Cu 對(duì)輕質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的影響

王程昊,任喜強(qiáng),齊艷飛,李運(yùn)剛

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，節(jié)能低碳理念已經(jīng)深入人心，而汽車在給人們生活帶來便利的同時(shí)，對(duì)大氣的污染和能源消耗問題卻日益凸顯，給人們的生活帶來不利的影響。在節(jié)能低碳綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)下，降低汽車的排量已成為研究者們廣泛關(guān)注的問題，有研究［1］表明，汽車重量降低與降低油耗呈線性關(guān)系，汽車重量減少十分之一，油耗就能減少8%左右。而汽車的70%都是鋼鐵材料，因此制造時(shí)大多以低重量高性能為目標(biāo)，以降低能耗及減少溫室氣體排放。為了在確保各項(xiàng)安全性能達(dá)標(biāo)的前提條件，達(dá)到節(jié)能減排的目的，對(duì)車身鋼板的改良減重就成為了當(dāng)前的主要研究方向。目前，對(duì)汽車用鋼的減重主要通過兩種途徑。第一，可以改用輕質(zhì)的原材料合金（如鎂合金、鋁合金等），這些合金雖然有良好的減重能力，但是在成型、加工、焊接等方面的限制，導(dǎo)致成本高、生產(chǎn)效率不足的問題，以至于在汽車行業(yè)中不能夠大量廣泛的應(yīng)用；第二，使用高強(qiáng)度韌性的鋼鐵來替換原有的材料，在不降低性能的同時(shí)，減少鋼材的用量，來達(dá)到降低重量的目的。有數(shù)據(jù)［2-4］顯示，當(dāng)鋼板的厚度減少0.05、0.10、0.15 mm時(shí)，車重分別會(huì)降低6%、12%和18%，然而薄鋼板的抗壓性能、剛度和抗凹陷性受到鋼材強(qiáng)度的限制，使板材的厚度不能太低。許多學(xué)者不斷的研究各種加工條件和合金元素的鋼，希望能夠以更薄的鋼板來滿足汽車安全性能的需求。近些年，部分研究者在輕質(zhì)鋼中添加合金元素銅時(shí)，可以達(dá)到不錯(cuò)的效果。

自從上世紀(jì)60 年代，銅在鋼中的析出和沉淀被發(fā)現(xiàn)之后，就一直備受鋼鐵界的關(guān)注。銅是一種導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力都很不錯(cuò)的金屬，具有非常好的耐腐蝕性和抗菌性，特別是在大氣和淡水中有很好的體現(xiàn)。而作為一種面心立方的晶體，銅的塑性也是很好的，易于加工成型。通過不斷地研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者先后開發(fā)了耐候鋼、抗菌不銹鋼等優(yōu)良的銅合金化鋼［5］，研究了銅對(duì)鋼的抗菌性、強(qiáng)度、韌性、焊接性等性能的影響。例如：美國(guó)市場(chǎng)規(guī)?；鍪鄣暮~耐候鋼，自1916 年開始試驗(yàn)到1993 年申請(qǐng)專利，就是利用了銅元素在鋼中的耐腐蝕性［6］，之后1996 年又在此基礎(chǔ)上，利用銅的抗菌性能，研制出效果顯著的抗菌不銹鋼；國(guó)內(nèi)的科學(xué)家在改良抗菌不銹鋼的研究過程中，解決了加工問題，使得抗菌不銹鋼在保持抗菌性能不變的條件下，有了良好的加工性［7-8］。

銅作為合金元素加入鋼鐵中時(shí)，能有效地增強(qiáng)合金鋼的力學(xué)性能。最近幾年隨著輕質(zhì)鋼研究的深入，研究者們對(duì)輕質(zhì)鋼中加入銅合金的探究也開始增多，逐漸清楚了銅元素對(duì)鋼強(qiáng)韌性的影響。本文總結(jié)了輕質(zhì)鋼中加入銅元素的研究進(jìn)展，并從鋼的細(xì)晶、固溶、析出相等幾個(gè)強(qiáng)化機(jī)制闡述了銅對(duì)鋼強(qiáng)韌性的影響，最后對(duì)銅在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用和研究方向做出展望，為后續(xù)研究提供參考。

