李云刚1、任希强1、齐彦飞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；2.北方工业大学机械工程学院，河北唐山；3.唐山市环境监测中心自动监测室，河北唐山）
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概括
随着全球能源危机与环境恶化的加剧，汽车行业正逐步推进以高安全性为基础的轻量化发展模式，实现低能耗、低污染的目标。汽车轻量化已成为汽车工业发展的必然趋势，汽车零部件约占汽车总重量的70%，因此，开发汽车高性能轻量化用钢迫在眉睫。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以其良好的综合性能和显著的减重效果，成为汽车极具发展潜力的用钢。但其与其他高强度钢一样，也面临着屈服强度和抗氢脆断裂性能进一步提高的问题。基于此，我们针对国内外相关研究现状，发现添加铜是改善上述问题的较为理想的合金化思路之一。在钢中添加铜并结合合理的热处理工艺，可实现晶粒内富铜粒子细小和κ-碳化物细小。富铜粒子的析出可以促进κ型碳化物粒子的析出，充分利用各析出相的特性，达到提高轻钢综合性能的目的。总结了铜对Fe-Mn-Al-C轻钢屈服强度和氢脆性的影响及机理，结合目前的研究现状，提出以下亟待解决的问题，即富铜粒子与κ型碳化物粒子的共析出规律、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置和氢扩散速率的影响；富铜相的晶体结构、晶格转变类型与热处理工艺参数的关系，对进一步提高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，汽车自重若减少10%，燃油消耗将减少6%~8%钢材的屈服强度表，尾气排放量将减少5%~6%。在全球“碳达峰、碳中和”趋势下，降低汽车能耗对达到减少环境污染的目的意义重大。因此，在保证汽车安全性不受影响的前提下，世界各国都对高强度、低密度的汽车用钢制定了研究目标，如美国制定了开发1500~低密度高模量汽车用钢的目标，发展汽车用钢轻量化，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全球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强度高、韧性高、延伸率高、密度小、耐腐蚀性能好、耐腐蚀成形性能好、抗蠕变、抗冲击能力强、安全指数高等优点钢材的屈服强度表，成为热销产品，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。就钢材而言，Fe-Al-Mn-C轻钢减重效果更为明显，作为未来汽车用钢具有显著优势。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。但其发展与其他高强度钢一样，仍面临一些共同的关键科学问题：1）高强度钢屈服强度（σ、YS）提升问题。汽车用钢在追求高强度、高延展性和轻量化的同时，还要保证汽车的高安全性。汽车在高速碰撞时，汽车的结构加强部件应防止或尽量减少变形，以最大限度地保证驾乘人员的安全。2）高强度钢的氢脆断裂。当高强度钢的抗拉强度（UTS）超过1 000 MPa时，容易发生氢脆断裂，钢的氢脆敏感性随其强度水平的提高而增加，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，导致材料在使用过程中突然失效，造成极其严重的破坏性后果，对乘客造成威胁，是极大的安全威胁，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性能。此外，铜比一般的微合金元素价格便宜，铜具有更好的耐腐蚀性和冷轧成形性。基于此，本文重点综述了在汽车用钢追求高安全性、低能耗的基础上，铜元素在提高Fe-Mn-Al-C轻型钢屈服强度及抗氢脆断裂性能方面的研究进展，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。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。高强度钢还面临着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，且铜比一般的微合金元素具有更强的抗冲击性能，因此添加铜成为改善上述问题的理想合金化思路之一。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，但仍存在许多问题需要进一步研究和解决。通过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，提高轻钢的屈服强度。但目前关于富铜粒子与κ型碳化物粒子之间关系的研究还很多，其析出的相互作用规律和耦合机制尚不明确；拉伸变形过程中共析出的富铜粒子与κ型碳化物粒子对含铜轻钢变形行为影响的机理尚不明确。解决上述问题对于揭示含铜轻钢的强化机理以及充分利用轻钢中析出的富铜粒子和κ型碳化物粒子来提高轻钢的综合性能有着重要的指导意义。
2）铜可以扩大奥氏体区，而奥氏体氢溶解度大，氢扩散系数低，因此在双相轻钢和奥氏体轻钢中添加铜，可以进一步提高其抗氢脆断裂性能。这一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富铜相和κ-碳化物的氢陷阱结合能是否存在较大的差异？而氢陷阱结合能的差异对氢捕获位置和氢扩散率是否有很大影响。加强对这一问题的研究，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轻型钢中，富铜析出相在其析出过程中是否会发生晶格类型转变，不同热处理工艺条件下富铜析出相的晶格类型如何？尚不明确的是，不同晶格类型的富铜析出相捕获氢的能力不同。因此，明确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，对控制热处理工艺条件具有重要意义。控制富铜析出相的晶格类型对提高Fe-Mn-Al-C轻型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，可以解决汽车用高强度轻钢面临的屈服强度低、抗氢脆断裂性能差等问题，为解决汽车用轻钢的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应用具有重要的现实意义。
