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1 引言

随着工程机械设备向高强度、轻量化与长寿命方向发展，超高强度钢凭借其优异的比强度和强韧性应用在不同设备的关键承载构件中[1]。但超高强度钢在力学性能和焊接性能得到提升的同时也伴随耐蚀性能下降，该钢材在复杂服役环境下易受到氯化物介质的腐蚀，导致设备性能劣化和使用寿命缩短，尤其在含氯环境（如海洋、大气盐雾及道路除冰盐）中，极易发生“点蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀开裂（SCC）”等局部失效行为。这些腐蚀敏感性会明显削弱材料的使用寿命，也对结构安全性构成严重威胁[2]。

一般提高耐蚀性能的手段主要依赖于Cr、Ni、Mo等合金元素的添加与复合强化，但该方法成本较高，以及元素资源有限，还会导致组织粗化及夹杂物偏析等问题，同时无法有效改善钢中钝化膜的化学稳定性与再钝化能力［3-4］。近年来，“微合金化技术”逐渐成为提升钢材综合性能的重要途径。通过微量元素的引入，可实现组织调控、夹杂物变性和界面特性优化，从而在保持高强度的前提下提升耐蚀性能[5]。

在众多微合金化元素中，稀土元素（RE）以其独特的表面活性、强亲硫和强亲氧特性，在净化钢铁材料、细化晶粒及改善耐蚀性方面表现突出[6]。其中，铈（Ce）作为一种储量丰富、环境友好型稀土元素，具有优异的夹杂物变性、晶粒细化、钝化膜稳定等作用［7-8］。相关研究表明，添加适量的Ce元素可促使夹杂物由尖锐的氧化物或硫化物转变为球状复合夹杂，显著降低局部应力集中和微电偶腐蚀的风险[9]；同时，Ce能参与钝化膜的形成，生成CeO2或Ce2O3相，从而提高膜层的致密性和抗Cl-渗透能力［10］。

Ce可通过在凝固过程中促进细化晶粒与净化晶界，改善腐蚀膜与基体的结合界面，从而提高腐蚀产物层的附着力和稳定性，使其在长期服役环境中具备更强的耐蚀能力。这些优势使得Ce微合金化成为兼顾高强度与高耐蚀性的有效手段之一［11］。

目前，关于Ce在超高强度钢中的作用机理研究已取得一定进展，但仍存在一些问题。Ce参与形成的钝化膜结构及其在电化学反应中的动态演化机制仍需进一步探究。因此，系统研究Ce微合金化对超高强度钢耐腐蚀性能的影响机理，不仅对揭示其微观腐蚀行为规律具有理论意义，也对高性能工程用钢的工业化生产与服役安全具有重要的工程应用价值。

2 Ce微合金化在钢材性能调控中的作用机制

稀土元素Ce在钢中的作用是多元化的，主要体现在脱氧脱硫净化钢液、夹杂物变性、晶粒细化以及钝化膜强化等方面。Ce的原子半径较大、电负性较小，极易与N、O、S反应生成稳定化合物，从而在微观层面提升钢的纯净度与稳定性，这些综合效应构成了Ce微合金化改善钢耐蚀性能的核心机制［12］。

Ce与O、S具有极强的亲和力，能形成Ce2O3、Ce2S3和Ce2O2S等高稳定稀土化合物，这些产物在凝固过程中上浮并净化钢液，显著降低夹杂物的含量，改善夹杂物形态[13]。此外，Ce能促使原本尖锐或片状的MnS、Al2O3夹杂物转变为球状复合夹杂（Ce-Al-O-S型），使其分布更均匀，减少应力集中和微电偶腐蚀的发生，从而提升钢的整体耐蚀性［14］。

Ce形成的稀土氧化物在凝固过程中作为异质形核核心，促进奥氏体、马氏体、铁素体晶粒细化。细小均匀的晶粒可提高钢的强韧性，并改善钝化膜的连续性和致密性，同时，Ce也能抑制偏析带和粗大析出相的形成，降低晶界腐蚀敏感性，从而提升钢材的耐蚀性能[15]。在腐蚀介质中，Ce易氧化生成CeO2、Ce2O3，并与Fe氧化物共同形成复合钝化膜。该膜通常呈现“外层富CeO2、内层富Fe2O3、Fe3O4”的多层结构，使钢具有更高的致密性和化学稳定性，有效阻止Cl-渗透，从而延缓膜层破裂与点蚀的发生，提高钢的耐蚀性［16］。

在钢的电化学腐蚀过程中，Ce对钢的作用表现为阳极钝化和阴极抑制的双重效应：在阳极方面，Ce促进Fe氧化形成稳定氧化膜，从而降低金属溶解速率；在阴极方面，Ce离子吸附于阴极反应区，抑制氧还原或氢析出反应。两者的协同作用使得腐蚀电流密度下降、极化电阻增大、腐蚀电位正移，从而显著提升钢在含氯环境下的耐蚀性能［17］。

