近年來，熱成形鋼在汽車輕量化與結構安全性方面發揮了至關重要的作用。以白車身為例，部分車型上的熱成形鋼應用比例接近50%。國內的熱成形鋼生產線也從2011年的11條增長至2020年的180條以上。在熱成形過程中，為避免鋼材表面的氧化、脫碳，通常會在熱成形鋼表面預涂鍍Al-Si鍍層。Al-Si鍍層由ArcelorMittal公司在2007年首次實現商業化，在避免氧化、脫碳的同時，又具有提高耐蝕性、可直接涂裝、保護模具等優點，極大地推動了熱成形鋼和熱成形技術的發展。

然而，在實際應用中，傳統Al-Si鍍層熱成形鋼對比同等強度的裸板，其彎曲韌性大幅降低，這限制了車身安全結構件的進一步輕量化。最近，東北大學易紅亮教授等人開發出了新型薄鋁硅鍍層（專利授權公告號CN 108588612B），通過減薄鋁硅鍍層厚度，改善熱成形鋼的彎曲韌性，并也兼具了傳統Al-Si鍍層避免氧化、脫碳的、提高耐蝕性、可直接涂裝、保護模具等優點。但目前，該新型薄鋁硅鍍層改善韌性的具體機制仍不完全清晰。

香港大學機械工程系黃明欣教授團隊的最新研究，通過分析Al-Si鍍層熱成形鋼的裂紋擴展與斷裂機制，解釋了薄鍍層改善熱成形鋼彎曲韌性的具體原因，有望推動傳統厚Al-Si鍍層向新型薄Al-Si鍍層的轉變。相關論文于近日以題“Improving the bending toughness of Al-Si coated press-hardened steel by tailoring coating thickness”發表在Scripta Materialia 上。

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

本研究首先對Al-Si鍍層的微觀組織與裂紋擴展進行了分析。研究發現，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、馬氏體基底構成。其中，金屬間化合物呈脆性，在熱成形后就已經存在裂紋，是鍍層裂紋的源頭，盡管鐵素體層韌性相對較好，但仍然無法阻止裂紋向基底擴展。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展。同時，在厚鍍層與薄鍍層熱成形鋼中靠近鍍層的區域，均未發現高碳片狀馬氏體。

通過對比厚鍍層與薄鍍層熱成形鋼的力學性能，發現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標準測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后的微觀組織與斷口形貌，發現在彎曲變形過程中，斷裂總是從樣品表面開始，因而彎曲韌性對鍍層裂紋更加敏感，鍍層裂紋在擴展至馬氏體基體后，在裂紋尖端會形成高應力集中，可以誘發局部剪切變形，最終導致斷裂。通過建立裂紋擴展模型發現，薄鍍層由于鍍層厚度更小，鍍層裂紋長度更短，裂紋尖端的應力集中也更小，因而薄鍍層熱成形鋼的彎曲韌性也更好。

同時，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價。這些評價是在通用汽車公司認證的第三方實驗室進行的，包括了附著性能、落石沖擊性能、循環腐蝕性能等。評價發現，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制。在改善彎曲韌性的同時，薄Al-Si鍍層熱成形鋼具備出色的涂裝性能與耐蝕性能，又能夠節約鍍層原材料成本、提升熱浸鍍效率，有望在未來替代傳統厚Al-Si鍍層，影響全球熱成形鋼產業。

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。

圖7 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的落石沖擊試驗。

圖8 兩種Al-Si鍍層熱成形鋼的循環腐蝕試驗。