鋼鐵被譽為國家的脊梁，是現(xiàn)代工業(yè)的基石。2024年全球鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)約18.85億t粗鋼，其中我國生產(chǎn)約10.05億t，在粗鋼市場占據(jù)主導地位。粗鋼的生產(chǎn)主要由傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼與短流程電爐煉鋼組成，2024年全球范圍內(nèi)傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼約占全球鋼鐵產(chǎn)量的70.4%，短流程電爐煉鋼約占29.1%；而我國電爐煉鋼產(chǎn)量僅占總粗鋼產(chǎn)量的10.2%。以廢鋼作為原材料的電爐煉鋼相較于傳統(tǒng)長流程高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼具有更低的碳排放量，僅占傳統(tǒng)高爐煉鋼碳排放的27.8%。因此，積極發(fā)展以電爐煉鋼為代表的新一代煉鋼技術(shù)是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要途徑。然而，隨著廢鋼回收次數(shù)的增加，以Cu、Sn為代表的殘余元素會不斷在鋼中富集，進而弱化鋼材的性能、降低鋼材使用壽命。
本文以廢鋼回收過程中殘余元素循環(huán)富集問題為切入點，綜述殘余元素Cu在鋼中的演化過程和影響規(guī)律。由于殘余元素Cu來源廣泛，在后續(xù)熱處理過程中容易引起材料表面開裂且缺乏有效的控制手段，因此，主要聚焦于殘余元素Cu的富集形式、危害性、破壞方式及破壞機理，從宏觀、介觀、微觀多尺度詳細闡述其在鋼中的演化過程。
01鋼中殘余元素分類及影響
殘余元素（Tramp Elements）通常是指在鋼的冶煉過程中難以完全去除，并且會在后續(xù)循環(huán)利用過程中逐漸富集的微量元素。當這些元素的含量超過閾值，會對鋼材的品質(zhì)與力學性能產(chǎn)生負面影響。為了降低殘余元素在鋼中的含量，通常采用吹氧法或蒸發(fā)法加以去除。圖1為1873K下各元素與其穩(wěn)定氧化物達到平衡時的氧分壓和平衡蒸氣壓，氧分壓反映氧化反應(yīng)趨勢，平衡蒸氣壓反映元素蒸發(fā)傾向。使用吹氧法時，氧分壓低于Fe的元素會被完全去除；而使用蒸發(fā)法時，飽和蒸氣壓低于Fe的元素會被完全去除。因此，采用吹氧法和蒸發(fā)法時，僅存在少量無法被完全去除的元素，如Cu、Sn、Zn、As等。根據(jù)殘余元素的來源與特性，可以將其分為三類：在冶金過程中不可去除且非故意添加的元素，如As、Sn、Sb等，這些元素通常會對鋼材性能產(chǎn)生有害影響；生產(chǎn)工藝中為提高某些性能特意添加的元素，如Cu、Ni、Zn等；冶金過程中容易與其他溶質(zhì)原子共同作用，形成有害夾雜的間隙原子，如S、N等。
Daigo等人對廢鋼中常見元素的類型及含量進行了詳細的分析，見圖2所示。由圖2可以看出，廢鋼中Cu、Sn、P、S等殘余元素均具有較高的含量。此外，Panasiuk等人統(tǒng)計了多個國家和地區(qū)所產(chǎn)鋼中殘余元素的含量，其中日本、西歐地區(qū)所產(chǎn)鋼中Cu、Sn等殘余元素含量相對較高，烏克蘭所產(chǎn)鋼中Ni含量相對較高，反觀我國所產(chǎn)鋼中殘余元素含量均相對較少。