Cr元素掺杂对FeCMnAl系轻质钢的影响研究进展

葛美伶 张欢 司天宇 程洪 何忠平

收稿日期：2022-11-16

作者简介：葛美伶（1996—），女，硕士，从事FeCMnAl系高强合金的设计研究.Email：gemeiling0402@163.com

通信作者：何忠平（1986—），男，博士，副研究员，从事材料热力学、动力学及材料高速冲击拉伸性能等相关研究.Email：287785036@qq.com

摘要：FeCMnAl系轻质钢具有良好的耐腐蚀性、低密度和优异的综合力学性能，在钢中添加合金元素会显著影响相变热力学与动力学，进一步影响并决定组织形貌的演化过程.添加Cr元素会对FeCMnAl系轻质钢微观组织产生显著作用，重点对添加不同含量的Cr元素后，对κ碳化物、βMn和DO3等相生长、晶粒尺寸变化及晶界角度的改变，促进Al2O3及含Cr氧化物的生成，以及提高FeCMnAl系轻质钢抗拉强度、耐腐蚀性和抗氧化性等性能的情况进行分析.并归纳总结了Cr元素的加入及不同含量的Cr元素给FeCMnAl系轻质钢带来的优势，同时对当前的发展趋势进行展望.

关键词：FeCMnAl系轻质钢；Cr元素；微观组织；力学性能

中图分类号：TG142

文献标志码：A

0引言

FeCMnAl系轻质钢已成为汽车用钢的研究热点之一，元素的添加可以对FeCMnAl系钢材性能缺陷进行弥补和优化.如添加Mn元素可研究中锰钢和高锰钢力学性能的变化，达到目标所需要的运用强度；添加Al元素可对FeCMnAl系钢材的质量进行轻量化，改善CO2的排放量［1-2］.大多数关于FeCMnAl系轻质钢的研究仅限于Al元素浓度在5%～10%［3］之间，因为含有超高Al元素含量的FeCMnAl系轻质钢的拉伸性能由于相的改变而急剧恶化［4］.根据研究可知［5］，在相同的含量下，合金对密度的影响程度关系依次为C＞Al＞Si＞Mn＞Cr，虽然C元素影响作用最大，但在添加少量C元素后，继续添加将无明显改善.目前大量研究都将优先考虑Al元素，但若Al元素含量配比过多，在改善性能的同时会降低FeCMnAl系轻质钢的力学性能，因此，可选择加入Cr元素，通过调整Cr元素的含量对目前所出现的问题进行改善.

加入不同的合金元素对FeCMnAl系轻质钢的性能有多样化的改变，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，通过加入不同含量的Cr元素进一步改变微观结构，产生对应析出物从而达到钢材性能转变的目的.

本文综述了不同Cr元素含量对FeCMnAl系轻质钢析出物、力学性能、腐蚀性能及抗氧化性等方面的影响，并对FeCMnAl系轻质钢中Cr元素的添加发展趋势进行了展望，以期为FeCMnAl系轻质钢的进一步研究提供参考.

1对析出相的影响

1.1对κ碳化物析出及形态的影响

作为奥氏体基低密度钢中最重要的强化相之一，κ碳化物沉淀物（体积分数为5%～35%）已被证明具有在金属与金属之间加强的潜力［6-7］.Mapelli等［8］通过第一性原理计算证实，Cr元素的加入增加了弹性应变能及κ碳化物和γ奥氏体之间的界面能，导致κ碳化物的成核能垒增加.κ碳化物在时效硬化的Fe9Al30Mn0.9C合金中具有显著强化作用，但κ碳化物沉淀在早期对屈服强度影响不大，在生长后期粗κ碳化物过多，显著降低了加工硬化能力，导致极限抗拉强度显著下降［9］.由于κ碳化物的成分占比增加及尺寸粗化，平面滑移软化现象更加显著，且变形时应变硬化率下降，塑性加速失稳.对于κ碳化物的析出应避开在晶界处出现粗大及片层状形态的晶粒［10］.目前，科研人员将重点放在控制κ碳化物的析出以改善FeCMnAl系轻质钢的力学特性方面.

