【科普系列】镀锌钢液态金属脆现象及其在电阻点焊中的表现

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什么是液态金属脆现象

    液态金属脆（liquid metal embrittlement, LME）是指通常具有韧性的固体金属或者合金与液态金属直接接触且受到拉伸应力时，其塑性降低并发生脆性断裂的现象。早在1914年，Huntington就在接触汞的黄铜中发现了脆化现象，并在后来的研究中LME被认定为一种环境介质影响致脆现象，类似于氢脆和回火脆化。液态金属脆的先决条件包含两点：一是固相金属受到一个足以产生塑性变形的拉应力；二是固体金属和液体金属在原子尺度的直接接触。研究表明液态金属脆具有特异性，只有特定的固液金属会发生液态金属脆现象(表1)。

表1 固液金属对发生LME的倾向性

(KAMDAR M H. Liquid metal embrittlement[J]. Treatise on Materials & Technology, 1983, 25(1): 361-459.）

    目前在汽车行业中，为了使钢板获得很好的耐腐蚀性能，一般采用钢板表面镀锌的方式，镀锌层一方面能够隔绝钢板和腐蚀环境，另一方面能够充当牺牲阳极，防止钢板氧化。但是镀锌钢在热加工过程中容易发生液态金属脆现象。

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镀锌钢液态金属脆的影响因素

    由于液态金属脆属于环境介质影响致脆现象，因此其影响因素多种多样。很多学者采用热拉伸实验来研究液态金属脆现象，发现温度、拉伸速率、冷加工和保温时间均会影响液态金属脆现象。

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温度

    镀锌钢液态金属脆一般发生在远高于Zn熔点的温度，并且随着温度增加到一定值之后，金属韧性会随之恢复，即液态金属脆发生于一定的温度区间(图1)。当温度低于这个区间时，Zn即使发生熔化也还未能浸润钢，当温度高于这个区间时，可能是Zn的蒸发、氧化或者是和钢发生反应，导致了表面液态Zn的缺失，从而阻碍了液态金属脆现象的发生，韧性恢复。

图1 不同温度下不镀锌(bare)和电镀锌(EG)TWIP钢韧性变化

(a) 断裂吸收功；(b) 断裂吸收功相对减少率

(BEAL C, KLEBER X, FABREGUE D, et al. Liquid zinc embrittlement of a high-manganese-content TWIP steel[J]. Philosophical Magazine Letters, 2011, 91(4):297-303.)

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应变速率

    一般而言，随着应变速率的提高，材料韧-脆转变温度不断下降，发生液态金属脆的温度区间变宽，液态金属脆敏感性不断上升(图2)。

图2 不同应变速率条件下镀锌TWIP钢随温度的韧性变化

(BEAL C, KLEBER X, FABREGUE D, et al. Liquid zinc embrittlement of twinning-induced plasticity steel[J]. Scripta Materialia, 2012, 66(12):1030-1033.)

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冷加工和预变形

    由于冷加工和预变形会改变钢中晶粒晶界，从而影响到液态Zn的润湿渗透，因此预变形也是影响液态金属脆的一个重要因素。

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保温时间

    随着保温时间的增加，液态金属脆性不断下降，韧性不断恢复(图3)。当保温时间增加的时候，钢和镀锌层之间的界面处形成金属间化合物，隔绝了镀锌层和钢的直接接触，从而阻碍了液态金属脆现象的发生。

图3 保温时间对镀锌钢液态金属脆现象的影响

(BEAL C, KLEBER X, FABREGUE D, et al. Embrittlement of a zinc coated high manganese TWIP steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 543:76-83.)

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镀锌钢电阻点焊的液态金属脆现象

    电阻点焊具有高自动化程度、高效率以及低成本的优点，是车身制造过程中一种非常重要的连接方式，焊点的质量直接影响着汽车车身的耐久性和安全性。在镀锌钢电阻点焊过程中，焊接材料表面温度较高，低熔点的镀锌层熔化，焊接电极的下压也会带来较大的拉伸应力，满足了液态金属脆的先决条件。因此，在镀锌高强钢电阻点焊焊点表面容易产生大量裂纹，严重制约了镀锌高强钢在车身制造领域的实际应用。