1 含銅輕質(zhì)鋼

輕質(zhì)鋼的產(chǎn)生與汽車用鋼的發(fā)展歷程息息相關(guān)，為了滿足汽車安全舒適、節(jié)能環(huán)保的要求，汽車用鋼經(jīng)歷幾代的發(fā)展歷程。第一代，主要是傳統(tǒng)雙相鋼、復(fù)相鋼等為代表；第二代，是在高強(qiáng)鋼中添加較多的Ni、Mn 等合金元素，穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)；第三代，高強(qiáng)汽車用鋼主要是介于第一和第二代之間，減少合金使用，減低成本的同時(shí)滿足汽車用鋼的要求，并強(qiáng)于第一代汽車用鋼的強(qiáng)度和韌性［9］。

所謂低密度鋼（low density steel）是向鋼中加入Al、C、Si 等輕量化元素而使合金密度降低，也稱為輕質(zhì)合金鋼（light weight alloy）。輕質(zhì)鋼最初是在20 世紀(jì)50—60 年代開發(fā)出來的，由于Mn 和Al 對(duì)鋼的力學(xué)性能和抗氧化性有重要影響，同時(shí)用Mn 和Al 代替昂貴的Cr-Ni，這不僅降低了成本也減小了密度，因此作為Fe-Cr-Ni-C 不銹鋼潛在的廉價(jià)替代品。80—90 年代，為了尋求成本更低的Cr、Ni 不銹鋼替代品，各國(guó)大量研究Fe-Al 基材料［10-14］，直到2000 年德國(guó)G. Frommeyer 等［15-18］系統(tǒng)研究了Fe-Mn-Al-C 系低密度鋼的微觀組織及力學(xué)性能，表明這種鋼的性能足夠用 去于汽車制造，在汽車工業(yè)中收到了廣泛關(guān)注，成為潛力較大的新一代汽車用鋼。

輕質(zhì)合金鋼因合金元素組成和加工工藝的不同而呈現(xiàn)出不同的組織形態(tài)，除了奧氏體、鐵素體基相外，還有一些碳化物析出相。其中，銅的添加可以產(chǎn)生大量富銅顆粒，富Cu 顆粒在鋼中的析出可以促進(jìn)k-碳化物的析出，經(jīng)過合理的熱處理工藝處理可以在晶粒中共析出細(xì)小的富Cu 顆粒和細(xì)小的k-碳化物顆粒，從而提高了輕鋼的綜合性能。表1 為幾種輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度［19］。總體來說，輕質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性不止由基體決定，還和其他析出物有關(guān)，二者相互作用共同影響鋼的性能。

表1 幾種含銅輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Strength parameters of several copper-containing lightweight steels

2 銅在輕質(zhì)鋼中的固溶與細(xì)晶強(qiáng)化

固溶強(qiáng)化是輕質(zhì)鋼的重要強(qiáng)化手段，輕質(zhì)鋼由復(fù)雜元素組成，其中細(xì)小的基體元素C 原子能夠進(jìn)入γ-Fe 中而形成大量的間隙固溶體，間隙固溶體使晶格發(fā)生畸變，以此強(qiáng)化輕質(zhì)鋼的硬度。但銅和鐵的原子半徑相近，不能形成間隙固溶體，當(dāng)鐵加熱變成面心立方的鐵素體時(shí)能跟銅原子發(fā)生置換而形成置換固溶體，并且不生成碳化物，由于置換后的銅原子與原本的鐵原子體積不相同，使得晶格產(chǎn)生了畸變，輕質(zhì)鋼的硬度和強(qiáng)度得到提升［20］。同時(shí)，銅與γ-Fe 在鋼中形成的置換固溶體延遲了再結(jié)晶發(fā)生，導(dǎo)致A4（奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷罔F素體的開始線）線的溫度上升、A3（鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線）線的溫度下降，擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)細(xì)化了晶粒，能夠有效優(yōu)化輕質(zhì)鋼的塑性。S.Hyejin［21］在研究中錳雙相輕質(zhì)鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定的退火溫度下，作為奧氏體穩(wěn)定劑的銅原子不僅提高了奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，而且由于溶質(zhì)阻力效應(yīng)延遲了再結(jié)晶。此外，銅的加入促進(jìn)了富銅B2 相顆粒和銅偏析界面層的形成，但由于銅在鐵中的溶解度極低，850 ℃時(shí)僅有2.1%，并且隨著溫度的降低溶解度也會(huì)快速，當(dāng)含量超過溶解度便會(huì)有沉淀析出而形成沉淀強(qiáng)化。