Cr元素是一种强碳化物形成元素，同时也是铁素体稳定剂.其与C原子之间的吸引作用会延缓C元素在γ奥氏体中的扩散［11］.而对于κ碳化物的研究发现［12］，在接近快速凝固的样品中，κ碳化物的体积分数随着Cr元素含量的增加而减少.由于Cr元素的加入扩大了Al和C元素在FeCMnAl系轻质钢中的固体溶解度，降低了κ碳化物形成的驱动力［13］.同时，也显著减缓了κ碳化物在等温老化处理过程中的生长速度.κ碳化物的沉淀可以有效地提高FeCMnAl系轻质钢的强度，而粗化的κ碳化物的形成将导致塑性的显著降低［14］.因此，通过不同含量的Cr元素对κ碳化物形成及生长的特殊作用来提高其性能，对改善FeCMnAl系轻质钢的综合性能具有重要作用.

Zhang等［15］也曾报道过Cr元素的添加减少了轻质钢内部组织κ碳化物的析出.Wang等［16］研究发现，FeCMnAl系轻质钢中加入Cr元素，Cr元素会先于Al与C元素发生反应结合，导致内部微观组织发生改变，如减少κ碳化物的生成.Moon等［17］发现，Cr元素的加入使κ碳化物的形成能量变得不利.主要的原因是κ碳化物结构中的Cr原子杂质增加了界面能和弹性应变能.κ碳化物的形成能量变得不利表明，加入Cr元素后κ碳化物的沉淀形成是受到抑制作用的.如图1所示，从不同Cr元素含量的Fe19Mn12Al1.5C扫描电子显微镜（SEM）图可看出，0%～2%Cr元素中晶粒间的粗κ碳化物粒度（蓝色箭头表示）逐步减小，晶粒内部的纳米级κ碳化物分散在γ基质中，但分数相比0%Cr元素合金大大减少；5%Cr元素合金具有相当均匀的微观结构，其含纳米级κ碳化物的γ基质为主要相，粗κ碳化物几乎消失且具有明显的晶粒增长；当Cr元素的加入量超过5%时，碳化物Cr7C3（红色箭头表示）开始形成，有序相DO3（黄色箭头表示）相分数增加，其材料的相关性能也明显降低.在以后的研究中，应重点放在Cr元素微量含量至过量这个阶段，细分为多个数值对κ碳化物的形成及生长做系统性的研究.

1.2对B2和DO3等相析出的影响

不同含量的Cr元素对FeCMnAl系轻质钢微观组织内部不同相的析出有显著影响.这些相的形成需要在一定条件下进行，如βMn、DO3 及B2有序相等，在不同Cr元素含量情况下出现明显的析出区别.研究表明［19］，增加Cr元素的添加量会扩大FeCMnAl合金中的DO3相区及其他相区，以及在此基础上经过长时间的等温热处理后会产生βMn等析出相；添加Cr元素在合适温度范围处理中可促进B2有序相的形成，且在FeCMnAl合金中Cr元素含量的增加会促进基相和沉淀区的形成［20］.Chen等［21］研究表明，当Cr元素含量从3.0%增加到70%时，Fe9Al30Mn0.6CxCr系轻质钢微观组织会发生B2→B2＋DO3→DO3相的一个转变过程.如图2所示，Kim等［22］研究Cr元素在0%～5.5%范围内对Fe20Mn12Al1.5CxCr系轻质钢微观组织的改变，其中不含Cr元素的微观组织中增加了κ碳化物的存在或析出部分DO3相，随着Cr元素含量增加到5%时，粗大的κ碳化物逐渐消失并形成细小的κ碳化物，DO3相也随之形成并增加；Cr元素含量超过5%时，整个奥氏体基体中粗颗粒比例增加的同时，DO3和碳化物Cr7C3等不同相相继析出.由此可见，在添加少量含量的范围中，5%Cr元素含量是作为相组成突变的一个转变临界值.对于二次相的生成可在这个范围附近进行反复探究，以此研究相的变化对FeCMnAl系轻质钢性能的影响.

2对力学性能的影响

对于FeCMnAl系轻质钢来说，在降低密度与减轻质量的同时，也要保证材料的强度与塑性处于一个相对优异且稳定的状态.以确保在室温下，FeCMnAl系轻质钢有较良好的机械性能.FeCMnAl系轻质钢的力学性能随晶粒尺寸的变化而变化.众所周知，多晶材料的强度可通过晶粒细化而增加.Cr元素含量对FeCMnAl系轻质钢的晶粒尺寸和机械性能有明显影响.FeCMnAl系轻质钢机械性能会随着基体中Cr元素含量的增加，平均晶粒尺寸发生变化，晶粒内析出物的数量及析出沉淀相会呈现相应的变化，从而屈服强度、极限拉伸强度及延伸率等通过减小晶粒尺寸和增加不同相析出量而得到相应的优化和改善.并且Cr元素增加了FeCMnAl钢的杨氏模量，这可能弥补了Al元素对材料刚度的有害影响.

