Cr元素摻雜對FeCMnAl系輕質鋼的影響研究進展

葛美伶 張歡 司天宇 程洪 何忠平

收稿日期：2022-11-16

作者簡介：葛美伶（1996—），女，碩士，從事FeCMnAl系高強合金的設計研究.Email：gemeiling0402@163.com

通信作者：何忠平（1986—），男，博士，副研究員，從事材料熱力學、動力學及材料高速沖擊拉伸性能等相關研究.Email：287785036@qq.com

摘要：FeCMnAl系輕質鋼具有良好的耐腐蝕性、低密度和優(yōu)異的綜合力學性能，在鋼中添加合金元素會顯著影響相變熱力學與動力學，進一步影響并決定組織形貌的演化過程.添加Cr元素會對FeCMnAl系輕質鋼微觀組織產生顯著作用，重點對添加不同含量的Cr元素后，對κ碳化物、βMn和DO3等相生長、晶粒尺寸變化及晶界角度的改變，促進Al2O3及含Cr氧化物的生成，以及提高FeCMnAl系輕質鋼抗拉強度、耐腐蝕性和抗氧化性等性能的情況進行分析.并歸納總結了Cr元素的加入及不同含量的Cr元素給FeCMnAl系輕質鋼帶來的優(yōu)勢，同時對當前的發(fā)展趨勢進行展望.

關鍵詞：FeCMnAl系輕質鋼；Cr元素；微觀組織；力學性能

中圖分類號：TG142

文獻標志碼：A

0引言

FeCMnAl系輕質鋼已成為汽車用鋼的研究熱點之一，元素的添加可以對FeCMnAl系鋼材性能缺陷進行彌補和優(yōu)化.如添加Mn元素可研究中錳鋼和高錳鋼力學性能的變化，達到目標所需要的運用強度；添加Al元素可對FeCMnAl系鋼材的質量進行輕量化，改善CO2的排放量［1-2］.大多數關于FeCMnAl系輕質鋼的研究僅限于Al元素濃度在5%～10%［3］之間，因為含有超高Al元素含量的FeCMnAl系輕質鋼的拉伸性能由于相的改變而急劇惡化［4］.根據研究可知［5］，在相同的含量下，合金對密度的影響程度關系依次為C＞Al＞Si＞Mn＞Cr，雖然C元素影響作用最大，但在添加少量C元素后，繼續(xù)添加將無明顯改善.目前大量研究都將優(yōu)先考慮Al元素，但若Al元素含量配比過多，在改善性能的同時會降低FeCMnAl系輕質鋼的力學性能，因此，可選擇加入Cr元素，通過調整Cr元素的含量對目前所出現的問題進行改善.

加入不同的合金元素對FeCMnAl系輕質鋼的性能有多樣化的改變，而加入Cr元素，最主要是改善加入Al和Mn元素后存在的性能缺陷，通過加入不同含量的Cr元素進一步改變微觀結構，產生對應析出物從而達到鋼材性能轉變的目的.

本文綜述了不同Cr元素含量對FeCMnAl系輕質鋼析出物、力學性能、腐蝕性能及抗氧化性等方面的影響，并對FeCMnAl系輕質鋼中Cr元素的添加發(fā)展趨勢進行了展望，以期為FeCMnAl系輕質鋼的進一步研究提供參考.

1對析出相的影響

1.1對κ碳化物析出及形態(tài)的影響

作為奧氏體基低密度鋼中最重要的強化相之一，κ碳化物沉淀物（體積分數為5%～35%）已被證明具有在金屬與金屬之間加強的潛力［6-7］.Mapelli等［8］通過第一性原理計算證實，Cr元素的加入增加了彈性應變能及κ碳化物和γ奧氏體之間的界面能，導致κ碳化物的成核能壘增加.κ碳化物在時效硬化的Fe9Al30Mn0.9C合金中具有顯著強化作用，但κ碳化物沉淀在早期對屈服強度影響不大，在生長后期粗κ碳化物過多，顯著降低了加工硬化能力，導致極限抗拉強度顯著下降［9］.由于κ碳化物的成分占比增加及尺寸粗化，平面滑移軟化現象更加顯著，且變形時應變硬化率下降，塑性加速失穩(wěn).對于κ碳化物的析出應避開在晶界處出現粗大及片層狀形態(tài)的晶粒［10］.目前，科研人員將重點放在控制κ碳化物的析出以改善FeCMnAl系輕質鋼的力學特性方面.

