Cu 對輕質鋼強韌性的影響

王程昊,任喜強,齊艷飛,李運剛

（華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210）

0 引言

隨著社會的發展，節能低碳理念已經深入人心，而汽車在給人們生活帶來便利的同時，對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。在節能低碳綠色環保的發展趨勢下，降低汽車的排量已成為研究者們廣泛關注的問題，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，因此制造時大多以低重量高性能為目標，以降低能耗及減少溫室氣體排放。為了在確保各項安全性能達標的前提條件，達到節能減排的目的，對車身鋼板的改良減重就成為了當前的主要研究方向。目前，對汽車用鋼的減重主要通過兩種途徑。第一，可以改用輕質的原材料合金（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，導致成本高、生產效率不足的問題，以至于在汽車行業中不能夠大量廣泛的應用；第二，使用高強度韌性的鋼鐵來替換原有的材料，在不降低性能的同時，減少鋼材的用量，來達到降低重量的目的。有數據［2-4］顯示，當鋼板的厚度減少0.05、0.10、0.15 mm時，車重分別會降低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度的限制，使板材的厚度不能太低。許多學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，部分研究者在輕質鋼中添加合金元素銅時，可以達到不錯的效果。

自從上世紀60 年代，銅在鋼中的析出和沉淀被發現之后，就一直備受鋼鐵界的關注。銅是一種導電和導熱能力都很不錯的金屬，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。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，國內外的學者先后開發了耐候鋼、抗菌不銹鋼等優良的銅合金化鋼［5］，研究了銅對鋼的抗菌性、強度、韌性、焊接性等性能的影響。例如：美國市場規?；鍪鄣暮~耐候鋼，自1916 年開始試驗到1993 年申請專利，就是利用了銅元素在鋼中的耐腐蝕性［6］，之后1996 年又在此基礎上，利用銅的抗菌性能，研制出效果顯著的抗菌不銹鋼；國內的科學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，能有效地增強合金鋼的力學性能。最近幾年隨著輕質鋼研究的深入，研究者們對輕質鋼中加入銅合金的探究也開始增多，逐漸清楚了銅元素對鋼強韌性的影響。本文總結了輕質鋼中加入銅元素的研究進展，并從鋼的細晶、固溶、析出相等幾個強化機制闡述了銅對鋼強韌性的影響，最后對銅在鋼鐵行業中的應用和研究方向做出展望，為后續研究提供參考。

1 含銅輕質鋼

輕質鋼的產生與汽車用鋼的發展歷程息息相關，為了滿足汽車安全舒適、節能環保的要求，汽車用鋼經歷幾代的發展歷程。第一代，主要是傳統雙相鋼、復相鋼等為代表；第二代，是在高強鋼中添加較多的Ni、Mn 等合金元素，穩定擴大奧氏體相區；第三代，高強汽車用鋼主要是介于第一和第二代之間，減少合金使用，減低成本的同時滿足汽車用鋼的要求，并強于第一代汽車用鋼的強度和韌性［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，也稱為輕質合金鋼（light weight alloy）。輕質鋼最初是在20 世紀50—60 年代開發出來的，由于Mn 和Al 對鋼的力學性能和抗氧化性有重要影響，同時用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，各國大量研究Fe-Al 基材料［10-14］，直到2000 年德國G. Frommeyer 等［15-18］系統研究了Fe-Mn-Al-C 系低密度鋼的微觀組織及力學性能，表明這種鋼的性能足夠用 去于汽車制造，在汽車工業中收到了廣泛關注，成為潛力較大的新一代汽車用鋼。

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

表1 幾種含銅輕質鋼的強度參數Table 1 Strength parameters of several copper-containing lightweight steels