在一定含量范围内，Cr元素对材料的抗拉伸性能有正向作用，目前重点研究范围大多集中在0%～5%以内.研究表明［23］，随着Cr元素的增加，拉伸强度下降，伸长率提高，在其他元素含量变化不大的前提下，5%Cr元素含量性能较好；当Cr元素含量超过5%时，虽拉伸强度增加，但伸长率会发生显著下降，并且同时会出现碳化物M7C3沉淀导致开裂.目前大多数研究表明，在Cr元素含量为5%时，钢显微结构内部的组成是最佳状态，即奥氏体内部含有细小的κ碳化物和低比例的有序相DO3，均匀的微观组织显示出最佳的拉伸性能.由于κ碳化物与奥氏体具有高度的一致性和可剪切的特性，因此伸长率才不会严重恶化，出现显著下降的趋势.Cr元素含量超过5%后，钢的性能存在大幅度变化（大多数情况是各方面性能减弱）的情况.在这个含量数值范围左右也有可能出现优异的性能，如Tsay等［24］ 发现，Fe28Mn9Al1.8C6Cr钢在6%Cr元素含量时，具有优异的抗拉性能，屈服强度为902 MPa，抗拉强度为1 122 MPa，伸长率相对下降.Sutou等［25］对Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C和Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C5Cr钢拉伸性能的研究发现，5%Cr元素含量的钢拉伸性能远超过无Cr元素的钢性能，屈服强度为1 040 MPa，拉伸强度为1 223 MPa，伸长率为41%.同时发现，添加5%含量的Cr元素抑制了Fe20MnxAlyC系轻质钢中粗κ碳化物的形成，从而提高了塑性.Liu等［26］发现，在稳定硬化阶段，应变硬化速率显著提高，随着Cr元素含量的增加逐渐增大，在接近10%Cr元素时增加了极限抗拉强度，且导致相界面面积的增加及碳化物Cr23C6等的生成，阻碍位错的传播，从而降低其塑性.Cr元素对塑性变形的影响大于Al和Mn元素，相对而言，Cr元素的过量将直接影响FeCMnAl系轻质钢强度与延展性的损耗与优化.

Cr元素的加入在形成碳化物的同时改变奥氏体的稳定性.在变形过程中发生相变，使其加工硬化速度加快，可迅速形成高硬度与稳定的硬化层［27-28］.不同含量的Cr元素掺杂会对滑动带的形成和演变产生作用，进一步影响FeCMnAl系轻质钢的应变硬化率.Welsch等［29］发现，Fe30.4Mn8Al1.2C钢的恒定高应变硬化率归因于动态滑移带的细化，而纳米级κ碳化物与位错之间有着密不可分的关系［7］.纳米级κ碳化物充当一个增强相，通过提供能垒来阻碍位错的滑动.而添加不同含量的Cr元素可调控κ碳化物的形成、增长趋势和尺寸粗细程度，有助于形成位错并增加滑移带的密度，从而提高FeCMnAl系轻质钢的稳定性和塑性等.Wu等［30］发现，含6%的Cr元素与含0%的Cr元素相比，在FeCMnAl系轻质钢应变阶段滑移带的平均间距小于0%Cr元素钢带的间距，说明6%Cr元素钢在相同应变下引起的滑移带密度更高，使位错滑移相对困难，从而提高含Cr元素钢带的应变硬化率.Liu等［31］研究得到，在含有不同含量Cr元素（0%、3%、6%和9%）时，相对于不含Cr元素而言，含有Cr元素时奥氏体中将出现较多的位错，在9%Cr元素钢带中的位错密度虽然较高，但略低于6%Cr元素钢带中的位错密度.因此，要考虑在合适范围内，Cr元素的加入可调控多种碳化物阻碍位错滑移和滑移带的产生，且可减少κ碳化物在FeCMnAl系轻质钢带中的沉淀，促进高应变硬化率的产生.

