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(huì)引起Fe基體點(diǎn)陣擴(kuò)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(shí)，其固溶度可進(jìn)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(jiǎn)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(duì)鋼中相組成的影響及輕質(zhì)鋼的分類。Al是鐵素體強(qiáng)穩(wěn)定化元素。Fe-Al二元合金中，當(dāng)Al含量大于1%時(shí)，由液相凝固形成的鐵素體在后續(xù)溫降或熱加工過(guò)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(shí)基體組織均為鐵素體（無(wú)序BCC結(jié)構(gòu)，即A2結(jié)構(gòu)）。隨Al含量增加，鐵素體會(huì)發(fā)生點(diǎn)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(wú)特殊說(shuō)明均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)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(qiáng)碳、氮化物形成元素來(lái)固定鋼中間隙原子以形成無(wú)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(guò)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(shí)被誘發(fā)馬氏體相變，從而顯著提高鋼板的強(qiáng)塑積。通常所說(shuō)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?jiàn)W氏體在加工和后續(xù)形變過(guò)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(guò)程中保持組織穩(wěn)定性。

Al對(duì)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(guò)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(jìn)κ碳化物形成。實(shí)際生產(chǎn)中，由于相變的非平衡性，當(dāng)Al含量超過(guò)4%~5%時(shí)，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(guò)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(guò)8%和0.8%時(shí)κ碳化物才能在基體析出，并且κ碳化物析出是由于過(guò)飽和固溶體調(diào)幅分解以及C和Al原子有序排列的兩個(gè)過(guò)程相伴發(fā)生的結(jié)果。當(dāng)發(fā)生過(guò)時(shí)效，κ碳化物顆粒不斷粗化并最終會(huì)導(dǎo)致在晶界處形成塊狀κ碳化物，同時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)棣凌F素體或DO3相。