Fe-Mn-Al-C系列低密度高强钢的研究现状

摘要

随着节能环保和经济性的驱动,汽车轻量化已成为汽车行业的迫切需求,Fe-Mn-Al-C系列低密度高强钢因具有低密度与优异的力学性能而受到了学者们的关注.Fe-Mn-Al-C系列低密度钢的出现最早可以追溯到1933年,直到1958年,Fe-Mn-Al-C系列低密度钢才被用于取代Fe-Cr-Ni系列不锈钢(添加过多昂贵的Ni和Cr元素).目前,Fe-Mn-Al-C系列低密度钢在汽车行业是一种具有高轻量化潜力的钢种,其中添加的Al元素会导致合金密度和杨氏模量的降低.每添加1％(质量分数)的Al,钢密度降低1.3％,杨氏模量降低2％.同时,大量Al、Mn和C元素的添加导致Fe-Mn-Al-C系列钢的冶炼和连铸、成形性和焊接性、微观结构演变和变形机制等与传统钢种大不相同.Fe-Mn-Al-C系列低密度高强钢按合金的成分以及室温下主要的组成相,可分为四类:单一铁素体钢、铁素体基双相钢、奥氏体基双相钢和奥氏体钢.单一铁素体钢拥有200～600 MPa级别的抗拉强度,这与常规的高强度低合金钢(HSLA钢)类似,属于第一代先进高强度钢(1G-AH-SS)范畴.铁素体基Fe-Mn-Al-C系双相钢是另一种有潜力的轻量化钢材,其具有较低的合金含量,可以利用铁素体的塑性变形以及残余奥氏体所产生的TRIP或TWIP效应来提高钢的强度与塑性.铁素体基Fe-Mn-Al-C系双相钢与第一代先进的高强度钢相比,具有更优异的强度和延展性,其性能的上限属于第三代先进高强度钢(3G-AHSS)范畴.奥氏体基双相钢与铁素体基双相钢类似,但其合金含量高于铁素体基双相钢,性能的下限属于第三代先进高强度钢(3G-AHSS)范畴.奥氏体Fe-Mn-Al-C系列钢在性能和加工方面是又一个有前途的钢材.奥氏体钢主要组成相为奥氏体、少量的铁素体和κ型碳化物.奥氏体钢的力学性能由奥氏体的变形以及碳化物-奥氏体的相互作用共同决定.奥氏体轻钢的拉伸性能与高锰TWIP钢相似,强度为600～1500 MPa,塑性可达到30％～80％(甚至可达～100％),属于第二代先进高强度钢(2G-AHSS)范畴.随着钢中Al的添加,Fe-Mn-Al-C系列低密度高强钢层错能(SFE)增大,并析出短程有序(SRO)相和κ型碳化物.高SFE的低密度Fe-Mn-Al-C钢具有多种变形机制,如新型的微带诱导塑性(MBIP)、动态滑移带细化(DSBR)和剪切带诱导塑性(SIP)变形机制以及普遍的相变诱导塑性(TRIP)和孪生诱发塑性(TWIP)变形机制.这些变形机制与Fe-Mn-Al-C钢内的B2及DO3型的有序相、均匀排列的纳米级κ型碳化物、位错滑移、孪晶和相变等有关.其中晶粒内κ′-碳化物析出是含有大量Al和C的奥氏体Fe-Mn-Al-C钢独特的强化机制.然而,由于目前对Fe-Mn-Al-C钢应用性能相关知识的缺乏,其在汽车中的应用仍然不普遍.最重要的原因是这一系列低密度高强钢具有高的Al含量导致其杨氏模量降低,以及高的Mn含量导致其冶炼、连铸和加工难等问题.因此,未来的发展必须集中在提高低密度高强钢的杨氏模量,且将其低合金化和易加工的策略方法上.相信改进后的Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢必将大大推动其在汽车中的应用.本文概述了Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的研究现状及进展,介绍了Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的成分设计及其中合金元素的作用,分析了Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的微观组织特征,揭示了Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的强韧性形成机理、层错能、物理及力学性能,并讨论了Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的应用性能.最后,提出了未来Fe-Mn-Al-C体系低密度高强钢的研究方向.