富Al无间隙原子钢和铁素体轻质钢研究

提高汽车用钢的比强度（强度与密度之比）可以实现汽车轻量化。目前主要途径是使用高强钢和先进高强钢，先进高强钢从第一代发展至第三代，在提高强度的同时，使材料具有良好的强度和延展性匹配以及合理的成本。提高钢板比强度的另一途径是在维持良好力学性能的基础上，降低钢板材料的密度。轻质钢（又称低密度钢）的开发正是基于后一观念。
Al元素在轻质钢中的作用
Al降低钢的密度。固溶Al原子会引起Fe基体点阵扩张，添加合金元素Al降低钢的平均摩尔质量和增加钢的摩尔体积，从而降低钢的密度。室温下，Al在纯Fe中有较高固溶度（约9%）；在C和Mn等其他元素存在时，其固溶度可进一步提高。因此，Al往往成为轻质钢的主要合金元素。Fe-Al合金是最简单的轻质钢，多数情况下Al与C和Mn等合金元素一起构成复杂多相的轻质钢种。一般地，添加1%的Al使钢的密度降低略大于1.1%。
Al对钢中相组成的影响及轻质钢的分类。Al是铁素体强稳定化元素。Fe-Al二元合金中，当Al含量大于1%时，由液相凝固形成的铁素体在后续温降或热加工过程中不发生δ铁素体→γ奥氏体→α铁素体相变反应，合金在固态时基体组织均为铁素体（无序BCC结构，即A2结构）。随Al含量增加，铁素体会发生点阵有序转变，生成Fe3Al相（DO3结构）和FeAl相（有序BCC结构，即B2结构），合金的塑性显著降低。
按合金成分和室温下基体主要组成相，将轻质钢大致分为以下四类：（1）单一铁素体钢。此类钢种为Fe-Al固溶体合金，其主要成分为Fe-(2~9)Al，组织为单相铁素体（文中合金元素含量无特殊说明均以质量分数计量）。通常地，该钢种可添加适量Mn元素，并且用微量Ti和Nb等强碳、氮化物形成元素来固定钢中间隙原子以形成无间隙原子钢。（2）铁素体钢。此类钢种的大致成分为Fe-(2~7)Al-(0~9)Mn-(0~0.4)C，其热轧组织多为（δ+α）铁素体和碳化物的混合物，其中δ铁素体在热加工和热处理过程中始终存在。冷轧铁素体钢经TRIP或Q-P工艺热处理后可获得适量残余奥氏体，这些残余奥氏体在形变时被诱发马氏体相变，从而显著提高钢板的强塑积。通常所说的铁素体轻质钢多数为δ-TRIP钢。（3）铁素体—奥氏体双相钢。此类钢种的大致成分为Fe-(3~13)Al-(5~30)Mn-(0.2~1.0)C，其主要组织构成为铁素体和奥氏体两相，且奥氏体在加工和后续形变过程中保持组织稳定性。（4）奥氏体钢。此类钢种的大致成分为Fe-(7~12)Al-(20~30)Mn-(0.5~1.5)C，其主要组织为奥氏体，还可能含有少量铁素体和κ碳化物。同样地，奥氏体在加工和后续形变过程中保持组织稳定性。
Al对碳化物形成的影响。富含Al轻质钢中碳化物形成途径之一是通过共析反应，奥氏体分解生成α铁素体和碳化物。增加Al和C含量削弱M3C型碳化物稳定性，促进κ碳化物形成。实际生产中，由于相变的非平衡性，当Al含量超过4%~5%时，钢的基体中往往只存在κ碳化物而M3C型碳化物及其他碳化物被抑制。除源自共析反应外，κ碳化物也常常在富Al、Mn和C的过饱和奥氏体钢中形成。研究发现，只有当Al和C的含量分别超过8%和0.8%时κ碳化物才能在基体析出，并且κ碳化物析出是由于过饱和固溶体调幅分解以及C和Al原子有序排列的两个过程相伴发生的结果。当发生过时效，κ碳化物颗粒不断粗化并最终会导致在晶界处形成块状κ碳化物，同时奥氏体转变为α铁素体或DO3相。