以日本為例，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于日本自20世紀70年代開始發(fā)展了廢鋼回收體系以及電爐煉鋼工藝。目前我國鋼鐵冶金行業(yè)主要依賴礦石作為基礎(chǔ)原料，廢鋼回收利用率相對較低。未來隨著全球礦石資源日益緊缺，發(fā)展以廢鋼回收為主導的鋼鐵冶金技術(shù)將成為我國鋼鐵行業(yè)的重要方向。然而，這一轉(zhuǎn)變也將導致鋼鐵生產(chǎn)中殘余元素不斷富集的問題日趨顯著。因此，系統(tǒng)研究殘余元素對鋼材性能的影響，全面評估其作用機制，對于開發(fā)新型鋼材、優(yōu)化加工工藝、調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)具有重要意義，并將為制定科學的殘余元素控制策略（如成分優(yōu)化和工藝調(diào)整等）提供理論支撐。
表1匯總了典型殘余元素對廢鋼冶金過程及鋼材性能的影響，由表1可以看出，Cu、Sn等殘余元素均會顯著影響凝固、相變等過程，對晶界產(chǎn)生嚴重危害，進而影響鋼材宏觀性能。
02殘余元素Cu的富集與影響
2.1 殘余元素Cu的富集
Cu作為鋼中最重要的殘余元素之一，其含量在鋼鐵循環(huán)回收過程中呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。這種富集主要源于廢鋼原料中混雜的含Cu部件，包括汽車（如電線線束、電機繞組、散熱器、連接器）、電子電氣廢棄物、黃銅/青銅制品、帶銅涂層材料等。圖3為鋼中Cu元素的含量演變趨勢。如圖3（a）所示，汽車產(chǎn)業(yè)的電氣化轉(zhuǎn)型已成為推動Cu含量增長的核心因素，不同類型車輛對Cu的需求量差異顯著。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車（Gasoline）需Cu量約為20 kg，新能源混合動力車（Hybrid）和插電式電動汽車（Plug-in electric）的需Cu量約為40 kg 及109 kg。伴隨著全球汽車電氣化進程加速，未來進入報廢回收階段的含Cu汽車部件總量將顯著增加，廢鋼中Cu污染將日益嚴峻。圖3（b）給出了多種廢料中殘余元素的分布特征，由圖3（b）看出，無論是切削廢鋼（Shredder scrap）、廢棄廢鋼（Obsolete scrap）、自產(chǎn)廢鋼（Home scrap）還是熱態(tài)廢鋼（Hot scrap），各類廢鋼中的Cu含量顯著高于其他常見殘余元素（Cr，Ni，Mo，Sn），這表明Cu污染是廢鋼回收中面臨的最嚴峻的問題。更為關(guān)鍵的是，統(tǒng)計結(jié)果表明，近20年來，幾乎所有品類的廢鋼中Cu含量均呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，Yamamoto等人于2013年根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建了不同等級廢鋼Cu含量的預(yù)測模型，如圖3（c）所示，預(yù)計到2030年，廢鋼中的Cu含量會進一步上升。
2.2 殘余元素Cu的控制困境
廢鋼回收體系中，Cu作為含量最高的殘余元素，其脫除已成為制約綠色鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心瓶頸。Daehn等人系統(tǒng)分析了鋼中Cu元素不同脫除方法的脫除效率與比能耗，圖4為典型廢鋼脫Cu工藝能耗與脫除后Cu含量的關(guān)系。