Cr元素是一種強碳化物形成元素，同時也是鐵素體穩(wěn)定劑.其與C原子之間的吸引作用會延緩C元素在γ奧氏體中的擴散［11］.而對于κ碳化物的研究發(fā)現［12］，在接近快速凝固的樣品中，κ碳化物的體積分數隨著Cr元素含量的增加而減少.由于Cr元素的加入擴大了Al和C元素在FeCMnAl系輕質鋼中的固體溶解度，降低了κ碳化物形成的驅動力［13］.同時，也顯著減緩了κ碳化物在等溫老化處理過程中的生長速度.κ碳化物的沉淀可以有效地提高FeCMnAl系輕質鋼的強度，而粗化的κ碳化物的形成將導致塑性的顯著降低［14］.因此，通過不同含量的Cr元素對κ碳化物形成及生長的特殊作用來提高其性能，對改善FeCMnAl系輕質鋼的綜合性能具有重要作用.

Zhang等［15］也曾報道過Cr元素的添加減少了輕質鋼內部組織κ碳化物的析出.Wang等［16］研究發(fā)現，FeCMnAl系輕質鋼中加入Cr元素，Cr元素會先于Al與C元素發(fā)生反應結合，導致內部微觀組織發(fā)生改變，如減少κ碳化物的生成.Moon等［17］發(fā)現，Cr元素的加入使κ碳化物的形成能量變得不利.主要的原因是κ碳化物結構中的Cr原子雜質增加了界面能和彈性應變能.κ碳化物的形成能量變得不利表明，加入Cr元素后κ碳化物的沉淀形成是受到抑制作用的.如圖1所示，從不同Cr元素含量的Fe19Mn12Al1.5C掃描電子顯微鏡（SEM）圖可看出，0%～2%Cr元素中晶粒間的粗κ碳化物粒度（藍色箭頭表示）逐步減小，晶粒內部的納米級κ碳化物分散在γ基質中，但分數相比0%Cr元素合金大大減少；5%Cr元素合金具有相當均勻的微觀結構，其含納米級κ碳化物的γ基質為主要相，粗κ碳化物幾乎消失且具有明顯的晶粒增長；當Cr元素的加入量超過5%時，碳化物Cr7C3（紅色箭頭表示）開始形成，有序相DO3（黃色箭頭表示）相分數增加，其材料的相關性能也明顯降低.在以后的研究中，應重點放在Cr元素微量含量至過量這個階段，細分為多個數值對κ碳化物的形成及生長做系統性的研究.

1.2對B2和DO3等相析出的影響

不同含量的Cr元素對FeCMnAl系輕質鋼微觀組織內部不同相的析出有顯著影響.這些相的形成需要在一定條件下進行，如βMn、DO3 及B2有序相等，在不同Cr元素含量情況下出現明顯的析出區(qū)別.研究表明［19］，增加Cr元素的添加量會擴大FeCMnAl合金中的DO3相區(qū)及其他相區(qū)，以及在此基礎上經過長時間的等溫熱處理后會產生βMn等析出相；添加Cr元素在合適溫度范圍處理中可促進B2有序相的形成，且在FeCMnAl合金中Cr元素含量的增加會促進基相和沉淀區(qū)的形成［20］.Chen等［21］研究表明，當Cr元素含量從3.0%增加到70%時，Fe9Al30Mn0.6CxCr系輕質鋼微觀組織會發(fā)生B2→B2＋DO3→DO3相的一個轉變過程.如圖2所示，Kim等［22］研究Cr元素在0%～5.5%范圍內對Fe20Mn12Al1.5CxCr系輕質鋼微觀組織的改變，其中不含Cr元素的微觀組織中增加了κ碳化物的存在或析出部分DO3相，隨著Cr元素含量增加到5%時，粗大的κ碳化物逐漸消失并形成細小的κ碳化物，DO3相也隨之形成并增加；Cr元素含量超過5%時，整個奧氏體基體中粗顆粒比例增加的同時，DO3和碳化物Cr7C3等不同相相繼析出.由此可見，在添加少量含量的范圍中，5%Cr元素含量是作為相組成突變的一個轉變臨界值.對于二次相的生成可在這個范圍附近進行反復探究，以此研究相的變化對FeCMnAl系輕質鋼性能的影響.

