铜合金化轻质钢屈服强度及氢脆性能研究进展的深入探讨

铜合金轻钢屈服强度及氢脆研究进展

李云刚1、任希强1、齐艳飞1、吴志杰2、冯汉坤3、李彦泽1

(1.北方工业大学冶金与能源学院，河北唐山 063210；2.北方工业大学机械工程学院，河北唐山 063210；3.唐山市环境监测中心自动监测室，河北唐山 063000)

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概括

随着全球能源危机和环境恶化的加剧，汽车行业在高安全的前提下，逐步推进汽车轻量化的发展模式，实现低能耗、低污染的目标。在汽车所用材料中，钢铁材料约占整车质量的70%，因此，开发高性能汽车轻量化用钢刻不容缓。目前，Fe-Mn-Al-C轻量化钢，特别是奥氏体基双相轻量化钢和奥氏体轻量化钢因综合性能好、减重效果显著，成为汽车极具发展潜力的钢种。但与其他高强度钢一样，其也面临着屈服强度和抗氢脆断裂性能有待进一步提高的问题。基于此，着眼于国内外相关研究现状，发现添加铜元素是改善上述问题的较为理想的合金化思路之一。 在钢中添加铜元素并搭配合理的热处理工艺，可实现晶粒内细小富铜粒子与细小κ型碳化物粒子的共同析出，富铜粒子的析出又能促进κ型碳化物粒子的析出，充分利用各析出相的特点，达到提高轻钢综合性能的目的。综述了铜对Fe-Mn-Al-C轻钢屈服强度及氢脆的影响及机理。结合目前研究现状，提出以下亟待解决的问题：富铜粒子与κ型碳化物共析出的相互作用规律、耦合机制及其对钢变形行为的作用机理；富铜相与κ型碳化物的氢陷阱结合能及其对氢俘获位点和氢扩散速率的影响；富铜析出相的晶格转变类型及其与热处理工艺参数的关系。 对于进一步提高Fe-Mn-Al-C轻钢的综合性能、促进其早日工业化生产应用具有一定的参考价值。

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关键词

Fe-Mn-Al-C; 轻钢; 铜; 屈服强度; 氢脆

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介绍

随着全球能源危机和环境恶化加剧，作为使用频率最高的交通工具，汽车的能耗和污染问题备受关注。《国际能源展望报告》指出，二氧化碳排放约有23%来自汽车运输。研究表明，整车重量若减轻10%，燃油消耗将减少6%~8%，尾气排放量将减少5%~6%。在世界“碳达峰、碳中和”趋势下，通过降低汽车能耗来减少环境污染意义重大。因此，在保证汽车安全性不受影响的前提下，世界各国都制定了高强度、低密度汽车用钢的研究目标，如美国已提出2025年开发1500~2000MPa低密度高模量汽车用钢的目标，英国等国也制定了汽车用钢轻量化研究计划。 因此，汽车用钢轻量化研究已成为世界各国汽车工业发展的必然趋势。

目前，Fe-Mn-Al-C轻钢尤其是奥氏体基双相轻钢和奥氏体轻钢因具有高强度、高韧性、高伸长率、低密度、耐腐蚀性好、成形性好、抗蠕变、抗冲击能力强、安全指数高等特点，受到汽车行业的广泛关注，成为极具发展潜力的新一代汽车用钢。此外，与传统高强钢相比，Fe-Al-Mn-C轻钢减重效果更加明显，作为未来汽车用钢具有显著优势。虽然Fe-Mn-Al-C奥氏体基双相轻钢和奥氏体轻钢以其独特的优势，成为极具发展潜力的新一代汽车用钢，但它们的发展与其他高强钢一样，仍然面临着一些共同的关键科学问题：1）提高高强钢屈服强度（YS）的问题。汽车用钢在追求高强度、高延展性和轻量化的同时，还应保证汽车的高安全性。 当汽车发生高速碰撞时，汽车结构加强部件应防止变形或尽量减小变形，最大程度保证驾乘人员的安全。2）高强钢的氢脆断裂。当高强钢的极限抗拉强度（UTS）超过1000MPa时，易发生氢脆断裂，而且钢材的氢脆敏感性随其强度水平的提高而增大。氢脆断裂作为氢脆的一种形式，具有突发性和不可预测性的特点，导致材料在服役过程中突然失效，将造成极其严重的破坏性后果，对乘客构成极大的安全威胁，给汽车制造商带来巨大的经济和声誉损失。研究表明，在高强度钢和超高强度钢中添加铜元素是比较理想的合金化思路之一，可以提高钢的屈服强度和抗氢脆断裂性能。 此外，铜比一般的微合金元素价格低廉，且铜具有更好的耐腐蚀性能和冷轧成形性。基于此，本文在汽车用钢追求高安全性、低能耗的基础上，重点总结了铜元素在提高Fe-Mn-Al-C轻型钢屈服强度和抗氢脆断裂性能方面的研究进展，旨在为高屈服强度、高抗氢脆断裂性能的汽车轻型钢的研发提供重要的理论参考，对提高Fe-Mn-Al-C轻型钢的综合性能、促进其早日实现工业化生产应用具有一定的参考价值。