圖4量化了不同工藝條件Cu元素的脫除極限以及對應(yīng)所需的能耗，真空電弧重熔法可有效去除Cu，然而該工藝需在真空環(huán)境下對合金進行熔煉，單次熔煉數(shù)量有限，處理速率低，導致其僅能用于高質(zhì)量、小批量的特殊鋼生產(chǎn)，難以實現(xiàn)大規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)，此外，相比于其他方法其能耗較高。能耗較低的物理分離方法及固體廢鋼預(yù)處理技術(shù)（如硫化物冰銅提取、氯化氣體處理法和鋁提取法）雖然展現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿?，但高昂的處理成本以及硫化物等污染物帶來的環(huán)境風險嚴重限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。綜合來看，目前工業(yè)上仍缺乏去除廢鋼中Cu元素的有效方法，依賴于現(xiàn)有技術(shù)路線無法滿足日趨增長的脫Cu需求。
2.3 殘余元素Cu的分布形態(tài)與調(diào)控
鋼材在高溫熱處理過程中，低熔點的富Cu相會熔化形成液相，液相Cu會不斷富集在氧化層和基體界面并且浸入到晶界處，進而在后續(xù)熱軋過程中引發(fā)表面裂紋缺陷。Ye?iltepe等人通過對比不同Cu含量碳鋼在高溫下的Cu元素偏聚行為，研究了碳鋼中Cu的氧化動力學，研究表明Cu含量升高會增加碳鋼的氧化水平，同時Cu致裂紋的形成與擴展行為與氧原子在材料內(nèi)部的擴散路徑密切相關(guān)。Lu等人研究了不同凝固速率合金試樣在1100 ℃等溫10 min后的裂紋分布特征，進一步揭示了凝固行為對Cu分布的影響規(guī)律。圖5為高銅低碳鋼中Cu相微觀形貌與裂紋機理。
由圖5（a）看出，試樣橫截面微觀組織結(jié)果表明，亞快速凝固（~2160K/s）樣品僅在頂部形成了一層薄的氧化層，Cu元素以1~2 μm的細小顆粒在界面處彌散分布。與之相反，由圖5（b）看出，常規(guī)凝固條件下試樣橫截面表現(xiàn)出典型的三層結(jié)構(gòu)（氧化層、Cu偏聚層、鋼基體），能譜結(jié)果表明Cu會沿晶界向基體滲透。當樣品溫度達到1100°C時，試樣中的富Cu相熔融并在基體和氧化層直接富集形成Cu的偏析層，導致樣品強度與塑性急劇下降。此外，液態(tài)Cu 會通過潤濕作用進入基體晶界，最終成為裂紋形核的直接誘因。由圖5（c）看出，高溫處理后樣品中的Cu分布直接取決于凝固過程中由冷卻模式主導的Cu析出行為。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，要實現(xiàn)亞快速凝固所需的極高冷卻速率，目前仍面臨著巨大的工藝挑戰(zhàn)，難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
在銅致熱脆裂紋問題日益突出的背景下，從根本上抑制Cu的有害作用成為鋼鐵廢鋼回收的研究重點。Kuzuhara 等人定量評估了再生鋼中殘余元素在微觀區(qū)域的濃度分布，分析了Cu元素濃度與其他元素之間的相關(guān)性。實驗結(jié)果表明，Sn與Cu之間的相關(guān)系數(shù)為0.65，存在較強的正相關(guān)性；而Ni與Cu的相關(guān)系數(shù)僅為0.1。Chung等人針對廢鋼中Cu富集引發(fā)的表面熱脆問題，在連鑄過程中引入富Ni層，通過增大Cu在奧氏體相中的溶解度，抑制了Cu的液相析出，進而弱化了其有害作用。圖6為富Ni層對鋼表面微觀組織的影響規(guī)律以及對銅致裂紋的抑制機理。