断口形貌对于力学性能的深入研究也有着重要意义.对于FeCMnAl系轻质钢而言，Cr元素的添加对其在不断循环的应力下产生的疲劳及断裂有着相对作用，且Cr元素含量的少量变化对断裂行为都有显著影响.Yuan等［32］通过对3种Cr元素含量（1.13%、2.35%和3.95%）的FeCMnAl系轻质钢断裂表面的研究表明，当Cr元素含量较低时，断面大多数为较大的延展性韧窝，随着含量的增多，出现从延展性韧窝逐渐消失，且数量相对减少，逐渐变为晶间断裂的现象，韧窝的大小逐步变小，且深度变浅.因此，Cr元素的存在及不同含量对FeCMnAl系轻质钢的断裂行为存在塑性断裂与脆性断裂的转变现象.Feng等［33］也证实了晶间κ碳化物的形成过程及其在Fe24.8Mn7.3Al1.2C系轻质钢中传播裂纹的作用.Cr元素的加入对κ碳化物的形成及尺寸大小的影响，直接对钢材的断裂行为及抵抗外力的能力产生严重的影响.以上的研究是在小范围内添加Cr元素得到优异的力学性能，但Cr元素的添加也是有限制的，在一定范围内是呈现直线上升的提升效果，超出某一范围后，性能会出现大幅度地改变，目前这一范围在0%～5%及5%附近.

3对化学性能的影响

目前，FeCMnAl系轻质钢抗氧化、耐腐蚀与耐磨损等一系列相关的问题受到了科研人员的广泛关注.研究表明，晶界工程可提高低层错能面心立方金属性能，并已成功应用于提高奥氏体不锈钢的晶间耐腐蚀性能和高强度金属的耐氢脆性能.对于FeCMnAl系轻质钢而言，其抗腐蚀能力远不如传统的不锈钢，为了提高耐腐蚀性和抗氧化性，以及在高温下的强度，一些合金元素，如Cr元素被添加到其中，Cr元素对FeCMnAl系轻质钢高温抗氧化性与耐腐蚀性都有正向作用.

3.1耐腐蚀性

大多数FeCMnAl系轻质钢的抗点蚀性能较低［34］，其原因是所形成的Al2O3膜具有不完全保护能力或基体中存在二次相，且奥氏体和纳米级的κ碳化物耐腐蚀性很强.因此铁素体稳定剂Cr元素的添加将增强奥氏体耐硬化性，增加耐腐蚀性，可以实现更硬、更强和耐腐蚀合金.在FeCMnAl系轻质钢中，Cr元素会优先与C元素发生反应结合，促使Al2O3腐蚀过程中增长比提高，进而达到提高耐蚀性的效果.Zhang等［35］认为，腐蚀性能随着Cr元素含量的增加而增加.在低堆叠断层能量的基质中，部分容易产生位错运动，这一观点也得到了其他学者的证实.添加Cr元素的其他优点是可以通过形成保护性的钝化膜来提高耐腐蚀性，从而解决FeCMnAl系轻质钢在水环境中耐腐蚀性不足的问题.因此，想要加强钝化膜则可通过增加Cr元素的含量来实现，充分的合金化将获得FeCMnAl系轻质钢稳定的保护性能.Tsay等［24］研究表明，Fe28Mn9Al1.8C中Cr元素含量为6%时，因具有奥氏体和细小的κ碳化物而具有良好的抗腐蚀性能.Jun等［36］得出结论，FeMn系高锰合金中当Cr元素含量为6%时，可以显著提高耐腐蚀性，但是同时相关机械性能会相对降低.在少量添加的基础上，可扩大适值范围（大约为0%～8%）研究Cr元素对FeCMnAl系轻质钢的显微组织和钝化膜性能的影响.Ha等［18］对奥氏体Fe19Mn12Al（0～7.5）Cr系轻质钢的微观结构分析表明，在0%～7.5%范围内Cr元素含量为5%时，出现最佳的均匀微观结构.同时对富含Cr和Al元素的钝化膜分析表明，基体中合金化增加了钝化膜中的Al元素含量，并增加了膜中氧化物与氢氧化物的比例，在所研究的合金中表现出最高的抗点蚀性能.

FeCMnAl系轻质钢的腐蚀性能也与晶界角度的高低有关，根据相关研究得知，钢中低角度边界（2°～10°）的百分比随着基体中Cr元素含量的增加而增加［32］，从而提高耐腐蚀性.主要原因在于高角度的晶界具有更高的错位能量，较高的高角度晶界会优先被腐蚀，边界角度的改善会促使耐腐蚀性能的提高，并且较大的晶粒簇可以提高耐腐蚀性.因此，FeCMnAl系轻质钢可以通过增加Cr元素含量提高低角度边界的总体占比，从而对耐腐蚀性做进一步改善.综上所述，从Cr元素含量出发，对于FeCMnAl系轻质钢而言，由于Cr元素含量为5%的合金具有最简单的微观结构，且二次相的析出量最少，同时在此含量下对合金间的耐点蚀性能最高，因此，被认为具有最佳的耐腐蚀性.但添加5%以上的Cr元素会降低耐点蚀性.所有的二次相（粗κ碳化物、Cr7C3和DO3等）都是点蚀的起始点，由此可见，在Cr元素含量超过5%时析出较多的二次相量，直接降低了点蚀抗性.