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发生区域

    镀锌钢在电阻点焊过程中，镀锌层熔化并润湿钢材表面的热影响区处(图4)，在焊接压力的作用下，液态金属脆裂纹往往在钢材表面的热影响区处萌生扩展。研究发现，大部分液态金属脆裂纹分布在电阻点焊电极头和镀锌钢接触区域的外围区域，有研究者通过SORPAS软件对镀锌钢电阻点焊过程进行有限元模拟，结果表明，在该处的温度处在液态金属脆温度区间内，并且存在较高的拉应力，解释了液态金属脆裂纹在该区域发生的原因。

图4 镀锌TWIP钢电阻点焊的液态金属脆裂纹

(LING Z X, CHEN T, KONG L, et al. Liquid metal embrittlement cracking during resistance spot welding of galvanized Q&P980 steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2019, 50(11):5128-5142.)

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影响参数

    影响镀锌钢液态金属脆的因素有很多，其中温度和应变速率是其中非常重要的因素。在电阻点焊过程中，除了焊接电流、焊接压力等焊接参数，电极对中度、电极磨损度等设备因素都会显著影响温度和应变速率，从而影响电阻点焊过程中液态金属脆的敏感度。而且镀锌层种类和钢材的组织结构这些材料本身的因素也会影响液态金属脆的敏感度。

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防范措施

    目前针对电阻点焊表面液态金属脆裂纹的抑制措施主要是通过控制热输入的方式，来抑制电阻点焊接头表面液态金属脆裂纹的产生。Ashiri等提出一种有效控制热量输入的方法(图5)来减少镀锌TWIP钢的液态金属脆现象从而扩大可焊电流区间范围。该方法采用了双脉冲焊接电流，第一个长脉冲电流用来形成所需最小熔核尺寸并且提供较强的塑性金属环区，在第一个脉冲末端形成的熔核外围产生一个紧密的机械密封。第二个短脉冲电流用来实现提升熔核直径且不产生液态金属脆裂纹。通过这种方式不仅能够获得没有液态金属脆裂纹的接头，延缓飞溅现象的产生，而且相比于原来仅有1.4 kA可焊电流区间的单脉冲电流，可焊电流区间提高到了2.6 kA，提高了85.7%。

图5 Ashiri提出的防止液态金属脆裂纹的措施

(ASHIRI R, SHAMANIAN M, SALIMIJAZI H R, et al. Liquid metal embrittlement-free welds of Zn-coated twinning induced plasticity steels[J]. Scripta Materialia, 2016, 114(1):41-47.)

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存在的问题及展望

    到目前为止，关于镀锌钢液态金属脆现象及其在电阻点焊时带来的裂纹缺陷的研究仍存在着很多难题和不足。一是对液态金属脆自身机理的研究还不够完善，很多研究都是基于假设或者经验法则的基础上进行的；二是对于电阻点焊过程中液态金属脆裂纹产生机理和工艺优化的研究不足，目前大部分研究仅仅是讨论焊接参数对液态金属脆的影响；三是液态金属脆裂纹的产生对点焊接头服役性能具有何种影响尚不明确。这一系列的问题可以从以下研究角度和方法进行深入研究：

(1) 针对液态金属脆机理研究不够完善的问题，可以采用更加先进的表征和模拟手段，比如采用高温原位拉伸实验对液态金属脆裂纹产生过程进行观察，并结合分子动力学模拟对液态金属脆的机理进行解释。

(2) 为了抑制电阻点焊过程中液态金属脆裂纹的产生，可以通过优化焊接工艺或者设计新型电极帽，调整经常产生液态金属脆裂纹区域的温度和应力，使得这些区域不满足液态金属脆产生的先决条件，从而抑制电阻点焊液态金属脆裂纹的形成。

(3) 液态金属脆裂纹对点焊接头服役性能影响不明确，因此还需要对存在液态金属脆裂纹的点焊接头进行进一步性能测试，比如疲劳测试，准静态力学性能测试等等，也可以通过有限元模拟的方式，分析不同形态不同深度的液态金属脆裂纹对点焊接头服役性能的影响程度，从而制定相关标准规范。如果解决了上述问题，在科学研究和工业应用方面都有着非常高的价值和意义。

原文出处：

镀锌钢液态金属脆现象及其在电阻点焊过程中的表现

陈　挺，凌展翔，王　敏，孔　谅

2020, 48 (4): 89-99.   

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000657