由圖6（a）看出，無富Ni層時，Cu會在鋼基體與氧化層之間大量富集，同時富Cu液相在高溫下會沿奧氏體晶界向基體滲透，成為熱脆裂紋形成的源頭；由圖6（b）看出，當引入富Ni層時，Ni元素的加入提高了Cu在鋼中的溶解度，有效抑制了Cu元素在界面處的富集，從而降低裂紋產(chǎn)生的風險。Imai 等人研究了Cu 對鋼材熱加工性能的影響，建立了表面開裂與微觀組織之間的關(guān)系，并討論了不同溫度下Cu-Ni富集相的形成機理。
圖6（c）和圖6（d）分別展示了Fe-0.3Cu-0.15Ni（質(zhì)量分數(shù)，%）鋼在1100 ℃和1200 ℃下鋼中Cu/Ni富集相的形成機制。在1100 ℃的氧化溫度下Cu存在大量富集，形成成分為66Cu-15Ni-Fe（質(zhì)量分數(shù)，%）的富Cu相；而在1200 ℃的氧化溫度下只形成了16Cu-27Ni-Fe（質(zhì)量分數(shù)，%）的貧Cu相。在1200 ℃溫度下，在奧氏體中Cu原子比Ni原子具有更高的擴散系數(shù)，這使Cu原子向基體內(nèi)部回溶的速度比Ni原子更快，進一步導致界面處Ni富集程度高于Cu，從而減弱了富Cu相向晶界的滲透，這為富Ni層抑制銅致熱脆裂紋提供了理論支撐。
Ramadan等人研究了再生鋼中析出相形態(tài)隨Cu含量的演化規(guī)律及其對再生鋼沖擊韌性和延展性的影響機制。研究表明，隨著Cu 質(zhì)量分數(shù)從0.25%增加到0.58%，室溫下沖擊功從130J下降到35J，且含Cu樣品的低溫沖擊功均低于12J，沖擊功顯著降低源于晶界處形成了SiMn+MnCuS+Cu3P長條狀復雜析出相。添加0.77%Ni和0.44%Si（質(zhì)量分數(shù)）能顯著緩解Cu對熱延展性的不利影響，Si與Ni的復合添加，通過形成高熔點化合物并提高Cu 在奧氏體中的溶解度，減少富Cu 共晶區(qū)的數(shù)量。此外，Si和Ni還會改變含Cu析出物的化學成分，使其轉(zhuǎn)化為化學式為NiSiMnCu+MnS的球狀復雜析出相，并且Cu會在MnS周圍形成核殼結(jié)構(gòu)。相比于SiMn+MnCuS+Cu3P的長條狀復雜析出相，NiSiMnCu+MnS 球狀析出相優(yōu)化了Cu 的分布，緩解了對熱塑性的不利影響，潛在緩解對沖擊功的不利影響。
與Ni形成鮮明對比的是，殘余元素Sn則會顯著加劇Cu元素的富集。Sn會降低Cu在奧氏體中的溶解度，從而促進富Cu相的析出。針對這一復雜的多元素交互作用，Bernhard 等人提出了一個特征值Cueq（Cu當量），來衡量Cu/Sn/Ni共同作用下對裂紋的影響。Cu當量的典型公式如下：
ω［Cu］eq=ω［Cu］+10ω［Sn］-ω［Ni］-2ω［S］ （1）
式中，ω［Cu］、ω［Sn］、ω［Ni］、ω［S］分別為Cu、Sn、Ni、S 的質(zhì)量分數(shù)，%；Cueq 的臨界范圍為0.25%~0.30%（質(zhì)量分數(shù)），當超過該臨界范圍時會顯著增加樣品表面裂紋數(shù)量。從式（1）不難發(fā)現(xiàn)，Cu、Sn的含量增加會逼近Cueq的臨界范圍；而Ni會緩解這一趨勢，同時S會降低Cueq的臨界范圍，但S含量過高時，Cu與S會結(jié)合形成細小的硫化銅沉淀，降低延展性。
為驗證這一量化模型，Bernhard等人針對不同Cu、Sn和Ni含量的中碳鋼開展了10次彎曲試驗，測試鋼種的化學成分，除Cu、Sn、Ni外，其余元素成分均保持恒定（S含量為0.003%）。圖7為合金成分對裂紋特征的影響。
