组内研报
Original Research
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2026.116185
本文系统研究了Cu合金化（0～3 wt.% Cu）对固溶和时效处理态奥氏体低密度钢组织性能的影响规律。在固溶处理阶段，所有实验钢均保持单一奥氏体组织，未观察到κ-碳化物或富Cu相析出。Cu合金化虽然会引起奥氏体基体软化，但同时也可有效抑制了奥氏体晶粒粗化，提升组织高温稳定性。随后的时效处理阶段，仅在Cu合金化样品的晶界处发现了少量纳米级富Cu相，在晶内并未发现明显析出，但Cu合金化可有效促进κ-碳化物的析出，提高析出强化效果。此外，Cu元素的添加还可以提升SFE，有利于交滑移的发生，通过增强动态滑移带细化效应，改善材料的加工硬化能力。
河北工业大学层状材料与器件研究团队于2026年2月在国际期刊 Materials Characterization 在线发表题为：“Effect of Cu addition on the microstructure and the mechanical properties of austenitic low-density steel”的研究论文。通讯作者为河北工业大学郑士建教授、沈春光副教授。
Fe-Mn-Al-C奥氏体低密度钢凭借其低密度、良好的耐腐蚀性能以及优异的强塑性匹配，在汽车轻量化和海洋工程等领域展现出广阔的应用前景。目前，通过合金化手段调控奥氏体晶粒尺寸、κ-碳化物析出行为，并引入第二相强化，仍是进一步提升该类材料力学性能的主要策略。现有研究已较为系统地探明了Cr、Mo、Nb等常见合金元素对奥氏体低密度钢微观组织与力学性能的影响规律，并在此基础上开发出多种高强塑积的奥氏体低密度钢。近年来，Cu元素凭借其稳定奥氏体及析出强化等优势，已在马氏体钢的合金设计中得到广泛应用。然而，目前针对Fe-Mn-Al-C系单相奥氏体低密度钢中Cu元素组织调控作用的研究仍较为有限，关于Cu合金化如何影响富Cu相和κ-碳化物析出行为、如何调控奥氏体塑性变形机制尚缺乏系统研究。鉴于此，本文系统研究了在固溶-时效处理工艺流程下，Cu合金化对Fe-Mn-Al-C系奥氏体低密度钢组织性能的影响规律，重点探究了Cu含量对钢中κ-碳化物析出行为以及奥氏体塑性变形机制的调控作用，为开发新一代高性能轻量化钢提供理论依据与实验支撑。
针对上述问题，作者设计并制备了一系列不同Cu含量的奥氏体低密度钢，其化学成分为 Fe-31Mn-8Al-1C-0.5Cr-0.5Nb-0.5W-0.5Mo-0.2Si-xCu（x = 0、1、3 wt.%）。实验合金通过真空感应熔炼制备，并经过后续的锻造、热轧与热处理工艺。在热处理方面，热轧板材首先在 950-1050 ℃范围内进行固溶处理30 min并水淬，以获得单相奥氏体组织；随后选取1000 ℃固溶态试样进行时效处理，在400-700 ℃范围内时效1 h以研究κ-碳化物的析出行为，同时在600 ℃条件下进行0.5–24 h等温时效，以系统分析析出动力学及组织演化规律。在组织表征方面，采用SEM、EBSD、EPMA以及TEM等多种手段，对奥氏体晶粒尺寸、κ-碳化物析出行为及Cu析出相分布进行了系统分析。
在力学性能方面，作者通过显微硬度测试和室温拉伸实验评估不同Cu含量钢的力学性能变化，并结合变形后的微观组织观察分析材料的变形机制。通过综合微观组织表征与力学性能测试结果，系统揭示了Cu合金化对奥氏体低密度钢晶粒演化、κ-碳化物析出行为及应变硬化机制的影响规律，为该类轻量化结构材料的成分优化和性能调控提供了依据。
图1：不同固溶处理温度下样品的微观组织
各样品均由单一奥氏体组织构成，并且随着固溶温度的升高，Cu合金化能够显著抑制奥氏体晶粒长大，提升组织稳定性；
图2：不同固溶处理温度下样品的拉伸性能
由于Cu元素对奥氏体的软化作用，3Cu样品在950 ℃时获得了最低的强度，但由于Cu合金化可以显著抑制固溶温度升高过程中的晶粒粗化现象，使得3Cu样品在1050 ℃时获得了与0Cu、1Cu样品基本一致的强度；
图3：不同时效处理条件下的κ-碳化物形貌
由于固溶的Cu元素增大了奥氏体晶格常数，从而促进了κ-碳化物析出并产生更强的析出强化作用；
随着时效温度和时间增加，3Cu钢具有更高的硬度增量，同时在峰值时效状态下，3Cu钢表现出更高的加工硬化能力，实现了良好的强塑性匹配；
图5：0Cu和3Cu样品塑性变形行为的比较
Cu合金化提升了SFE，促进了交滑移发生，有效细化了滑移带的间距，从而提高材料的加工硬化能力。
Cu合金化虽然会引起奥氏体基体软化，但其可以通过溶质拖曳效应抑制奥氏体晶粒粗化。在当前Cu含量范围内，并未在奥氏体基体中观察到明显的富Cu相析出，但Cu合金化可以明显促进κ-碳化物析出，增强析出强化效果。塑性变形方面，Cu合金化可通过提升SFE促进交滑移发生，提升应变硬化能力。
尽管Cu合金化虽对强度的直接贡献相对有限，但其在调控κ-碳化物析出行为及奥氏体塑性变形机制方面展现出独特的优势。未来研究可进一步探索Cu与其它轻量化合金元素的协同设计，通过多元素耦合调控，开发出强塑性更为优异的奥氏体低密度钢。
团 队 介 绍
河北工业大学层状材料与器件团队自2019年成立以来，形成“厚积成材、循层渐进”的教育理念，培养了大批青年人才和优秀学子，荣获河北省高校首批黄大年式教师团队等荣誉称号。研究团队所在的材料学科是河北工业大学“世界一流学科”的三个支撑学科之一，团队拥有结构材料（3D打印、熔炼、轧制、热处理、力学性能测试等设备）和功能材料（真空磁控溅射系统、多层软包电池生产线、光伏组件制备系统等）完整制备平台，以及球差校正透射电子显微镜、原位样品杆以及双束加工系统、光伏组件表征系统等先进分析测试平台。团队累计发表Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Acta Materialia等高水平期刊论文100多篇，授权发明专利10余项，获批国家自然科学基金（青年科学基金项目（A类）、区域联合重点项目、面上项目、青年基金）、河北省自然科学基金（重点项目、青年项目）、中央引导地方项目等30余项，承担河钢集团、中伟新材料股份有限公司等企业项目20余项。
本文推送内容基于河北工业大学层状材料与器件团队已发表的研究成果整理而成，相关论文已正式发表于【Materials Characterization】。本文仅对论文核心内容进行简要介绍与解读，旨在促进学术交流与成果传播。受篇幅及表述方式所限，相关内容未能完全覆盖论文全部细节，具体研究方法与结果请以论文原文为准。论文版权归期刊或出版社所有。欢迎转载与分享本文推送内容，请在显著位置注明出处并保留原文链接。感谢您的关注与支持，让我们共同助力材料学科的发展。
图文供稿 | 佟储光
本期编辑 | 耿梦雨
本期审稿 | 沈春光