3 Ce微合金化对钢材耐腐蚀性能的增强机理与影响研究

未添加Ce的钢中，夹杂物主要为MnS、Al2O3、MnO·SiO2等。MnS夹杂在氯化物环境下优先溶解，成为点蚀萌生的核心；而Al2O3等氧化物与基体结合不良，常导致界面应力集中和局部腐蚀加速。Ce元素进入钢液后，与O、S、Al等发生强烈作用，生成稀土氧化物（CeO2、Ce2O3）、硫化物（Ce2S3）或复杂氧硫化物。这类夹杂物粒径细小、分布弥散，不易成为腐蚀敏感源；与基体结合力强，降低夹杂与基体界面的腐蚀概率；可取代、包裹MnS等有害夹杂，减弱点蚀倾向。因此，Ce的夹杂物变性作用显著降低了局部腐蚀敏感性［18］。

钢材的耐腐蚀性能与夹杂物密切相关。未添加Ce时，MnS、Al2O3等夹杂物易在氯化物溶液中优先溶解，成为点蚀的诱发源。研究表明，适量Ce能够与O、S、Al反应生成稀土氧化物、氧硫化物和稀土硫化物，从而取代、包裹或细化原有夹杂物，使其分布更均匀，降低了局部腐蚀敏感性。这种夹杂物变性作用是Ce改善超高强度钢耐蚀性的核心机制之一。加入0.008–0.04 wt.% Ce后，夹杂物被变质为2-3 μm类球状CeAlO3-MgO-CaS，长条状MnS消失，钢液洁净度提高，点蚀密度下降约一个数量级[19]。有学者研究了含0.08 wt.% Ce低合金高强度钢在3.5 wt.%的 NaCl 溶液中浸腐蚀，结果表明，稀土 Ce 有效降低电流密度，与未添加稀土 Ce 相比，浸蚀了365 h 后质量损失降低了11.4%。通过对组织观察发现，添加稀土后，大尺寸（9.61 μm）的Al2O3夹杂物变质为稀土氧化物、硫化物夹杂物，尺寸约为2.5 μm，有效减少了钢中的点蚀源[20]。也有学者探讨了Q460NH耐候钢在海洋环境中点蚀的初始阶段。实验结果表明钢材中形成了两种主要类型的夹杂物，并观察到不同的点蚀形态。两种夹杂物中均因（RE）2O2S-（RE）xSy相对基体电位较低而引发点蚀，表明Q460NH耐候钢中的夹杂物比基体具有更低的抗点蚀能力［21］。

稀土元素在腐蚀过程中富集在钢的表面，促进腐蚀膜中形成CeO2、Ce2O3等稳定化合物。这类富稀土腐蚀膜具有以下特点：结构致密，能有效阻隔Cl⁻等腐蚀介质渗透；具备较强的再钝化能力，可在膜层破损处迅速修复；腐蚀膜与基体结合力强，提高了整体膜层的稳定性。

Ce不仅改善了钝化膜的物理屏障效应，还提升了电化学钝化性能。XPS与TEM-EELS联合证实，Ce3+/Ce4+可在钝化膜中形成CeO2-x纳米岛，提高膜层n型半导体特性，降低缺陷密度；在3.5 wt.% NaCl溶液中，含0.012 wt.% Ce钢的自腐蚀电流密度由6.1 μAcm⁻²降至3.4 μAcm⁻²，点蚀电位提高60-90 mV。研究了稀土通过改变夹杂物和珠光体的性质，降低了Zr-Ti脱氧低合金钢在模拟海洋环境中的初始腐蚀敏感性[22]。（RE）2O2S和（RE）xSy包体溶解引起的局部酸化抑制了环境中Ca2+的水解，抑制了CaCO3的沉积及其参与锈层的形成，从而改善了锈层的致密性。随着时间的推移，这种抑制作用逐渐减弱，而 RE 所改善的锈层可有效阻止Cl- 的侵入，促进了 Cl- 在外锈层中的富集［23］。

4 Ce 含量对钢的耐腐蚀性能演化规律及其影响机制分析

有学者研究Ce对钢材表面钝化膜形成的影响，通过电化学测试和表面分析技术，发现Ce能够促进形成更致密的钝化膜，从而提高耐腐蚀性。随着Ce含量增加，钢的腐蚀电位（Ecorr）正移，腐蚀电流密度（Icorr）下降，电荷转移阻抗（Rct）增大，表现出耐蚀性增强的趋势。其中，当Ce含量适量时，钢材耐蚀性达到最佳：腐蚀速率最低，极化曲线呈现明显变化，EIS阻抗谱半圆直径最大。若Ce含量过高（>0.08 wt.%），则会导致夹杂物粗大，钝化膜稳定性降低，从而耐蚀性能反而下降［24］。