由圖7（a）看出，光鏡照片直觀呈現(xiàn)了不同成分樣品表面的裂紋差異，0號鋼中殘余元素含量較低，樣品表面僅沿奧氏體晶界附近形成較少缺陷；6號鋼中Ni含量<0.002%，未對Cu偏析形成有效抑制，因此形成了嚴重的網(wǎng)狀裂紋；10號鋼中加入了0.36%的Ni，Ni元素對Cu偏析的抑制作用使得裂紋數(shù)量顯著減少。由圖7（b）看出殘余元素種類及成分對合金樣品表面裂紋數(shù)量的影響，當單獨加入微量殘余元素Cu和Sn時（1號鋼和2號鋼，Cueq=0.15和Cueq=0.16），合金表面缺陷顯著減少；而同時加Cu和Sn元素時（3號鋼和6號鋼，Cueq=0.54 和Cueq=0.28），樣品表面缺陷顯著增多；當額外加入Ni元素時，Cu、Sn引起的表面裂紋數(shù)量顯著減少（7號鋼、9號鋼和10號鋼，Cueq=0.12，Cueq=0.05 和Cueq=0）。彎曲試驗的結(jié)果明確了鑄造過程中導致表面開裂的Cu和Sn含量，同時明確證實了Ni的抑制作用。
Gaiser等人研究了Cu、Sn、Ni對中低碳鋼高溫氧化行為的影響，圖8為板坯再加熱界面微觀形貌與元素分布表征，其微觀層面的EDS結(jié)果更清晰揭示了元素的作用機制。
由圖8（a）看出，鋼中含有殘余元素Cu/Sn時，氧會優(yōu)先在晶界處被捕捉形成氧化層，進而滲入基體與Si、Mn、P形成化合物；同時，界面處出現(xiàn)了明顯的含Sn富Cu相，這進一步表明Sn與Cu存在正相關(guān)關(guān)系。相反，由圖8（b）看出，額外添加Ni元素后，界面處Cu元素的局部富集行為得到了有效抑制，同時富Ni層有效抑制了氧向基體的擴散，僅有少量的Cu和Ni沿晶界滲入基體，多尺度表征結(jié)果表明：Cu和Sn元素的富集是表面裂紋形成的關(guān)鍵因素，而Ni元素的加入對Cu/Sn在樣品表面的富集具有明顯的緩解效果。然而，由于Ni的價格比較昂貴，該方法在工業(yè)生產(chǎn)中并不具備推廣性。
殘余元素除了導致表面熱裂紋及對性能的負面影響外，部分學者還探索了微量殘余元素添加對鋼材的積極影響。Zhu等人通過研究殘余元素對Q&P鋼的微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)典型殘余元素（Cu+As+Sn+Sb+Bi<0.3%（質(zhì)量分數(shù)））時，殘余元素細化了晶粒尺寸，表現(xiàn)出了更高的強度和延展性。Duan等人研究了熱軋并模擬卷材冷卻過程中微量殘余元素對鋼材的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響，實驗結(jié)果表明殘余元素的添加導致貝氏體分數(shù)降低，有效晶粒尺寸變小，并在界面處形成富Cu析出相，提高了鋼的強度。殘余元素需要精準控制其含量以實現(xiàn)殘余元素無害化。目前關(guān)于殘余元素無害化的研究相對較少，殘余元素臨界含量隨鋼種變化的關(guān)系尚未完全建立，仍需進一步的探索。
03殘余元素沿晶界偏聚的機理
目前，關(guān)于殘余元素對鋼性能影響機制的研究主要聚焦于宏觀力學性能與微觀組織兩個維度，缺乏對于原子尺度形成機制的研究。隨著計算材料科學的快速發(fā)展，密度泛函理論（DFT）和機器學習為定量解析殘余元素的作用機制及其偏聚的形成機理提供了全新手段。本節(jié)將系統(tǒng)介紹上述方法在鋼中殘余元素研究的最新進展，重點探討殘余元素的偏聚行為、界面效應(yīng)及其與其他元素的交互作用等，進而為鋼中殘余元素的精確調(diào)控與無害化提供理論支撐。