2對力學性能的影響

對于FeCMnAl系輕質鋼來說，在降低密度與減輕質量的同時，也要保證材料的強度與塑性處于一個相對優(yōu)異且穩(wěn)定的狀態(tài).以確保在室溫下，FeCMnAl系輕質鋼有較良好的機械性能.FeCMnAl系輕質鋼的力學性能隨晶粒尺寸的變化而變化.眾所周知，多晶材料的強度可通過晶粒細化而增加.Cr元素含量對FeCMnAl系輕質鋼的晶粒尺寸和機械性能有明顯影響.FeCMnAl系輕質鋼機械性能會隨著基體中Cr元素含量的增加，平均晶粒尺寸發(fā)生變化，晶粒內析出物的數量及析出沉淀相會呈現相應的變化，從而屈服強度、極限拉伸強度及延伸率等通過減小晶粒尺寸和增加不同相析出量而得到相應的優(yōu)化和改善.并且Cr元素增加了FeCMnAl鋼的楊氏模量，這可能彌補了Al元素對材料剛度的有害影響.

在一定含量范圍內，Cr元素對材料的抗拉伸性能有正向作用，目前重點研究范圍大多集中在0%～5%以內.研究表明［23］，隨著Cr元素的增加，拉伸強度下降，伸長率提高，在其他元素含量變化不大的前提下，5%Cr元素含量性能較好；當Cr元素含量超過5%時，雖拉伸強度增加，但伸長率會發(fā)生顯著下降，并且同時會出現碳化物M7C3沉淀導致開裂.目前大多數研究表明，在Cr元素含量為5%時，鋼顯微結構內部的組成是最佳狀態(tài)，即奧氏體內部含有細小的κ碳化物和低比例的有序相DO3，均勻的微觀組織顯示出最佳的拉伸性能.由于κ碳化物與奧氏體具有高度的一致性和可剪切的特性，因此伸長率才不會嚴重惡化，出現顯著下降的趨勢.Cr元素含量超過5%后，鋼的性能存在大幅度變化（大多數情況是各方面性能減弱）的情況.在這個含量數值范圍左右也有可能出現優(yōu)異的性能，如Tsay等［24］ 發(fā)現，Fe28Mn9Al1.8C6Cr鋼在6%Cr元素含量時，具有優(yōu)異的抗拉性能，屈服強度為902 MPa，抗拉強度為1 122 MPa，伸長率相對下降.Sutou等［25］對Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C和Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C5Cr鋼拉伸性能的研究發(fā)現，5%Cr元素含量的鋼拉伸性能遠超過無Cr元素的鋼性能，屈服強度為1 040 MPa，拉伸強度為1 223 MPa，伸長率為41%.同時發(fā)現，添加5%含量的Cr元素抑制了Fe20MnxAlyC系輕質鋼中粗κ碳化物的形成，從而提高了塑性.Liu等［26］發(fā)現，在穩(wěn)定硬化階段，應變硬化速率顯著提高，隨著Cr元素含量的增加逐漸增大，在接近10%Cr元素時增加了極限抗拉強度，且導致相界面面積的增加及碳化物Cr23C6等的生成，阻礙位錯的傳播，從而降低其塑性.Cr元素對塑性變形的影響大于Al和Mn元素，相對而言，Cr元素的過量將直接影響FeCMnAl系輕質鋼強度與延展性的損耗與優(yōu)化.

