提高汽車用鋼的比強度（強度與密度之比）可以實現(xiàn)汽車輕量化。目前主要途徑是使用高強鋼和先進高強鋼，先進高強鋼從第一代發(fā)展至第三代，在提高強度的同時，使材料具有良好的強度和延展性匹配以及合理的成本。提高鋼板比強度的另一途徑是在維持良好力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，降低鋼板材料的密度。輕質(zhì)鋼（又稱低密度鋼）的開發(fā)正是基于后一觀念。

Al元素在輕質(zhì)鋼中的作用

Al降低鋼的密度。固溶Al原子會引起Fe基體點陣擴張，添加合金元素Al降低鋼的平均摩爾質(zhì)量和增加鋼的摩爾體積，從而降低鋼的密度。室溫下，Al在純Fe中有較高固溶度（約9%）；在C和Mn等其他元素存在時，其固溶度可進一步提高。因此，Al往往成為輕質(zhì)鋼的主要合金元素。Fe-Al合金是最簡單的輕質(zhì)鋼，多數(shù)情況下Al與C和Mn等合金元素一起構(gòu)成復(fù)雜多相的輕質(zhì)鋼種。一般地，添加1%的Al使鋼的密度降低略大于1.1%。

Al對鋼中相組成的影響及輕質(zhì)鋼的分類。Al是鐵素體強穩(wěn)定化元素。Fe-Al二元合金中，當(dāng)Al含量大于1%時，由液相凝固形成的鐵素體在后續(xù)溫降或熱加工過程中不發(fā)生δ鐵素體→γ奧氏體→α鐵素體相變反應(yīng)，合金在固態(tài)時基體組織均為鐵素體（無序BCC結(jié)構(gòu)，即A2結(jié)構(gòu)）。隨Al含量增加，鐵素體會發(fā)生點陣有序轉(zhuǎn)變，生成Fe3Al相（DO3結(jié)構(gòu)）和FeAl相（有序BCC結(jié)構(gòu)，即B2結(jié)構(gòu)），合金的塑性顯著降低。

按合金成分和室溫下基體主要組成相，將輕質(zhì)鋼大致分為以下四類：（1）單一鐵素體鋼。此類鋼種為Fe-Al固溶體合金，其主要成分為Fe-(2~9)Al，組織為單相鐵素體（文中合金元素含量無特殊說明均以質(zhì)量分數(shù)計量）。通常地，該鋼種可添加適量Mn元素，并且用微量Ti和Nb等強碳、氮化物形成元素來固定鋼中間隙原子以形成無間隙原子鋼。（2）鐵素體鋼。此類鋼種的大致成分為Fe-(2~7)Al-(0~9)Mn-(0~0.4)C，其熱軋組織多為（δ+α）鐵素體和碳化物的混合物，其中δ鐵素體在熱加工和熱處理過程中始終存在。冷軋鐵素體鋼經(jīng)TRIP或Q-P工藝熱處理后可獲得適量殘余奧氏體，這些殘余奧氏體在形變時被誘發(fā)馬氏體相變，從而顯著提高鋼板的強塑積。通常所說的鐵素體輕質(zhì)鋼多數(shù)為δ-TRIP鋼。（3）鐵素體—奧氏體雙相鋼。此類鋼種的大致成分為Fe-(3~13)Al-(5~30)Mn-(0.2~1.0)C，其主要組織構(gòu)成為鐵素體和奧氏體兩相，且奧氏體在加工和后續(xù)形變過程中保持組織穩(wěn)定性。（4）奧氏體鋼。此類鋼種的大致成分為Fe-(7~12)Al-(20~30)Mn-(0.5~1.5)C，其主要組織為奧氏體，還可能含有少量鐵素體和κ碳化物。同樣地，奧氏體在加工和后續(xù)形變過程中保持組織穩(wěn)定性。

Al對碳化物形成的影響。富含Al輕質(zhì)鋼中碳化物形成途徑之一是通過共析反應(yīng)，奧氏體分解生成α鐵素體和碳化物。增加Al和C含量削弱M3C型碳化物穩(wěn)定性，促進κ碳化物形成。實際生產(chǎn)中，由于相變的非平衡性，當(dāng)Al含量超過4%~5%時，鋼的基體中往往只存在κ碳化物而M3C型碳化物及其他碳化物被抑制。除源自共析反應(yīng)外，κ碳化物也常常在富Al、Mn和C的過飽和奧氏體鋼中形成。研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)Al和C的含量分別超過8%和0.8%時κ碳化物才能在基體析出，并且κ碳化物析出是由于過飽和固溶體調(diào)幅分解以及C和Al原子有序排列的兩個過程相伴發(fā)生的結(jié)果。當(dāng)發(fā)生過時效，κ碳化物顆粒不斷粗化并最終會導(dǎo)致在晶界處形成塊狀κ碳化物，同時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F素體或DO3相。

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