2 銅在輕質鋼中的固溶與細晶強化

固溶強化是輕質鋼的重要強化手段，輕質鋼由復雜元素組成，其中細小的基體元素C 原子能夠進入γ-Fe 中而形成大量的間隙固溶體，間隙固溶體使晶格發生畸變，以此強化輕質鋼的硬度。但銅和鐵的原子半徑相近，不能形成間隙固溶體，當鐵加熱變成面心立方的鐵素體時能跟銅原子發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，使得晶格產生了畸變，輕質鋼的硬度和強度得到提升［20］。同時，銅與γ-Fe 在鋼中形成的置換固溶體延遲了再結晶發生，導致A4（奧氏體轉變為高溫鐵素體的開始線）線的溫度上升、A3（鐵素體轉變為奧氏體的終了線）線的溫度下降，擴大了奧氏體相區細化了晶粒，能夠有效優化輕質鋼的塑性。S.Hyejin［21］在研究中錳雙相輕質鋼時發現，在一定的退火溫度下，作為奧氏體穩定劑的銅原子不僅提高了奧氏體的體積分數，而且由于溶質阻力效應延遲了再結晶。此外，銅的加入促進了富銅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 ℃時僅有2.1%，并且隨著溫度的降低溶解度也會快速，當含量超過溶解度便會有沉淀析出而形成沉淀強化。

細晶強化在輕質鋼強化中起著重要作用，其既能夠增強金屬的韌性，又能提高強度。合金鋼大多為多晶體結構，內部排列分布著大量晶界，當晶界處原子原本正常的排列順序被擾亂時，偏聚形成團簇，其他夾雜物或者第二相的析出就會在晶界處產生較多的缺陷，產生一定的晶界能，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，臨界分切應力是個很重要的屬性值，只有滑移系中受到的分切應力達到這個數值時滑移才能進行，而位錯通常不能穿過晶界滑移到相鄰的晶粒中，有的可能沒有達到晶界處就會停止，于是在晶界位置容易產生位錯的平面塞積群，只有當塞積群形成一定的數量，并且在這個位置有足夠的應力，當與外界的應力相疊加達到分切應力的臨界值時才能使位錯穿過晶界，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，相鄰的晶粒需要協調變形，多滑移導致位錯的交割，使得合金的強度大幅度的提高。R.Rana［23］在利用銅沉淀方法制備高強度鋼，在計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，晶粒得到細化，材料的強度和韌性得到提高。鄭愛琴［24］在研究中發現（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變得更密集細小，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度和抗拉強度后發現，屈服強度為1 294 MPa 比添加之前會增強70 MPa，而抗拉強度1 524 MPa 會比未添加之前增強33 MPa，這其中固溶強化及細晶強化起到了重要作用。輕質鋼為多晶體合金，其內部晶粒復雜，在添加一定量銅元素后晶粒尺寸會減小細化、晶界的數量增加，擾亂了原本晶界位置的原子排列，使位錯的運動難以發生而不易產生形變，鋼的強度明顯增大。S.Hyejin［25］在研究中錳雙相輕質鋼時發現，在一定的退火溫度下，作為奧氏體穩定劑的銅不僅提高了奧氏體體積分數，而且由于溶質阻力效應而延遲了再結晶。細化奧氏體晶粒，從而提高了輕質鋼的強度和硬度，并且伸長率并未大幅變下降。

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 銅在輕質鋼中的析出強化

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以沉淀（ε-Cu 相）的形式析出，該相會造成沉淀強化，增強合金鋼的力學性能。位錯在運動時，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，位錯與析出相的相互作用增強了鋼的強度。另外，奧氏體和雙相輕質鋼C和Al 元素含量很高，會有大量的納米級均勻分布的k-碳化物析出，在合金的變形過程中其會對位錯的運動產生較大的影響，使輕質鋼的強度增強。而Cu元素的加入，對k-碳化物的析出可以起到促進析出的作用，可有效地提高輕質鋼的強度。