細(xì)晶強(qiáng)化在輕質(zhì)鋼強(qiáng)化中起著重要作用，其既能夠增強(qiáng)金屬的韌性，又能提高強(qiáng)度。合金鋼大多為多晶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部排列分布著大量晶界，當(dāng)晶界處原子原本正常的排列順序被擾亂時(shí)，偏聚形成團(tuán)簇，其他夾雜物或者第二相的析出就會(huì)在晶界處產(chǎn)生較多的缺陷，產(chǎn)生一定的晶界能，在室溫條件下晶格的缺陷能夠阻礙金屬的塑性變形。在滑移系中，臨界分切應(yīng)力是個(gè)很重要的屬性值，只有滑移系中受到的分切應(yīng)力達(dá)到這個(gè)數(shù)值時(shí)滑移才能進(jìn)行，而位錯(cuò)通常不能穿過晶界滑移到相鄰的晶粒中，有的可能沒有達(dá)到晶界處就會(huì)停止，于是在晶界位置容易產(chǎn)生位錯(cuò)的平面塞積群，只有當(dāng)塞積群形成一定的數(shù)量，并且在這個(gè)位置有足夠的應(yīng)力，當(dāng)與外界的應(yīng)力相疊加達(dá)到分切應(yīng)力的臨界值時(shí)才能使位錯(cuò)穿過晶界，傳遞到相鄰的晶粒中去［22］。另外，晶粒和晶粒存在的位向差使得晶粒在滑移的過程中是多向的，相鄰的晶粒需要協(xié)調(diào)變形，多滑移導(dǎo)致位錯(cuò)的交割，使得合金的強(qiáng)度大幅度的提高。R.Rana［23］在利用銅沉淀方法制備高強(qiáng)度鋼，在計(jì)算了銅含量不同的條件下鐵素體的大小之后，得出銅的增加可以使鐵素體晶粒尺寸減小，晶粒得到細(xì)化，材料的強(qiáng)度和韌性得到提高。鄭愛琴［24］在研究中發(fā)現(xiàn)（見圖1）：低合金耐磨鋼在不添加銅的情況下，其中馬氏體大多是寬度較大的晶粒約1—2 μm，而在添加銅元素后晶粒會(huì)變得更密集細(xì)小，晶粒寬度小于200 nm；比較添加銅合金元素前后低合金鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)，屈服強(qiáng)度為1 294 MPa 比添加之前會(huì)增強(qiáng)70 MPa，而抗拉強(qiáng)度1 524 MPa 會(huì)比未添加之前增強(qiáng)33 MPa，這其中固溶強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化起到了重要作用。輕質(zhì)鋼為多晶體合金，其內(nèi)部晶粒復(fù)雜，在添加一定量銅元素后晶粒尺寸會(huì)減小細(xì)化、晶界的數(shù)量增加，擾亂了原本晶界位置的原子排列，使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)難以發(fā)生而不易產(chǎn)生形變，鋼的強(qiáng)度明顯增大。S.Hyejin［25］在研究中錳雙相輕質(zhì)鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定的退火溫度下，作為奧氏體穩(wěn)定劑的銅不僅提高了奧氏體體積分?jǐn)?shù)，而且由于溶質(zhì)阻力效應(yīng)而延遲了再結(jié)晶。細(xì)化奧氏體晶粒，從而提高了輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度和硬度，并且伸長(zhǎng)率并未大幅變下降。

圖1 Fe-28Mn-9Al-0.8C-xCu 亞快速凝固薄板金相組織Figure 1 Metallographic structures of Fe-28Mn-9Al-0.8C-xCu near rapid solidification sheet

