文/Dong-Woo Suh， Nack. J. Kim， 译/张朝磊
近年来，低密度钢或者轻质钢再次激发起广泛的兴趣。据估算，钢材的密度仅需降低10%就可以保持甚至显著提高其在汽车工业中应用的优越性和竞争力。然而，汽车工业对材料的比强度、成形性和连接性能有着严格的要求。虽然与工业应用密切相关，但是低密度钢的成功研制首先将强烈依赖于科学研究。
添加轻元素如硅、铝和镁可以降低钢的密度。事实上，1950年代，为了提高钢的耐蚀性，曾试图在钢中添加相当数量的铝代替镍或铬。轻元素可以扩大钢的晶格常数，同时凭借低的原子量降低其密度。这个概念听起来很简单，但相关的冶金问题解决起来并不容易。除了密度，轻元素对钢的同素异形体的热力学稳定性有着重大的影响。举例来说，没有碳补偿而过度使用铝将导致铁素体相在固相线以下不同温度均能够稳定存在，从而使得通过热处理进行组织优化的可能性消失。此外，当采用锰来补偿铝对γ→α相变的作用时，会形成(Fe,Mn)3AlC相，即κ碳化物。这种碳化物对材料的性能是不利的。可见，作为物理冶金和合金设计领域中一个新兴的研究方向，低密度钢的研究充满机遇而又面临挑战。因此，及时就有关低密度钢研究的基本问题和应用实践进行系统的阐述是必要且有意义的。
近年来，围绕低密度钢相关的科学问题，材料学家和冶金学者进行了探索性的研究工作，包括热力学分析、κ碳化物的析出行为、合金设计、变形过程中的显微组织演变和合金元素的特殊作用等。如今计算机辅助合金设计成为新材料研发常用的手段，但围绕所关注的低密度钢中的这些合金成分的可靠数据库不容易获得。例如，含高浓度铝的钢的平衡相分数的可靠数据仍很难获得。目前有研究表明，相关数据库的可靠性达到了一定的水平，可以通过平衡热力学计算来解释合金元素对相变的影响。例如热力学计算能够成功地预测相演变规律，特别是κ碳化物的演变规律。在Fe-Al-Mn-C合金系中，κ碳化物是控制低密度钢力学行为最重要的组成相之一。通过对比Fe-2Al-30Mn-1.2C和Fe-8Al-30Mn-1.2C合金中的碳化物析出，发现随着铝含量的增加，M3C渗碳体被κ碳化物取代。进一步的研究表明，Fe-8Al-30Mn-1.2C合金变形过程中，κ碳化物对应变硬化和平面位错亚结构的发展起到了重要作用。铝的作用不仅在于显著地降低密度，还作为一个显微组织设计以获得所需的性能。形变诱导马氏体相变对达到强度和韧性的平衡起着关键的作用，需要综合考虑各相的体积分数，以及亚稳奥氏体的稳定性和晶粒尺寸。
在汽车工业中，所需材料强度和塑性水平的不同取决于结构件。低密度钢具有的铁素体、奥氏体和κ碳化物相的多样性，使得其拥有巨大的应用潜力。例如，相关研究报道铁素体低密度Fe-Al合金的性能可以被用于对强度要求适中的汽车闭合件。但是即使碳含量小于IF钢，强度水平达到相当于双相钢水平，仍须进一步改善r值（厚向异性系数）和刚度。此外，具有复相组织的Fe-Al-Mn-C合金，是一种具有良好延展性和高强度的低密度钢，适合作为抗碰撞的安全结构件。
除了应用于结构件，低密度钢更广阔的潜在应用领域同样受到关注。表面氮化低密度奥氏体钢在氮化层形成的AlN能够显著增加表面的硬度和耐蚀性，而在传统的合金钢或不锈钢中形成的是Fe3N、Fe4N或CrN。也有研究工作提出了低密度钢作为高温抗蠕变合金应用的可能性。在铁素体基体上控制析出适当尺寸的NiAl能够改善其抗蠕变性能。可见，不仅限于汽车零部件，耐腐蚀或抗蠕变等性能可以吸引更多的关注，从而不断拓展低密度钢的应用领域。
如上所述，低密度钢迅速成为钢铁材料研发的新的热点，并且已经取得了许多令人鼓舞的结果，特别是在力学性能研究方面。然而，新材料的研发应当结合生产工艺和工程应用，并最终实现商业化应用。低密度钢的研究仍然是间歇性的，并存在大量有待解决的科学问题。例如，铸造和热轧过程中经常遇到的开裂，制造过程中的高温氧化，多相组织控制，以及应用过程中的成形性和焊接性。此外，当增加铝含量时，由于奥氏体单相区在固相线温度以下消失，通过热处理使得相和溶质进行均匀化分布几乎不可能了。在组织设计中均匀化一直被认识是有利的，但是利用不均匀性满足相互矛盾的要求，这将是一个新的富有挑战性的科学问题。
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低密度合金FeAlMnC耐腐蚀性新探
本报讯 近期，有学者研究了一种淬火态低密度合金的氮化层性质和耐腐蚀性。
实验条件为：该合金（主要成分为Fe-8.68wt.%、Al-30.5wt.%、Mn-1.85wt.%和C-58.97wt.%）在500℃下经等离子氮化保温8小时后得到40μm厚的氮化层，氮化层主要由AlN和少量Fe4N组成。
该低密度合金的研究得出了以下结论：第一，氮化层和基体之间的边界经侵蚀后较模糊，在氮化层和基体之间的断裂面上没有发现微孔和微裂纹。这证实了AlN和Fe4N与基体和κ''碳化物有相同的fcc晶体结构和点阵参数，使氮化层和基体之间保持优异的一致性。第二，合金的淬火态组织由塑性相与具有极高密度的纳米尺寸的κ''碳化物组成，该κ''碳化物主要在淬火过程中由亚稳相分解生成。第三，该淬火态合金获得的40μm后的氮化层主要由AlN组成，表面的氮浓度可以高达20wt.%。因此获得的表面显微硬度达到1860HV，基体硬度达到550HV，延伸率达到33.6%，其在3.5%氯化钠溶液中的耐腐蚀性能远远超过之前获得最佳的氮化高强度合金钢，马氏体和析出强化不锈钢。（Po-Chih Chen，蒋波译）
复相低密度钢力学行为探究有新进展
本报讯 日前，韩国学者Keunho Lee和Seong-Jun Park通过宏观单轴拉伸实验和纳米压痕实验的相关性研究，分析了复相低密度钢的变形行为。
对两个具有相同化学成分和相同显微组织的试样，经过特定的热处理后，两种试样表现出迥然不同的力学性能。为了找到产生不同性能的原因，该研究通过纳米压痕实验，并考虑霍尔-佩奇关系，研究了每一相的固有力学性能。此外，通过原位电子背散射衍射实验，研究了残余奥氏体的力学稳定性。
该研究为了解释复相低密度钢的两个试样经过特定的热处理后，在宏观拉伸性能上表现处的巨大差异，从纳米压痕实验得到了两个试样每一相在弹塑性转变过程中的最大剪切力。利用霍尔-佩奇关系，考虑了晶粒尺寸对屈服的影响，从纳米压痕尺度获得了每一相实质的初始屈服应力。（Keunho Lee, Seong-Jun Park, 蒋波译）
信息来源：《中国冶金报》
