用于分析AISI 1010钢上Zn-ZnO-CaCO3涂层抗冲击性能的实验与二维轴对称模拟方法

《Next Materials》：An experimental and 2D axisymmetric simulation approach for analysing the impact resistance of Zn-ZnO-CaCO? coating on AISI 1010 steel

　　

本研究旨在结合实验方法与数值模拟，优化AISI 1010钢表面电沉积形成的Zn–ZnO–CaCO₃复合涂层厚度。研究中采用5 V、7.5 V和10 V直流电压在AISI 1010钢表面沉积Zn–ZnO–CaCO₃复合涂层，获得不同厚度的涂层，并利用扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）对其微观结构进行分析。维氏硬度测试、冲击试验以及有限元方法（FEM）结果表明，施加5 V电压可形成最致密的涂层，并获得最高硬度198 HV；当涂层厚度由19.7 μm增加至62.2 μm时，样品SP1和S11的最大应力降低20–30%，最优厚度范围确定为36–50 μm。上述结果强调了优化电沉积参数对于提升涂层抗冲击性能的重要基础意义。

该论文发表于《Next Materials》，聚焦AISI 1010低碳钢表面Zn–ZnO–CaCO₃复合防护涂层的构筑及其抗冲击性能调控问题。低碳钢因具有良好的延展性、成形性和成本优势，被广泛应用于结构件、汽车部件及机械装备中，但在潮湿或含氯环境以及动态载荷条件下，材料表面易发生氧化、微裂纹、分层与力学性能退化，进而降低服役寿命与抗冲击能力。因此，如何通过表面工程提高低碳钢的表面完整性、耐蚀性及承受冲击载荷的能力，成为工程材料领域的重要研究议题。

现有Zn及ZnO基涂层可通过牺牲阳极保护与屏障效应改善钢材耐蚀性，但其服役效果高度依赖于涂层厚度。厚度过薄时，腐蚀介质易穿透涂层；厚度过大时，则可能引起内残余应力积累、开裂、剥离以及冲击过程中能量吸收不均等问题。与此同时，Zn–ZnO纳米复合体系因晶粒细化与屏障性能提升而具有更高硬度和耐蚀性，CaCO₃颗粒作为第二增强相则有助于改善致密性、降低孔隙率并促进载荷传递。然而，Zn、ZnO与CaCO₃三元协同复合体系在不同电沉积条件下的抗冲击机制、厚度效应及实验—数值关联规律仍缺乏系统研究。基于此，研究人员围绕电沉积电压、涂层厚度、微观组织、硬度与冲击响应之间的耦合关系开展研究，并借助二维轴对称有限元模型，分析冲击载荷下涂层—基体体系中的应力分布、变形行为与界面失效风险。

研究人员选用AISI 1010低碳钢为基体，在含Zn、ZnO与CaCO₃的电解液体系中，通过恒压电沉积制备不同厚度的复合涂层，并通过显微结构观察、元素分布分析、显微硬度测试、落锤冲击实验及Abaqus二维轴对称有限元模拟，对涂层抗冲击性能进行综合评价。研究表明，5 V条件下形成的涂层最为致密均匀，具有最高硬度198 HV；提高电压会促进涂层增厚，但也会带来孔隙、颗粒团聚、微裂纹及结构不均一性。冲击实验显示，厚度增加可降低中心挠度，但所有样品在7.848 J冲击能下仍发生界面失效。数值模拟进一步证明，较厚涂层可有效降低界面处最大拉应力并改善应力再分布能力，其中36–50 μm被确定为兼顾硬度、变形控制与应力水平的较优厚度区间。该研究的重要意义在于，为Zn基复合防护涂层在动态载荷环境下的结构设计提供了实验与模拟耦合依据，也为汽车、海洋结构及涡轮相关部件的抗冲击防护涂层开发提供了参考。

研究人员主要采用以下关键技术方法：以AISI 1010低碳钢矩形试样为基体，采用恒压直流电沉积法在pH 4.5、45 °C、20 min条件下制备Zn–ZnO–CaCO₃复合涂层；利用扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS，表征形貌与元素分布）分析截面微结构；采用维氏显微硬度测试评价表层力学强化效果；依据ASTM D-2794标准实施落锤冲击试验评估能量吸收与失效行为；基于Abaqus 2023建立二维轴对称有限元模型（FEM）模拟冲击过程中的S11、von Mises应力、接触压力与变形能分布，并与实验结果进行对照分析。

在研究结果部分，论文首先讨论“3.1 Thickness surface coating”。结果表明，随着电沉积电压由5 V升高至7.5 V和10 V，Zn-ZnO-CaCO₃涂层平均厚度分别达到27.6 μm、29.9 μm和44.1 μm，说明电压升高可提高离子迁移与沉积速率，从而促进涂层生长。与此同时，10 V条件下厚度波动更明显，反映出快速沉积伴随着较差的均匀性。研究据此指出，电学参数对沉积效率和层致密性具有决定性影响，而厚度增加虽有利于冲击载荷扩散，但并不必然带来涂层质量同步提升。