3 銅在輕質(zhì)鋼中的析出強(qiáng)化

銅在鐵中的溶解度極低，在合金鋼中的銅元素超過一定含量后便會(huì)以沉淀（ε-Cu 相）的形式析出，該相會(huì)造成沉淀強(qiáng)化，增強(qiáng)合金鋼的力學(xué)性能。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到析出相的阻礙，只能以切過或者繞過的形式通過析出相，位錯(cuò)與析出相的相互作用增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)度。另外，奧氏體和雙相輕質(zhì)鋼C和Al 元素含量很高，會(huì)有大量的納米級(jí)均勻分布的k-碳化物析出，在合金的變形過程中其會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，使輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度增強(qiáng)。而Cu元素的加入，對(duì)k-碳化物的析出可以起到促進(jìn)析出的作用，可有效地提高輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度。

時(shí)效強(qiáng)化是輕質(zhì)鋼最為重要的強(qiáng)化手段，不僅可以細(xì)化晶粒使組織均勻，還可以促進(jìn)析出物的析出。納米級(jí)的富銅析出相，由于無法在光學(xué)顯微鏡下直接檢測(cè)，在經(jīng)過時(shí)效處理后，晶體邊界處累積的能量為析出相的長(zhǎng)大創(chuàng)造了條件，首先析出相會(huì)在晶界處形核長(zhǎng)大，隨著時(shí)效的進(jìn)行會(huì)慢慢的擴(kuò)散到晶粒內(nèi)部。安治國(guó)等［26］在研究高純低碳鋼（添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.18%左右的銅）時(shí)，對(duì)該材料進(jìn)行850 ℃時(shí)效處理并發(fā)現(xiàn)：大概在時(shí)效1 000 s 左右會(huì)得到最好的強(qiáng)化效果，而隨著時(shí)效的繼續(xù)進(jìn)行富銅析出物先在鐵素體晶界處產(chǎn)生，隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，晶粒內(nèi)部也開始出現(xiàn)富銅析出相，使得高純低碳鋼得到強(qiáng)化；但在過時(shí)效階段，隨著析出物不斷地長(zhǎng)大粗化，高純低碳鋼強(qiáng)度又有下降趨勢(shì)。李桓武等［27］在研究奧氏體鋼過程中發(fā)現(xiàn)，銅元素添加量為2.8%左右時(shí)，在奧氏體晶界處發(fā)現(xiàn)富銅相的析出，隨著時(shí)效的延長(zhǎng)富銅相不斷增大，并且慢慢在晶體內(nèi)部析出，形貌也由起初的晶粒狀長(zhǎng)大成棒狀。S.Hyejin 等［28-29］在研究鐵素體鋼時(shí)也發(fā)現(xiàn)，富銅顆粒首先在鐵素體邊界處析出，其分散而細(xì)小并具有bcc結(jié)構(gòu)，其中Fe 和Cu 含量均為50%，而隨著時(shí)效時(shí)間延析出相轉(zhuǎn)變?yōu)榇旨冦~相，變成fcc 結(jié)構(gòu)且尺寸逐漸增大。銅不僅自身能形成沉淀直接強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能，還能通過影響鋼中的其他析出物的析出而影響鋼的強(qiáng)度，比如與k-碳化物的相互作用，或者是抑制其中β-Mn 類不利于強(qiáng)韌性顆粒的析出。圖2 為富Cu 析出物B2 顆粒的TEM 圖及能譜圖［21］。