在海洋环境中的微生物能够加速高熵合金表面形成的钝化膜局部溶解，显著降低其耐腐蚀性。相关研究表明，添加少量Ce可改变夹杂物形态，从而增强钝化膜的抗点蚀能力。针对CoCrFeNiCex（x= 0，0.001，0.003，0.005）高熵合金，系统考察了Ce添加对微生物腐蚀（MIC）行为的影响。过量Ce添加导致新夹杂物形成，使钢的点蚀敏感性增加。这些发现揭示了通过夹杂物改性提高微生物介质腐蚀（MIC）抗性的新策略［25］。

有学者通过中性盐雾试验和电化学试验，研究了稀土合金对 Q420 高强度钢耐腐蚀性能的影响。进而阐明了稀土微合金化提高 Q420 高强钢耐腐蚀性的影响规律。结果表明，当稀土元素含量为 0.01 wt.% 时，Q420 钢中夹杂物的数量和尺寸最小，耐腐蚀性最好［26］。

5 存在问题

当前Ce微合金化在提升超高强度钢耐腐蚀性方面展现出良好的潜力，Ce对钢的性能提升具有重要作用，但仍存在一些挑战。当添加过量的Ce会导致大型Ce-O-S复合夹杂物的形成，这些夹杂物难以彻底去除，反而成为新的腐蚀源；同时会导致钝化膜致密性不好下降，进而使耐腐蚀性变差；目前市场上各个钢厂在Ce加入工艺方面存在较大差异，技术参差不齐，产品差异性较大，缺乏统一的工艺标准，导致产品性能存在较大波动。

6 结论

添加适量Ce进入超高强度钢中，Ce通过“净化—细化—膜强化”三位一体机制，可显著提高超高强度钢的耐蚀性、抗点蚀及抗应力腐蚀性能，同时提升其强韧性。要实现“超高强度+长寿命+低成本”的目标，需要严格控制冶金工艺窗口，避免过量添加Ce，并与Cu-Ni-Cr等耐候元素协同优化。在前人研究的基础上，未来研究应着重于建立焊接、疲劳、微生物腐蚀等方面的数据库，并开发稀土绿色添加技术，降低成本，保护环境，技术应当多交流学习，从而推动钢铁的材料性能进一步提升。

7 展望

Ce微合金化是提升超高强度钢耐腐蚀性能的有效途径。通过添加适量Ce优化夹杂物和增强腐蚀膜的双重作用，可显著改善材料的力学性能和耐蚀性能。但是，Ce的添加存在最佳区间，过量添加会导致性能劣化，适得其反，造成损失。未来的研究可从以下几个方面深化：首先，建立Ce含量、夹杂物形态与腐蚀速率之间的关系模型，为工程实践提供指导；其次，开展钢在服役环境下的长期腐蚀试验与数值模拟，提升研究成果的应用指导性，为新材料研发提供数据支撑；再次，采用多尺度计算与数据驱动相结合的方式，基于CALPHAD与机器学习技术构建Ce-O-S-Ti-Nb五元相图，预测最佳的Ce、S、O添加窗口；最后，探索稀土绿色制备技术，研究CeO2纳米涂层替代内部合金化，推动“稀土减量化”与循环回收的实现。这些研究方向将为进一步提升材料的耐蚀性和环境友好性提供重要的理论支持和技术路径。

参考文献

[1] Q Zheng，S Mei，Z Xiao，et al．Effect of cooling methods on the tribological，oxidation and corrosion properties of CeO2 composite boronizing coatings on 4Cr5MoSiV1 steel［J］．Journal of Materials Research and Technology，2024（30）：3807-3821.

[2] X S Zhang，W X Wang，X Wang，et al．The stress corrosion cracking behavior of N80 carbon steel under a crevice in an acidic solution containing different concentrations of NaCl［J］．Corrosion Science，2023（216）：111068.

[3] D Wang，Q Zhong，J Yang，et al．Effects of Cr and Ni on the microstructure and corrosion resistance of high-strength low alloy steel［J］．Journal of Materials Research and Technology，2023，（23）：36-52．

[4] H Liu，Y Teng，J Guo，et al．Corrosion resistance and corrosion behavior of high‐copper‐bearing steel in marine environments［J］．Materials and Corrosion，2021，72（5）：816-828.

[5] P K Mandal，R Kant．Effect of microalloying elements on mechanical properties in the high strength low alloy steel［J］．Materials Science Forum，2015，（830）：231-233.