時效強化是輕質鋼最為重要的強化手段，不僅可以細化晶粒使組織均勻，還可以促進析出物的析出。納米級的富銅析出相，由于無法在光學顯微鏡下直接檢測，在經過時效處理后，晶體邊界處累積的能量為析出相的長大創造了條件，首先析出相會在晶界處形核長大，隨著時效的進行會慢慢的擴散到晶粒內部。安治國等［26］在研究高純低碳鋼（添加質量分數為1.18%左右的銅）時，對該材料進行850 ℃時效處理并發現：大概在時效1 000 s 左右會得到最好的強化效果，而隨著時效的繼續進行富銅析出物先在鐵素體晶界處產生，隨著時效時間的繼續延長，晶粒內部也開始出現富銅析出相，使得高純低碳鋼得到強化；但在過時效階段，隨著析出物不斷地長大粗化，高純低碳鋼強度又有下降趨勢。李桓武等［27］在研究奧氏體鋼過程中發現，銅元素添加量為2.8%左右時，在奧氏體晶界處發現富銅相的析出，隨著時效的延長富銅相不斷增大，并且慢慢在晶體內部析出，形貌也由起初的晶粒狀長大成棒狀。S.Hyejin 等［28-29］在研究鐵素體鋼時也發現，富銅顆粒首先在鐵素體邊界處析出，其分散而細小并具有bcc結構，其中Fe 和Cu 含量均為50%，而隨著時效時間延析出相轉變為粗純銅相，變成fcc 結構且尺寸逐漸增大。銅不僅自身能形成沉淀直接強化鋼的力學性能，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-碳化物晶體結構中，通常是（Fe，Mn）3AlCx，其中Al 在8 個1/8 角位，Fe 和Mn 在面心的位置，C原子在體心的間隙位，由于C 原子析出相比較細小，目前尚未測明具體含量，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k′-碳化物和晶間k″-碳化物2 種不同的形態，晶內k′-碳化物是亞穩態結構，而k″-碳化物會隨著時效延長而在晶界出析出粗大的晶粒。500—700 ℃時效時，k 相會在奧氏體相中析出細小均勻的顆粒，彌散分布在奧氏體內，顯著提高鋼的屈服強度增強鋼的硬度；而700—800 ℃時效時，晶界處的k″碳化物會長成粗大的晶粒，隨著溫度的升高，k-碳化物的析出數量也會增加；k″-碳化物和β-Mn 都是一些不利用輕質鋼韌性的顆粒，在進行熱處理的過程中要控制加熱的溫度和加熱時間，來使k″-碳化物和β-Mn 能盡可能少量的析出，盡量減少對強韌性的不良影響。楊磊［7］在研究Fe-28Mn-9Al-0.8C 奧氏體基輕質鋼發現：經600 ℃×3 h 熱處理后，會有晶間k″-碳化物析出，導致鋼的塑性比500 ℃處理時有所下降；在輕質鋼中添加3% Cu 元素時會出現大量的富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顆粒有助于促進晶內k′-碳化物的析出，可有效提高鋼的屈服強度和抗拉強度，并且保持良好的塑性。

4 結語

結合輕質鋼的強化機制與銅的相關作用，綜合上述的探究。因此，可以發現銅對輕質鋼強韌性的強化主要體現在3 個方面：（1）在輕質鋼中加入Cu作為奧氏體穩定劑，增加了鋼中奧氏體的體積分數，擴大了奧氏體相區，可以提高抗疲勞性能，Cu 作為奧氏體穩定的合金元素，能通過控制奧氏體的層錯能和穩定性來改善鋼的拉伸性能；（2）加銅之后，輕質鋼中析出的富銅顆?？梢蕴岣吣透g性能，而由于溶質阻力效應可以延遲再結晶，通過控制熱處理條件可以做到細化晶粒，改善輕質鋼屈服強度的效果；（3）富銅顆粒的析出可以促進k-碳化物的析出，而納米級富銅顆粒和k-碳化物的共同沉底作用，能有效的增強輕質鋼的屈服強度，改善力學性能。

目前，含銅輕質鋼在冶煉加工過程中，仍然存在著工藝問題，制約著工業生產。銅的熱脆性會讓含銅輕質鋼在軋制時，邊緣容易產生斷裂現象。加工時的加熱溫度和加熱時間的不同會有很大的差別，加工工藝條件的探究還在繼續，期望來其達到既能節約生產成本，又不浪費銅資源的目的。同時，含銅輕質鋼的強度和韌性也還有很大的增強的空間，在未來富銅顆粒與k-硬質合金顆粒的共沉淀關系（沉淀順序、相互依賴、相互作用等）及共沉淀機理是主要的研究方向，對加速輕量化汽車行業的發展，在綠色環保的道路上繼續前進具有重要意義。