Nutth等人基于機器學習的方法，利用通用原子間勢函數(shù)計算了Fe基二元合金溶質(zhì)原子在Σ5（210）［001］晶界的偏聚行為與晶界脆化作用，見圖9。
由圖9（a）看出，BCCΣ5（210）［001］晶界模型界面處共存在4個不等效位點。由圖9（b）和圖9（c）看出溶質(zhì)原子在BCC-Fe晶界不同偏聚位點處的偏聚能和脆化傾向。不難發(fā)現(xiàn)Cu、Sn、As等殘余元素的偏聚能較大，同時會顯著降低晶界內(nèi)聚力，誘導界面脆化。
Sakic等人對單/雙溶質(zhì)體系晶界偏聚行為進行了定量分析，見圖10。圖10（a）~（c）針對鋼中回火脆化這一關(guān)鍵問題，通過DFT計算討論了殘余元素As、Cr、Mo、Ni、Sb、Sn 在BCC-Fe 的Σ3（-111）［110］、Σ3（1-12）［110］和Σ9（221）［110］三種典型晶界處的偏聚行為，揭示了偏聚能隨殘余元素與晶界距離的演化關(guān)系，其中Sn、Sb、As在界面處表現(xiàn)出強烈的偏聚傾向，顯著降低晶界的內(nèi)聚力。為了進一步闡明溶質(zhì)原子間的協(xié)同偏聚作用，使用增量偏聚能來判斷溶質(zhì)原子對偏聚能的增強或削弱作用，如圖10（d）所示，圖10（d）中每組三行分別對應(yīng)晶界，熱圖色階反映增量偏聚能與單溶質(zhì)偏聚能的差值。計算結(jié)果表明，Ni的增量偏聚能多為負值，會增強其他溶質(zhì)原子的偏聚能力；而Mo對As、Sb、Sn的增量偏聚能為正，顯著降低其在晶界的偏聚能。結(jié)合前述實驗結(jié)果，Ni抑制Sn的富集可能是通過增大Sn在基體中的溶解度，而不是削弱Sn的偏聚。
圖11為BCC-FeΣ5（310）［100］晶界偏聚行為與強化機制。Wang等人計算了包括Cu、As、Sn等殘余元素在內(nèi)的33種常見溶質(zhì)原子在BCC-Fe的Σ5（310）［100］晶界不同點位處的偏聚和強化效應(yīng)，如圖11（a）所示，晶界模型示意圖共包含3個不等效位點。圖11（b）展示了摻雜位點1和2之間的偏聚能差值隨原子半徑演化關(guān)系，藍域代表與鐵原子半徑相近的小半徑溶質(zhì)原子，優(yōu)先偏聚到摻雜位點2，如Cu、As；綠域與黃域代表大半徑溶質(zhì)原子，前者優(yōu)先偏聚到摻雜位點1（如Sn、Zn），后者優(yōu)先偏聚到摻雜位點2（如Y、Sc）；圖11（c）統(tǒng)計了偏聚能與原子半徑之間的相關(guān)性，總體來看，原子半徑與偏聚能呈現(xiàn)負相關(guān)；圖11（d）則為強化能隨偏聚能的演化示意圖，其中溶質(zhì)原子在綠色區(qū)域表示傾向于強化晶界，相反在藍色區(qū)域則表示傾向于脆化晶界。計算結(jié)果表明，Cu、Sn、As、Sb等典型殘余元素傾向于在Σ5（310）［100］晶界處偏聚，并對晶界產(chǎn)生脆化作用；Ni、Mo等元素偏聚能力則較弱，對晶界產(chǎn)生強化作用。此外，Kazuma 等人利用第一性原理計算研究了順磁性γ-Fe中Cu和Sn引起的晶界脆化機制。計算結(jié)果表明，Cu和Sn的存在均會降低γ-Fe晶界的斷裂能、斷裂應(yīng)力及斷裂應(yīng)變，這一計算結(jié)果與表面熱脆性的實驗觀察結(jié)果高度吻合，進一步證明了殘余元素對晶界的破壞作用。
