四组不同[Ce]含量的试样,研究微量Ce对低碳高锰钢显微组织和力学性能的影响。其研究方法和内容包括:(1)用真空感应炉制备四组不同[Ce]含量的低碳高锰钢试样,进行化学成分检测,结合现代冶金理论,分析、探讨微量Ce净化钢液的机理;(2)用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等手段采集实验数据,通过热力学计算与动力学分析,描述含Ce亚微米级夹杂物在钢液精炼过程中的演变机制;(3)用二维晶格错配度公式,计算不同夹杂物与钢液初生δ-Fe相的晶格错配度,定性描述含Ce亚微米级夹杂物细化显微组织的机理;(4)用力学性能实验采集的实验数据,分析、探讨微量Ce提高低碳高锰钢力学性能的作用机理。在为稀土元素在低碳高锰钢中的应用提供基础试验数据的同时,对于开发高强/韧性的低碳高锰钢材之低成本制造技术具有重要意义和实用价值。通过试验研究,本文得出以下结论:(1)钢中[Ce]含量由0%增加到0.0025%时,硫含量由0.037%降低到0.014%,氧含量由0.014%降低到0.0064%,说明Ce具有较强的脱硫、脱氧能力。(2)微量Ce可以明显细化低碳高锰钢的显微组织,当钢中Ce含量由0%增加到0.0025%时,铁素体晶粒平均尺寸由15.45μm减小到7.18μm,珠光体片层间距由0.25μm减小到0.14μm。(3)钢液中添加Ce后,大尺寸、有棱角的Al2O3夹杂物与长条状的MnS夹杂物被改性为小尺寸、类球状的含Ce夹杂物;生成的含Ce类亚微米级夹杂物可以作为δ-Fe相异质形核的有效核心,细化低碳高锰钢的显微组织。(4)随着钢中[Ce]含量的增加,低碳高锰钢的强度、塑性与冲击韧性均呈现出明显升高的趋势,Ce细化钢的显微组织及Ce对夹杂物的改性是提高低碳高锰钢力学性能的主要原因。