热镀锌合金化镀层裂纹扩展机制及镀层粉化机理研究

本项目主要针对目前热镀锌合金化钢板在冲压变形过程产生的镀层粉化和附着力差的问题，通过扫描电镜研究合金化镀层中裂纹尖端的微观结构及镀层裂纹扩展的原位过程，利用分子动力学、密度泛函理论结合塑性-韧性断裂理论、复合材料的微观断裂力学及材料界面理论分析合金化镀层在变形过程中裂纹产生及扩展的一系列问题，从合金化镀层微观结构的角度出发找出镀层在变形过程中内部产生和扩展的变化情况；得出合金化镀层中裂纹扩展及粉化机理，并建立热镀锌合金化镀层裂纹扩展机制的模型，为从理论上解释合金化镀层的粉化问题提供依据，以期为改善合金化镀层的相结构、提高合金化镀层的抗粉化性能提供理论支持。

热镀锌合金化钢板由于具有良好的焊接性、涂装性和耐蚀性已逐渐成为汽车用钢板的主流产品，但合金化镀层中的各种Fe-Zn合金相均较纯锌相硬而脆，成形时容易发生粉化和剥落。虽然热镀锌工作者对热镀锌的反应机理、镀层的合金化过程、相结构及抗粉化性能等做了大量的研究，但是关于合金化镀层的粉化机理存在各种不同的解释，并且热镀锌及合金化镀层界面微观结构的变化对镀层性能的影响也没深入研究，因此，本文将从微观角度系统地研究铝含量对镀层界面结构的影响，建立抑制层形成过程和镀层合金化过程的数学模型。采用原位观察的方法研究了镀层中裂纹产生、扩展与镀层粉化量的关系，从微观结构角度找出裂纹源的产生和裂纹扩展的路径和方向，得出合金化镀层的断裂机理，并建立裂纹扩展机制的数学模型。主要研究成果如下：.（1）用GD-OES和EBSD的方法研究了抑制层的相关特性，发现随着铝含量的增加，界面铝元素的富集情况越明显，其厚度随着铝含量的增加而增加，靠近钢基体一侧铝含量的峰值高于镀层一侧。.（2）完整地建立了Fe2Al5Znx抑制层形成的动力学模型，能准确计算铁和铝在界面扩散层中的浓度分布，形核率，平均临界形核半径，铁的过饱和溶解度以及形成连续界面层所需时间等参数。首次用原位观察的方法分析了铝含量不同的镀层合金化时表面和断面显微结构的变化，基于镀层物质的量守恒的相界移动扩散理论建立了Fe-Zn扩散的数学模型，可以很好地模拟合金化工艺参数，并能准确预测镀层中的铁含量和界面层的厚度。.（3）用原位观察的方法分析了铝含量及合金化工艺不同的镀层在拉伸及三点弯曲实验时裂纹产生及扩展的情况，明确了合金化钢板变形时的应力、应变状态分布，首次从理论上解释了镀层中应力来源和应力大小与变形曲率的关系，并对影响镀层剥落和粉化的驱动力进行了分析，系统研究了合金化镀层的粉化和脱落过程。.（4）系统地研究了铝含量及合金化工艺不同的镀层表面特性，分析了镀层与模具界面间的相互作用行为；首次从微观角度建立了镀层表面与模具相互作用时显微结构变化的数学模型。并首次用氧化膜附着力测试系统定量测得了镀层的附着强度，结果显示，随着铝含量的增加，镀层的附着强度逐渐增加，当铁含量在15wt.%左右时，铝含量不同的三种镀层的附着强度最差。