除上述偏聚能及元素交互作用的研究外，DFT與機器學習結(jié)合極大地促進了鋼中殘余元素的研究。Garrett等人通過計算不同取向下Fe-Cu界面能密度優(yōu)化了Cu的析出相模型，同時針對不同尺寸Cu納米析出相的應(yīng)變響應(yīng)展開研究，進一步深化了對Cu析出行為的認知。Scheiber等人通過第一性原理結(jié)合高通量計算方法，計算了多種金屬基體中多數(shù)元素的晶界和表面偏析能、強化能等關(guān)鍵參數(shù)，并借助機器學習方法結(jié)合描述符進行訓練與預(yù)測，得出周期表兩側(cè)元素偏析傾向顯著、過渡金屬偏析較弱的結(jié)論，且該機器學習模型的預(yù)測結(jié)果可外推至未訓練的組合中。此外，借助機器學習方法構(gòu)建勢函數(shù)并結(jié)合分子動力學模擬實現(xiàn)更大尺度的計算，已成為研究殘余元素的新路徑。Mei通過構(gòu)建BCC-Fe與Zn的機器學習勢函數(shù)，成功模擬了Zn誘導的金屬脆化過程，為揭示此類脆化機制提供了關(guān)鍵計算范式。
當前，利用密度泛函理論（DFT）與機器學習等計算手段在原子尺度探究殘余元素的晶界偏聚行為與脆化機制已成為研究主流，其趨勢正從單元素作用研究邁向多元素交互效應(yīng)探索，旨在揭示元素間的協(xié)同機制。然而，對多元復雜體系的動態(tài)偏聚過程及其與宏觀性能的定量關(guān)聯(lián)仍需深化。基于此，未來研究方向可聚焦于探究特定溶質(zhì)原子與晶界Cu的交互作用機制，通過篩選能抑制Cu偏聚或抵消其脆化的有益元素，從電子與幾何結(jié)構(gòu)層面闡明其作用機理，為實現(xiàn)鋼中Cu原子的無害化微合金化設(shè)計提供理論藍圖。
04結(jié)論
為實現(xiàn)碳達峰碳中和的國家發(fā)展目標，廢鋼回收已成為當前鋼鐵領(lǐng)域最有效的減碳路徑之一，而關(guān)于殘余元素的系統(tǒng)性研究是實現(xiàn)廢鋼高效利用的關(guān)鍵前提。Cu作為典型的殘余元素之一，因含Cu廢鋼來源繁多以及汽車電氣化進程的加速使Cu在廢鋼回收過程中持續(xù)富集，導致廢鋼中Cu污染問題日趨嚴峻。過去30年中關(guān)于殘余元素Cu的研究主要聚焦于Cu元素在表面及晶界處的富集規(guī)律、銅致熱脆裂紋的形成機制。這些研究揭示了殘余元素Cu在鋼鐵冶煉過程中的演化過程及其對性能的影響規(guī)律，增加了對其作用的認識。但是目前的研究仍局限在基礎(chǔ)理論研究階段，并未從根本上解決殘余元素Cu對鋼帶來的負面影響且難以應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)。因此，未來關(guān)于廢鋼中殘余元素的研究有許多問題尚待解決。例如：
（1） 實現(xiàn)鋼中殘余元素Cu的無害化，需要突破僅限于現(xiàn)象描述的研究，對Cu無害化的核心機制及調(diào)控機理進行研究。
（2） 為了對殘余元素Cu的調(diào)控提供精準理論指導，需要利用理論計算工具從原子尺度出發(fā)理解殘余元素的作用機理以及元素間的相互作用，進而為優(yōu)化現(xiàn)有材料制備工藝指明方向，最終實現(xiàn)殘余元素無害化。
（3） 未來關(guān)于殘余元素Cu的研究可以從理論計算出發(fā)并結(jié)合機器學習方法探究溶質(zhì)原子對銅致晶界脆化的影響機制，探索溶質(zhì)原子弱化晶界脆性的可能性，進而為實際生產(chǎn)指明優(yōu)化方向，實現(xiàn)殘余元素Cu的無害化，推進含Cu廢鋼回收產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為實現(xiàn)“雙碳”目標做出更大貢獻。
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