Cr元素的加入在形成碳化物的同時改變奧氏體的穩(wěn)定性.在變形過程中發(fā)生相變，使其加工硬化速度加快，可迅速形成高硬度與穩(wěn)定的硬化層［27-28］.不同含量的Cr元素摻雜會對滑動帶的形成和演變產生作用，進一步影響FeCMnAl系輕質鋼的應變硬化率.Welsch等［29］發(fā)現，Fe30.4Mn8Al1.2C鋼的恒定高應變硬化率歸因于動態(tài)滑移帶的細化，而納米級κ碳化物與位錯之間有著密不可分的關系［7］.納米級κ碳化物充當一個增強相，通過提供能壘來阻礙位錯的滑動.而添加不同含量的Cr元素可調控κ碳化物的形成、增長趨勢和尺寸粗細程度，有助于形成位錯并增加滑移帶的密度，從而提高FeCMnAl系輕質鋼的穩(wěn)定性和塑性等.Wu等［30］發(fā)現，含6%的Cr元素與含0%的Cr元素相比，在FeCMnAl系輕質鋼應變階段滑移帶的平均間距小于0%Cr元素鋼帶的間距，說明6%Cr元素鋼在相同應變下引起的滑移帶密度更高，使位錯滑移相對困難，從而提高含Cr元素鋼帶的應變硬化率.Liu等［31］研究得到，在含有不同含量Cr元素（0%、3%、6%和9%）時，相對于不含Cr元素而言，含有Cr元素時奧氏體中將出現較多的位錯，在9%Cr元素鋼帶中的位錯密度雖然較高，但略低于6%Cr元素鋼帶中的位錯密度.因此，要考慮在合適范圍內，Cr元素的加入可調控多種碳化物阻礙位錯滑移和滑移帶的產生，且可減少κ碳化物在FeCMnAl系輕質鋼帶中的沉淀，促進高應變硬化率的產生.

斷口形貌對于力學性能的深入研究也有著重要意義.對于FeCMnAl系輕質鋼而言，Cr元素的添加對其在不斷循環(huán)的應力下產生的疲勞及斷裂有著相對作用，且Cr元素含量的少量變化對斷裂行為都有顯著影響.Yuan等［32］通過對3種Cr元素含量（1.13%、2.35%和3.95%）的FeCMnAl系輕質鋼斷裂表面的研究表明，當Cr元素含量較低時，斷面大多數為較大的延展性韌窩，隨著含量的增多，出現從延展性韌窩逐漸消失，且數量相對減少，逐漸變?yōu)榫чg斷裂的現象，韌窩的大小逐步變小，且深度變淺.因此，Cr元素的存在及不同含量對FeCMnAl系輕質鋼的斷裂行為存在塑性斷裂與脆性斷裂的轉變現象.Feng等［33］也證實了晶間κ碳化物的形成過程及其在Fe24.8Mn7.3Al1.2C系輕質鋼中傳播裂紋的作用.Cr元素的加入對κ碳化物的形成及尺寸大小的影響，直接對鋼材的斷裂行為及抵抗外力的能力產生嚴重的影響.以上的研究是在小范圍內添加Cr元素得到優(yōu)異的力學性能，但Cr元素的添加也是有限制的，在一定范圍內是呈現直線上升的提升效果，超出某一范圍后，性能會出現大幅度地改變，目前這一范圍在0%～5%及5%附近.

3對化學性能的影響

目前，FeCMnAl系輕質鋼抗氧化、耐腐蝕與耐磨損等一系列相關的問題受到了科研人員的廣泛關注.研究表明，晶界工程可提高低層錯能面心立方金屬性能，并已成功應用于提高奧氏體不銹鋼的晶間耐腐蝕性能和高強度金屬的耐氫脆性能.對于FeCMnAl系輕質鋼而言，其抗腐蝕能力遠不如傳統的不銹鋼，為了提高耐腐蝕性和抗氧化性，以及在高溫下的強度，一些合金元素，如Cr元素被添加到其中，Cr元素對FeCMnAl系輕質鋼高溫抗氧化性與耐腐蝕性都有正向作用.