圖2 富Cu 析出物B2 顆粒的TEM 圖及能譜圖［21］Figure 2 TEM image and of energy spectrum Cu-rich precipitates with B2 particles

k-碳化物晶體結(jié)構(gòu)中，通常是（Fe，Mn）3AlCx，其中Al 在8 個(gè)1/8 角位，F(xiàn)e 和Mn 在面心的位置，C原子在體心的間隙位，由于C 原子析出相比較細(xì)小，目前尚未測(cè)明具體含量，常用Fe3AlCx來表示。J. B. Seol［30］等通過TEM 和原子探針探究了Fe-3Mn-5.5Al-0.3C 合金中k 相形成的過程，揭示了k相成分隨著部分合金元素變換而變化的規(guī)律，即在不同的合金元素和不同的溫度條件下k-碳化物存在晶內(nèi)k′-碳化物和晶間k″-碳化物2 種不同的形態(tài)，晶內(nèi)k′-碳化物是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，而k″-碳化物會(huì)隨著時(shí)效延長(zhǎng)而在晶界出析出粗大的晶粒。500—700 ℃時(shí)效時(shí)，k 相會(huì)在奧氏體相中析出細(xì)小均勻的顆粒，彌散分布在奧氏體內(nèi)，顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度增強(qiáng)鋼的硬度；而700—800 ℃時(shí)效時(shí)，晶界處的k″碳化物會(huì)長(zhǎng)成粗大的晶粒，隨著溫度的升高，k-碳化物的析出數(shù)量也會(huì)增加；k″-碳化物和β-Mn 都是一些不利用輕質(zhì)鋼韌性的顆粒，在進(jìn)行熱處理的過程中要控制加熱的溫度和加熱時(shí)間，來使k″-碳化物和β-Mn 能盡可能少量的析出，盡量減少對(duì)強(qiáng)韌性的不良影響。楊磊［7］在研究Fe-28Mn-9Al-0.8C 奧氏體基輕質(zhì)鋼發(fā)現(xiàn)：經(jīng)600 ℃×3 h 熱處理后，會(huì)有晶間k″-碳化物析出，導(dǎo)致鋼的塑性比500 ℃處理時(shí)有所下降；在輕質(zhì)鋼中添加3% Cu 元素時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的富Cu 顆粒，從而抑制了晶間k″-碳化物的析出，其屈服強(qiáng)度和塑性要明顯高于不含銅的薄板，并且富Cu顆粒有助于促進(jìn)晶內(nèi)k′-碳化物的析出，可有效提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并且保持良好的塑性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合輕質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)制與銅的相關(guān)作用，綜合上述的探究。因此，可以發(fā)現(xiàn)銅對(duì)輕質(zhì)鋼強(qiáng)韌性的強(qiáng)化主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面：（1）在輕質(zhì)鋼中加入Cu作為奧氏體穩(wěn)定劑，增加了鋼中奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)，可以提高抗疲勞性能，Cu 作為奧氏體穩(wěn)定的合金元素，能通過控制奧氏體的層錯(cuò)能和穩(wěn)定性來改善鋼的拉伸性能；（2）加銅之后，輕質(zhì)鋼中析出的富銅顆粒可以提高耐腐蝕性能，而由于溶質(zhì)阻力效應(yīng)可以延遲再結(jié)晶，通過控制熱處理?xiàng)l件可以做到細(xì)化晶粒，改善輕質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度的效果；（3）富銅顆粒的析出可以促進(jìn)k-碳化物的析出，而納米級(jí)富銅顆粒和k-碳化物的共同沉底作用，能有效的增強(qiáng)輕質(zhì)鋼的屈服強(qiáng)度，改善力學(xué)性能。

目前，含銅輕質(zhì)鋼在冶煉加工過程中，仍然存在著工藝問題，制約著工業(yè)生產(chǎn)。銅的熱脆性會(huì)讓含銅輕質(zhì)鋼在軋制時(shí)，邊緣容易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。加工時(shí)的加熱溫度和加熱時(shí)間的不同會(huì)有很大的差別，加工工藝條件的探究還在繼續(xù)，期望來其達(dá)到既能節(jié)約生產(chǎn)成本，又不浪費(fèi)銅資源的目的。同時(shí)，含銅輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度和韌性也還有很大的增強(qiáng)的空間，在未來富銅顆粒與k-硬質(zhì)合金顆粒的共沉淀關(guān)系（沉淀順序、相互依賴、相互作用等）及共沉淀機(jī)理是主要的研究方向，對(duì)加速輕量化汽車行業(yè)的發(fā)展，在綠色環(huán)保的道路上繼續(xù)前進(jìn)具有重要意義。