[6] S Zhang，J Liu，M Tang，et al．Role of rare earth elements on the improvement of corrosion resistance of micro-alloyed steels in 3.5wt.% NaCl solution［J］．Journal of Materials Research and Technology，2021（11）：519-534．

[7] H Zhang，P Xue，L H Wu，et al．Effect of grain ultra-refinement on corrosion behavior of ultra-high strength high nitrogen stainless steel［J］．Corrosion Sci，2020，（174）：108847.

[8] R Chen，Z Wang，J He，et al．Effects of rare earth elements on microstructure and mechanical properties of H13 die steel［J］．Metals，2020，10（7）：918．

[9] J Zhu，J Xie，Z Zhang，et al．Microstructure and Obdurability Improvement Mechanisms of the La‐Microalloyed H13 Steel［J］．Steel research international，2018，89（12）：1800044．

[10] J Zhu，G Lin，Z Zhang，et al．The martensitic crystallography and strengthening mechanisms of ultra-high strength rare earth H13 steel［J］．Materials Science Engineering：A，2020，797（140139）．

[11] H Zhao，Y Gu，X Zhang，et al．Synergistic addition of Cu and Ce enhanced sulfate reducing bacteria-assisted corrosion cracking resistance of 2205 duplex stainless steel［J］．Journal of Materials Science & Technology，2024（196）：1-11.

[12] T Zhang，L Hao，Z Jiang，et al．Investigation of rare earth （RE） on improving the corrosion resistance of Zr-Ti deoxidized low alloy steel in the simulated tropic marine atmospheric environment［J］．Corrosion Science，2023（221）：111335.

[13] X Zhang，Z Teng．Corrosion resistances of metallic materials in environments containing chloride ions：A review［J］．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2022，32（2）：377-410.

[14] S V Yadla，V Sridevi，M Lakshmi，et al．A review on corrosion of metals and protection［J］．International Journal of Engineering Science & Advanced Technology，2012，2（3）：637-644.

[15] W Wei，K Wu，X Zhang，et al．In-situ characterization of initial marine corrosion induced by rare-earth elements modified inclusions in Zr-Ti deoxidized low-alloy steels［J］．Journal of Materials Research and Technology，2020，9（2）：1412-1424.

[16] Y Wu，R Dong，Z Mu，et al．Effect of the Rare Earth Element Cerium on the Corrosion Resistance of Steel for an Offshore Platform in a Simulated Marine Atmospheric Environmen［J］．Materials，2025，18（11）：2443．

[17] J Chen，R Dong，Y Lei，et al．Effect of Trace Rare Earth Elements （CE） on the Corrosion Resistance of High-Strength Weathering Bridge Steels［C］．Metals，2025，15（1）：85.

[18] T Li，Y LIU，C Zheng，et al．Effect of rare earth elements on marine atmospheric corrosion behavior of ultrahigh-strength steel［J］．Surface and Technology，2016，45（3）：8-43．

[19] 樊轩宇，于彦冲，郑安民，等．Ce对于20MnTiB冷镦钢夹杂物和力学性能的影响［J］．北科大：工程科学学报，2024，46（11）：1989-1999．

[20] S Zhang，J Liu，M Tang，et al．Role of rare earth elements on the improvement of corrosion resistance of micro-alloyed steels in 3.5 wt.% NaCl solution［J］．Journal of Materials Research and Technology，2021，（11）：519-534.

[21] C Liu，R I Revilla，Z Liu，et al．Effect of inclusions modified by rare earth elements （Ce，La） on localized marine corrosion in Q460NH weathering steel［J］．Corrosion science，2017，（129）：82-90.

[22] T Zhang，L Hao，Z Jiang，et al．Investigation of rare earth （RE） on improving the corrosion resistance of Zr-Ti deoxidized low alloy steel in the simulated tropic marine atmospheric environment［J］．Corrosion Science，2023，（221）：111335.

[23] Y Peng，Anthony E Hughes，James I Mardel，et al．Dual function of rare earth carboxylate compounds on the barrier properties and active corrosion inhibition of epoxy coatings on mild steel［J］．Progress in Organic Coatings，2023，（185）：107870.

[24] Xiaoyu Z，Ruifeng D，Bo G，et al．Effect of trace rare earth elements （Ce） on corrosion resistance of high strength steel used for offshore platform［J］．Materials Research Express，2023，10（3）：036514.

[25] W Chang，Z Wu，J Gao，et al．Improving corrosion and microbial corrosion resistance of CoCrFeNi high entropy alloy in marine environment by trace amount of Ce addition［J］．Materials & Design，2025：114081.

[26] W Gong，B Yang，H Chen，et al．Effects of Ce-La rare earth microalloying on the microstructure and corrosion characteristics of Q420 high-strength steel［J］．International Journal of Electrochemical Science，2023，（18）：100242.