3.1耐腐蝕性

大多數FeCMnAl系輕質鋼的抗點蝕性能較低［34］，其原因是所形成的Al2O3膜具有不完全保護能力或基體中存在二次相，且奧氏體和納米級的κ碳化物耐腐蝕性很強.因此鐵素體穩(wěn)定劑Cr元素的添加將增強奧氏體耐硬化性，增加耐腐蝕性，可以實現更硬、更強和耐腐蝕合金.在FeCMnAl系輕質鋼中，Cr元素會優(yōu)先與C元素發(fā)生反應結合，促使Al2O3腐蝕過程中增長比提高，進而達到提高耐蝕性的效果.Zhang等［35］認為，腐蝕性能隨著Cr元素含量的增加而增加.在低堆疊斷層能量的基質中，部分容易產生位錯運動，這一觀點也得到了其他學者的證實.添加Cr元素的其他優(yōu)點是可以通過形成保護性的鈍化膜來提高耐腐蝕性，從而解決FeCMnAl系輕質鋼在水環(huán)境中耐腐蝕性不足的問題.因此，想要加強鈍化膜則可通過增加Cr元素的含量來實現，充分的合金化將獲得FeCMnAl系輕質鋼穩(wěn)定的保護性能.Tsay等［24］研究表明，Fe28Mn9Al1.8C中Cr元素含量為6%時，因具有奧氏體和細小的κ碳化物而具有良好的抗腐蝕性能.Jun等［36］得出結論，FeMn系高錳合金中當Cr元素含量為6%時，可以顯著提高耐腐蝕性，但是同時相關機械性能會相對降低.在少量添加的基礎上，可擴大適值范圍（大約為0%～8%）研究Cr元素對FeCMnAl系輕質鋼的顯微組織和鈍化膜性能的影響.Ha等［18］對奧氏體Fe19Mn12Al（0～7.5）Cr系輕質鋼的微觀結構分析表明，在0%～7.5%范圍內Cr元素含量為5%時，出現最佳的均勻微觀結構.同時對富含Cr和Al元素的鈍化膜分析表明，基體中合金化增加了鈍化膜中的Al元素含量，并增加了膜中氧化物與氫氧化物的比例，在所研究的合金中表現出最高的抗點蝕性能.

FeCMnAl系輕質鋼的腐蝕性能也與晶界角度的高低有關，根據相關研究得知，鋼中低角度邊界（2°～10°）的百分比隨著基體中Cr元素含量的增加而增加［32］，從而提高耐腐蝕性.主要原因在于高角度的晶界具有更高的錯位能量，較高的高角度晶界會優(yōu)先被腐蝕，邊界角度的改善會促使耐腐蝕性能的提高，并且較大的晶粒簇可以提高耐腐蝕性.因此，FeCMnAl系輕質鋼可以通過增加Cr元素含量提高低角度邊界的總體占比，從而對耐腐蝕性做進一步改善.綜上所述，從Cr元素含量出發(fā)，對于FeCMnAl系輕質鋼而言，由于Cr元素含量為5%的合金具有最簡單的微觀結構，且二次相的析出量最少，同時在此含量下對合金間的耐點蝕性能最高，因此，被認為具有最佳的耐腐蝕性.但添加5%以上的Cr元素會降低耐點蝕性.所有的二次相（粗κ碳化物、Cr7C3和DO3等）都是點蝕的起始點，由此可見，在Cr元素含量超過5%時析出較多的二次相量，直接降低了點蝕抗性.

