开发恒定载荷测试法评估先进高强钢液态金属脆化敏感性的突破性研究

《Welding in the World》：Development of a constant load test to determine the liquid metal embrittlement susceptibility of advanced high-strength steels

本研究针对先进高强钢（AHSS）电阻点焊（RSW）中液态金属脆化（LME）难题，开发了新型恒定载荷测试（CLT）方法。通过对比三种镀锌/未镀锌钢在热拉伸过程中的断裂温度与延伸率差异，成功量化了硼元素对LME的抑制效应，为高硅第三代AHSS（3rd Gen AHSS）的焊接工艺优化提供了关键评价工具。

　　

在汽车工业追求轻量化和安全性的驱动下，第三代先进高强钢（3^rd Gen AHSS）因其高强度与优异延展性成为理想材料。然而，电阻点焊（RSW）过程中，锌涂层在高温下沿晶界扩散引发的液态金属脆化（Liquid Metal Embrittlement, LME）导致材料延展性骤降和早期断裂，成为制约其应用的关键难题。现有评估方法如热拉伸试验（HTT）和焊接测试存在局限性：HTT在标准应变速率（3 mm/s）下难以区分细微材料差异，而焊接测试参数复杂且难以标准化。尤其对于含硼改性钢种，传统方法无法有效验证其抗LME性能，亟需开发更精准、高效的测试技术。

为此，奥地利格拉茨理工大学与voestalpine Stahl GmbH合作，创新性地提出恒定载荷测试（Constant Load Test, CLT）方法。该研究利用Gleeble? 3800热机械模拟器，通过气动系统（Air Ram）施加恒定预载荷（2-6 kN），以300 K/s的速率加热样品直至断裂，同步记录温度、延伸率和测试速度等参数。通过对比镀锌（EG/GI）与未镀锌（UC）样品的断裂温度、延伸率差异及动态测试速度（最高达180 mm/s），量化LME敏感性。研究聚焦三种典型钢材：高硅TBF1180（LME敏感）、硼改性TBF1180+B及低敏感性双相钢DP800，旨在验证CLT在区分材料性能、定位临界温度区间方面的优势。

关键技术方法包括：

1. 1.
   使用Gleeble? 3800热机械模拟器配置气动加载系统，确保恒载条件下快速响应热膨胀；
2. 2.
   样品设计遵循VDA标准（尺寸如图1所示），采用激光切割制备，热电偶焊接于中心测温；
3. 3.
   预载荷范围（2-6 kN）基于室温屈服强度计算，避免纯机械过载；
4. 4.
   以50%预载荷损失时刻的断裂温度、延伸率和测试速度作为核心评价指标；
5. 5.
   通过镀锌与未镀锌样品性能差异（△延伸率）推导LME敏感性关键值。所有样品来自voestalpine Stahl GmbH工业化卷材（厚度1.5 mm），涵盖电镀锌（EG）和热镀锌（GI）工艺。

3.1 测试速度与CLT优势

CLT在高速变形条件下（最高180 mm/s）成功区分了TBF1180与TBF1180+B的LME敏感性，而传统HTT在低应变速率下无法实现。动态测试速度随预载荷增加而上升，证实CLT更接近实际焊接的应力-应变条件，为触发LME提供了必要动力学环境。

3.2 预载荷对断裂温度与延伸率的影响

较高预载荷导致所有样品断裂温度降低，镀锌样品始终在更低温度下断裂（图4），印证LME裂纹的早期扩展。延伸率分析表明（图5），镀锌TBF1180延伸率极低且随预载荷变化小，体现严重脆化；而TBF1180+B在5 kN以上预载荷时延伸率显著回升，显示硼的改善作用；DP800在高温区（>700°C）开始出现LME敏感性，但与未镀锌样品差异随预载荷增加而减小。

3.3 温度与延伸率的关联分析

图6综合揭示断裂温度与延伸率的协同变化：TBF1180镀锌样品延伸率始终低位，表明全温度区间LME敏感；TBF1180+B在低温区（<700°C）延伸率明显改善，证实硼在抑制锌扩散方面的作用；DP800在高温区（>700°C）延伸率差异扩大，暗示奥氏体化（Ac₁温度以上）加剧LME风险。CLT通过定位临界温度区间，提供了HTT无法实现的材料行为精细化解析。

3.4 关键值评价

以镀锌与未镀锌样品延伸率相对差值（△）作为关键指标（图7），明确区分材料敏感性：TBF1180+B在5 kN以上预载荷时△值显著低于TBF1180，证明硼改性的有效性；DP800在4 kN以上预载荷（低温区）△值趋零，符合其低敏感性特征。该关键值克服了绝对数值依赖，为快速评估提供了标准化路径。

结论与展望

CLT作为一种新兴测试方法，在速度（远超HTT的3 mm/s）、简化性和区分度上展现显著优势：成功鉴别硼改性钢的抗LME性能，并首次发现DP800在高温区的潜在敏感性。其能力源于高速变形（180 mm/s）与恒载加热的耦合，更真实模拟焊接热-力条件。然而，该方法仍需完善标准化参数、验证样本复现性及扩大材料谱系测试。未来需探索与其他测试方法（如RSW、GMAB）的相关性，并推动关键值评价标准的建立。CLT有望成为HTT与焊接测试间的桥梁，为高强钢焊接工艺开发与材料设计提供高效筛查工具。

本研究由voestalpine Stahl GmbH资助，发表于《Welding in the World》（2025），论文首次系统论证CLT在LME评估中的可行性，为行业解决了高硅AHSS焊接评价难题。