科学技术日新月异,下游制造业对钢品质要求越发严苛,研发高强韧性、高耐腐蚀性钢种将是未来钢铁材料发展的重要方向。微量稀土的添加便可大幅度提升钢材的综合性能,当前的研究以实验研究为主,理论研究较少,尤其缺乏微观尺度上的认识,致使稀土的作用本质及内在机理不明确,缺少理论指导是发展稀土在钢中广泛应用的最大瓶颈。本文采用理论计算结合实验研究的研究方法探索稀土Ce在钢中作用的微观机理,以Ce在钢中的不同赋存状态,固溶Ce及Ce夹杂物两个维度对钢力学性能及耐腐蚀性能展开研究。主要研究内容及结论如下:基于密度泛函理论采用第一性原理计算以能量为视角研究了Ce原子在α-Fe中的占位以及钢中常见元素对Ce固溶的影响,计算并分析其力学性能及电子结构。结果表明,Ce能够取代Fe原子占位于α-Fe超晶胞中,不能够以间隙固溶的形式存在于基体中。体系中Ce原子失去电子,致使Ce原子半径减小,产生极化效应,这有利于Ce在Fe中的固溶。Cu、Mg、C的掺杂不利于Ce在Fe中的固溶,Cr、Mn、Ni对Ce的固溶影响较小,Si、Al、Ti、V、Co、W、Mo、Nb对Ce的固溶起到促进作用,且Si最强Nb最弱。O、S、N与Ce之间的相互吸引力较强,而Mg、C与Ce则表现为相互排斥。Ce的掺杂降低了Fe-Ce掺杂体系的不可压缩性、抗剪切应变的能力、刚度以及维氏硬度,但提高了体系的韧性以及可加工性。Ce掺杂导致体系金属键强度降低,这是体系不可压缩性、刚性和硬度降低的主要原因;另外,Ce增加了体系中电子云的密度,这有利于掺杂体系韧性的提高。以Ce处理后的洁净钢（IF钢）为研究对象,计算Ce夹杂物的晶格参数、弹性常数、力学性质以及热膨胀系数等基本物理参数,定量分析夹杂物的物理性质对钢基体力学性能的影响。形成焓计算结果表明,钢中优先并稳定存在的夹杂物为Ce2O3、Ce2O2S、CeAlO3,这与热力学分析结果相一致。经能谱分析及形成焓计算证实,Ce能够固溶于Ti N夹杂物中,固溶Ce并未改变原Ti N夹杂物的形貌及尺寸,但降低了Ti N夹杂物的刚性、不可压缩性以及硬度,同时改善了韧性、增大了热膨胀系数。Ti N、Al2O3和CeAlO3夹杂物的体积模量、剪切模量、杨氏模量以及维氏硬度较大,呈现出较大的刚性和硬度,表现为脆性特征,而Ce2O3和Ce2O2S夹杂物表现为韧性特征。与Al2O3和Ti N相比,Ce2O3、CeAlO3夹杂的热膨胀系数与铁基体接近,而Ce2O2S夹杂物的热膨胀系数比铁基体稍大。Ce夹杂物与基体在不可压缩性、刚性、硬度、韧脆性及热膨胀性等方面的差异较小,钢基体塑性变形的一致性得到提升,有利于延缓微孔洞微裂纹的萌生,有助于钢材力学性能的提高。基于第一性原理计算框架构建Fe-Ce掺杂体系表面模型、阳极溶解和阴极吸氧反应等相关电化学腐蚀模型,探究Ce在腐蚀介质环境下对钢耐蚀性影响的内在机制。研究结果显示,次表层Ce提高了Fe（100）1的功函数、降低了Fe（100）1的表面能量密度,使得基体平衡绝对电位升高,增强Fe（100）1电化学稳定性的同时降低了Fe基体的阳极溶解速率,进而提高了Fe基体的耐蚀性。当Cl覆盖度从1/3 ML逐渐增大至1 ML时,Fe（100）-Cesurf体系第一层与内层Fe原子之间的结合能力逐渐增强,固溶在第一表层的Ce原子有效阻碍了表面Fe原子远离Fe基体,增大腐蚀阻力,延缓腐蚀的发生;当表面吸附1 ML的Cl时,Fe（100）-Cesub体系结合能力较强,说明在高浓度Cl环境下,次表层的Ce原子有效的增大了Fe原子脱离基体的难度。利用扫描开尔文探针力显微镜、导电性原子力显微镜以及第一性原理计算对夹杂物的表面电势、电流分布等微区电化学信息及功函数等进行监测与分析,探讨Ce夹杂物在海洋环境下诱发点蚀的内在机制。实验结果显示,Ce2O3夹杂物的表面电势较Fe基体高,Ce2O2S、CeAlO3夹杂物的表面电势较Fe基体低,但Ce2O3、Ce2O2S、CeAlO3均为绝缘体,且Ce2O3、Ce2O2S、CeAlO3夹杂物周围附近Fe基体并未形成明显的晶格畸变区,因此,Ce夹杂物与Fe基体之间不构成电偶腐蚀。夹杂物与Fe基体功函数从小到大的顺序为:Ce2O2S<Ce2O3<CeAlO3<Fe基体<Al2O3,该顺序与浸泡实验中夹杂物和Fe基体的溶解顺序相吻合。Ce2O3、Ce2O2S、CeAlO3夹杂物自身溶解且优先于Fe基体溶解,这是诱发腐蚀萌生的主要原因。