3.2抗氧化性

不同Cr元素含量對FeCMnAl系輕質鋼的抗氧化性能有著不同程度的影響，尋找到最佳的Cr元素含量是目前研究的重點.Cr和Al元素都有利于抗氧化性，Cr元素可減少形成保護Al2O3層所需的臨界Al量，減少Al元素過多造成的有害影響，且Cr元素對氧的親和力比Mn、Si和Al元素小，從形成物角度出發(fā)，一般主要形成Cr2O3等氧化物，并且在以往研究中表明，Cr更易在1 000 ℃以下有很好的抗氧化性，但只在高氧分壓下形成Cr2O3.也有研究表明，Cr元素含量超過13%時，會形成黏附和保護性氧化層［37］，但綜合性能就遠不如低濃度好.在以往的研究中，在Fe、Mn和Al元素含量相同的情況下，普遍檢測到不同Cr元素含量鋼中氧化膜成分中均含有Cr元素.同時，膜中氧化物比例提高，其5%Cr元素合金的氧化膜的氧化比較高，表明5%Cr元素合金的氧化膜比0%Cr和2%Cr元素合金更薄，生成物相對更緊密，對外界環(huán)境的抗氧化性相對得到提高.另外，Cr元素添加后，在退火過程中會形成Cr2O3和MnCr2O4.Liu 等［38］也觀察到在800 ℃退火過程中含0.21%～0.39%Cr元素的雙相鋼中觀察到Cr氧化物的形成.在加入了0046%Cr元素的鋼中，也發(fā)現在退火過程中形成Cr2O3.上述研究主要是對比不添加Cr元素與添加微量Cr元素2種情況下FeCMnAl系輕質鋼氧化物的生成情況.故對于FeCMnAl系輕質鋼在退火過程中即使加入微量的Cr元素也會對鋼材形成的氧化物造成較大的影響，進一步影響抗氧化性，對于過量的情況在以后的研究中還需要進行更深入的研究.

4結語

本文總結了近年來Cr元素對FeCMnAl系輕質鋼的影響研究現狀，主要從Cr元素對FeCMnAl系輕質鋼的微觀組織、力學性能、耐腐蝕性和抗氧化性能的影響進行分析，進一步研究不同Cr元素含量對其性能的影響，以及在特定范圍內尋找到最佳的Cr元素含量值.研究過程的意義就在于不斷地探索一種元素加入后微觀組織的變化及性能的改變，通過另一種元素的加入進行二次調節(jié)，通過這種方式找到最合適的含量值，獲得帶有目的性能的材料.在未來探索過程中可能會出現更多合金種類的合金化和加工策略：

1）加入不同含量的Cr元素，通過含量變化控制FeCMnAl系輕質鋼微觀組織的改變、κ碳化物的細化及不同析出相（Cr7C3和DO3等相）的生成及形態(tài)尺寸的變化，影響斷裂行為進一步提升強度和塑性等力學性能.得出5%Cr元素含量時，FeCMnAl系輕質鋼微觀組織最均勻且簡單，晶粒尺寸最為細化，并且出現最佳屈服強度、極限抗拉伸強度及較好的延伸率.在未來的研究中應重點研究Cr元素含量在5%前后時，對FeCMnAl系輕質鋼的影響，進而達到改善目標性能的目的.

2）Cr元素的加入通過打破與其他元素的先后反應促進氧化物Al2O3的生成，以及改變晶界角度的高低，進一步提高FeCMnAl系輕質鋼的耐腐蝕性，并在高氧或退火過程中形成Cr2O3等氧化物，對其抗氧化性能進行改善.在Cr元素含量為5%臨界值時，出現最佳的耐腐蝕性與抗氧化性.目前的研究是在保證強度和使用性能的前提下進行改善，由于Cr元素的加入含量是有限的，因此，FeCMnAl系輕質鋼在耐蝕性、抗氧化性及其他應用方面，如焊接性與涂覆性等方面在今后需要進一步深入研究.

3）目前，大數據分析在各個領域被廣泛運用和推行，在研究輕質高強鋼時，可以通過對加入不同含量Cr元素的反應過程進行建模，通過模擬來實現實驗鋼內部微觀組織的演變和預測.通過理論模型和實際實驗的多方面比較，提高和完善在實驗過程中的效率和準確性，未來可加強與模擬設計的結合.

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（責任編輯：伍利華）