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精选图表

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总结与展望

在“碳达峰、碳中和”背景下，降低汽车能耗对推动双碳战略目标早日实现具有重要作用，因此汽车用高性能轻量化钢材的研发备受关注。Fe-Mn-Al-C轻量化钢材凭借良好的力学性能、耐蚀性、成形性、抗冲击性、较高的安全指数以及优异的减重效果，成为极具发展潜力的新一代汽车用钢。但与其他高强度钢一样，其仍面临进一步提高屈服强度和抗氢脆断裂性能的问题。铜可以提高钢的力学性能、抗氢脆断裂性能、耐蚀性、成形性等，且铜比一般微合金元素价格低廉，因此添加铜成为改善上述问题的较为理想的合金化思路之一。目前，关于铜对Fe-Mn-Al-C轻量化钢材屈服强度和氢脆断裂性能影响的研究已有少量报道，并取得了一定进展，但仍存在诸多问题需要进一步研究和解决。 根据文献研究分析及本课题组相关研究进展，提出以下需要关注的问题。

1）经过合理的退火工艺，含铜轻钢中可以析出纳米尺寸的富铜粒子和κ型碳化物粒子，从而提高轻钢的屈服强度。但富铜粒子与κ型碳化物粒子共析出的相互作用规律和耦合机理尚不明确；在含铜轻钢拉伸变形过程中，共析富铜粒子和κ型碳化物粒子对钢变形行为的影响机理尚不明确。解决上述问题对于揭示含铜轻钢的强化机理、充分利用轻钢中析出的富铜粒子和κ型碳化物粒子，提高轻钢的综合性能具有重要的指导意义。

2）铜可以扩大奥氏体区，而奥氏体氢溶解度大，氢扩散系数小，因此在双相轻钢和奥氏体轻钢中添加铜可进一步提高其抗氢脆断裂性能。该思路充分利用铜和奥氏体各自的优势，优化轻钢抗氢脆断裂性能。同一析出相在不同材料中具有不同的氢陷阱结合能，双相轻钢和奥氏体轻钢中共析出的富铜相与κ-碳化物的氢陷阱结合能是否存在较大的差异，氢陷阱结合能的差异对其氢捕获位置和氢扩散速率是否有很大影响，加强对该问题的研究对于提高轻钢抗氢脆断裂性能、探究其断裂机理具有重要的参考价值。

3）含铜的Fe-Mn-Al-C轻钢中，富铜沉淀相在其析出过程中是否会发生晶格类型转变，以及在不同热处理工艺条件下富铜沉淀相的晶格类型如何尚不明确。不同晶格类型的富铜沉淀物捕获氢的能力不同。因此，明确富铜沉淀相的晶格转变类型及其与热处理工艺参数的关系，对于通过控制热处理工艺条件来控制富铜沉淀相的晶格类型，从而提高Fe-Mn-Al-C轻钢的屈服强度和抗氢脆断裂性能具有重要的研究意义。

综上所述，进一步深入研究铜对Fe-Mn-Al-C轻钢屈服强度及抗氢脆断裂性能的影响，可以为解决汽车用高强度轻钢面临的屈服强度低及氢脆断裂问题奠定重要的理论基础，对提高Fe-Mn-Al-C轻钢的综合性能，促进其早日实现工业化生产和应用具有重要的现实意义。