近年來(lái)，熱成形鋼在汽車(chē)輕量化與結(jié)構(gòu)安全性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。以白車(chē)身為例，部分車(chē)型上的熱成形鋼應(yīng)用比例接近50%。國(guó)內(nèi)的熱成形鋼生產(chǎn)線也從2011年的11條增長(zhǎng)至2020年的180條以上。在熱成形過(guò)程中，為避免鋼材表面的氧化、脫碳，通常會(huì)在熱成形鋼表面預(yù)涂鍍Al-Si鍍層。Al-Si鍍層由ArcelorMittal公司在2007年首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在避免氧化、脫碳的同時(shí)，又具有提高耐蝕性、可直接涂裝、保護(hù)模具等優(yōu)點(diǎn)，極大地推動(dòng)了熱成形鋼和熱成形技術(shù)的發(fā)展。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)Al-Si鍍層熱成形鋼對(duì)比同等強(qiáng)度的裸板，其彎曲韌性大幅降低，這限制了車(chē)身安全結(jié)構(gòu)件的進(jìn)一步輕量化。最近，東北大學(xué)易紅亮教授等人開(kāi)發(fā)出了新型薄鋁硅鍍層（專(zhuān)利授權(quán)公告號(hào)CN 108588612B），通過(guò)減薄鋁硅鍍層厚度，改善熱成形鋼的彎曲韌性，并也兼具了傳統(tǒng)Al-Si鍍層避免氧化、脫碳的、提高耐蝕性、可直接涂裝、保護(hù)模具等優(yōu)點(diǎn)。但目前，該新型薄鋁硅鍍層改善韌性的具體機(jī)制仍不完全清晰。

香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣教授團(tuán)隊(duì)的最新研究，通過(guò)分析Al-Si鍍層熱成形鋼的裂紋擴(kuò)展與斷裂機(jī)制，解釋了薄鍍層改善熱成形鋼彎曲韌性的具體原因，有望推動(dòng)傳統(tǒng)厚Al-Si鍍層向新型薄Al-Si鍍層的轉(zhuǎn)變。相關(guān)論文于近日以題“Improving the bending toughness of Al-Si coated press-hardened steel by tailoring coating thickness”發(fā)表在Scripta Materialia 上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.10.008

本研究首先對(duì)Al-Si鍍層的微觀組織與裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，Al-Si鍍層熱成形鋼在熱成形后的微觀組織主要由金屬間化合物層、鐵素體層、馬氏體基底構(gòu)成。其中，金屬間化合物呈脆性，在熱成形后就已經(jīng)存在裂紋，是鍍層裂紋的源頭，盡管鐵素體層韌性相對(duì)較好，但仍然無(wú)法阻止裂紋向基底擴(kuò)展。其主要原因可能在于兩方面：高Al/Si含量的鐵素體，由于Al/Si固溶造成大量晶格畸變，其本身呈脆性；低Al/Si含量的鐵素體，厚度僅為1-2μm，不足以有效阻礙裂紋擴(kuò)展。同時(shí)，在厚鍍層與薄鍍層熱成形鋼中靠近鍍層的區(qū)域，均未發(fā)現(xiàn)高碳片狀馬氏體。

通過(guò)對(duì)比厚鍍層與薄鍍層熱成形鋼的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)兩種熱成形鋼的拉伸性能與顯微硬度非常接近，但是按照VDA238-100標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的彎曲韌性卻存在明顯差異，薄鍍層熱成形鋼的彎曲韌性明顯更好。研究分析了彎曲試驗(yàn)后的微觀組織與斷口形貌，發(fā)現(xiàn)在彎曲變形過(guò)程中，斷裂總是從樣品表面開(kāi)始，因而彎曲韌性對(duì)鍍層裂紋更加敏感，鍍層裂紋在擴(kuò)展至馬氏體基體后，在裂紋尖端會(huì)形成高應(yīng)力集中，可以誘發(fā)局部剪切變形，最終導(dǎo)致斷裂。通過(guò)建立裂紋擴(kuò)展模型發(fā)現(xiàn)，薄鍍層由于鍍層厚度更小，鍍層裂紋長(zhǎng)度更短，裂紋尖端的應(yīng)力集中也更小，因而薄鍍層熱成形鋼的彎曲韌性也更好。

同時(shí)，該論文附件也給出了薄鍍層熱成形鋼涂裝性能與耐蝕性能的評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)是在通用汽車(chē)公司認(rèn)證的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，包括了附著性能、落石沖擊性能、循環(huán)腐蝕性能等。評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，薄鍍層熱成形鋼的涂裝性能和耐蝕性能與厚鍍層熱成形鋼沒(méi)有明顯差異。

總而言之，本研究解釋了薄鍍層改善Al-Si鍍層熱成形鋼彎曲韌性的微觀機(jī)制。在改善彎曲韌性的同時(shí)，薄Al-Si鍍層熱成形鋼具備出色的涂裝性能與耐蝕性能，又能夠節(jié)約鍍層原材料成本、提升熱浸鍍效率，有望在未來(lái)替代傳統(tǒng)厚Al-Si鍍層，影響全球熱成形鋼產(chǎn)業(yè)。

圖1 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的微觀組織。

圖2 Al-Si鍍層中鐵素體層的TEM表征。

圖3 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的力學(xué)性能。（AlSi13為薄鍍層、AlSi35為厚鍍層）

圖4 Al-Si鍍層熱成形鋼在變形后的微觀組織。在彎曲變形后，可以觀察到Al-Si鍍層裂紋誘發(fā)的剪切帶。

圖5 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的斷口形貌。

圖6 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的附著性能試驗(yàn)。

圖7 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的落石沖擊試驗(yàn)。

圖8 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)。