3.2抗氧化性

不同Cr元素含量对FeCMnAl系轻质钢的抗氧化性能有着不同程度的影响，寻找到最佳的Cr元素含量是目前研究的重点.Cr和Al元素都有利于抗氧化性，Cr元素可减少形成保护Al2O3层所需的临界Al量，减少Al元素过多造成的有害影响，且Cr元素对氧的亲和力比Mn、Si和Al元素小，从形成物角度出发，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，但只在高氧分压下形成Cr2O3.也有研究表明，Cr元素含量超过13%时，会形成黏附和保护性氧化层［37］，但综合性能就远不如低浓度好.在以往的研究中，在Fe、Mn和Al元素含量相同的情况下，普遍检测到不同Cr元素含量钢中氧化膜成分中均含有Cr元素.同时，膜中氧化物比例提高，其5%Cr元素合金的氧化膜的氧化比较高，表明5%Cr元素合金的氧化膜比0%Cr和2%Cr元素合金更薄，生成物相对更紧密，对外界环境的抗氧化性相对得到提高.另外，Cr元素添加后，在退火过程中会形成Cr2O3和MnCr2O4.Liu 等［38］也观察到在800 ℃退火过程中含0.21%～0.39%Cr元素的双相钢中观察到Cr氧化物的形成.在加入了0046%Cr元素的钢中，也发现在退火过程中形成Cr2O3.上述研究主要是对比不添加Cr元素与添加微量Cr元素2种情况下FeCMnAl系轻质钢氧化物的生成情况.故对于FeCMnAl系轻质钢在退火过程中即使加入微量的Cr元素也会对钢材形成的氧化物造成较大的影响，进一步影响抗氧化性，对于过量的情况在以后的研究中还需要进行更深入的研究.

4结语

本文总结了近年来Cr元素对FeCMnAl系轻质钢的影响研究现状，主要从Cr元素对FeCMnAl系轻质钢的微观组织、力学性能、耐腐蚀性和抗氧化性能的影响进行分析，进一步研究不同Cr元素含量对其性能的影响，以及在特定范围内寻找到最佳的Cr元素含量值.研究过程的意义就在于不断地探索一种元素加入后微观组织的变化及性能的改变，通过另一种元素的加入进行二次调节，通过这种方式找到最合适的含量值，获得带有目的性能的材料.在未来探索过程中可能会出现更多合金种类的合金化和加工策略：

1）加入不同含量的Cr元素，通过含量变化控制FeCMnAl系轻质钢微观组织的改变、κ碳化物的细化及不同析出相（Cr7C3和DO3等相）的生成及形态尺寸的变化，影响断裂行为进一步提升强度和塑性等力学性能.得出5%Cr元素含量时，FeCMnAl系轻质钢微观组织最均匀且简单，晶粒尺寸最为细化，并且出现最佳屈服强度、极限抗拉伸强度及较好的延伸率.在未来的研究中应重点研究Cr元素含量在5%前后时，对FeCMnAl系轻质钢的影响，进而达到改善目标性能的目的.

2）Cr元素的加入通过打破与其他元素的先后反应促进氧化物Al2O3的生成，以及改变晶界角度的高低，进一步提高FeCMnAl系轻质钢的耐腐蚀性，并在高氧或退火过程中形成Cr2O3等氧化物，对其抗氧化性能进行改善.在Cr元素含量为5%临界值时，出现最佳的耐腐蚀性与抗氧化性.目前的研究是在保证强度和使用性能的前提下进行改善，由于Cr元素的加入含量是有限的，因此，FeCMnAl系轻质钢在耐蚀性、抗氧化性及其他应用方面，如焊接性与涂覆性等方面在今后需要进一步深入研究.

3）目前，大数据分析在各个领域被广泛运用和推行，在研究轻质高强钢时，可以通过对加入不同含量Cr元素的反应过程进行建模，通过模拟来实现实验钢内部微观组织的演变和预测.通过理论模型和实际实验的多方面比较，提高和完善在实验过程中的效率和准确性，未来可加强与模拟设计的结合.

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（责任编辑：伍利华）