在“3.2 Microstructure characterisation of the surface coating”部分，研究人员通过SEM-EDS揭示了不同电压下涂层的微观组织及元素分布特征。5 V样品中，C、O、Ca、Zn等元素分布较均匀，涂层与基体界面较清晰，显示出较好的涂覆连续性和界面结合特征。7.5 V和10 V样品中，虽然表层C和O分布仍较为连续，但随着厚度增加，涂层内部逐渐出现微孔、ZnO颗粒团聚以及微裂纹等缺陷。研究据此认为，5 V条件更有利于在离子扩散与晶粒生长之间实现平衡，形成更致密、更均匀且力学稳定性更高的复合层；而高电压沉积易诱发残余应力增大和结构脆化，从而不利于抗冲击服役。

在“3.3 Microhardness behavior”部分，维氏硬度测试表明，AISIC_5V样品硬度最高，平均达198 HV；AISIC_7.5V和AISIC_10V样品分别为146 HV和154 HV。研究人员指出，5 V条件下较高的硬度来源于细晶组织、致密层结构以及ZnO与CaCO₃颗粒的弥散强化作用。相比之下，7.5 V条件下较快的沉积速率导致粗晶生长与孔隙增加，而10 V样品虽厚度更大，但过度氧化和颗粒分布不均使其脆性增强。由此可见，涂层耐冲击与耐磨性能并非单纯取决于硬度峰值，而取决于组织致密性、颗粒分散状态及界面黏附的协同作用。

在“3.4 Impact resistance of the Zn-ZnO-CaCO₃ composite coatings”部分，研究人员依据ASTM D-2794开展落锤冲击测试，在恒定冲击能7.848 J条件下比较不同涂层的抗冲击响应。结果显示，随着厚度由19.7 μm增加至22.5 μm和33.4 μm，试样中心挠度由3.30 mm逐步下降至2.97 mm和2.68 mm，说明涂层增厚提升了体系刚度并抑制了宏观变形。然而，全部样品最终均表现为失效，主要形式为涂层与基体界面脱层。论文据此指出，单纯增厚虽可改善刚度和变形响应，但若界面结合不足、内部残余应力过高，则仍难以抵御较强冲击载荷。

在“3.5 2D axisymmetric finite element simulation analysis”部分，Abaqus二维轴对称模拟揭示了动态冲击下复合涂层的应力演化机制。S11分析表明，在冲击初期涂层主要承受压应力，而在约1.4–1.6 ms阶段，界面附近出现最大拉应力，提示材料发生弹塑性转变并可能诱发裂纹萌生。与较薄涂层相比，较厚涂层的拉应力区域分布更均匀，峰值应力更低。具体而言，厚度由19.7 μm增加至33.4 μm时，最大拉应力由8848 MPa降至7166 MPa，降幅约19%，压应力绝对值也同步降低。这说明增厚后的复合层能够扩大应力分布路径、提升能量耗散能力并减弱界面应力集中。

在“3.6 Experiment-simulation correlation and the finest thickness mechanism”部分，研究人员将实验与模拟结果进行关联分析，进一步考察厚度对主应力SP1和法向应力S11的影响规律。结果表明，SP1与S11并不随厚度单调变化，但在中高厚度范围总体呈下降趋势。当厚度提高至36–50 μm时，体系表现出更优的应力再分布与冲击耐受能力；50 μm时SP1明显降低，60 μm附近S11亦降至较低水平。论文特别指出，最优厚度并不意味着完全避免失效，而是指在较低挠度、较低峰值应力、较佳硬度和较迟界面损伤之间实现平衡。因此，36–50 μm被确定为本研究条件下最有利的厚度区间。

论文讨论部分强调，Zn–ZnO–CaCO₃复合涂层的服役表现受沉积电压、厚度、微结构均匀性、颗粒分散、残余应力和界面结合多因素共同控制。5 V对应的薄层样品虽然具有最优致密性与最高硬度，但较薄厚度限制了其应力扩散能力；较高电压制得的厚层可降低冲击峰值应力，却容易出现孔隙、氧化、团聚和脆化。由此可见，抗冲击优化不应以单一指标最大化为目标，而应在硬度、厚度、黏附性和应力再分布能力之间寻求综合平衡。该研究通过实验与有限元模拟耦合，明确了厚度不仅是几何参数，也通过影响应力松弛与能量耗散机制而决定动态力学响应，为金属—氧化物复合防护涂层的设计提供了机制层面的依据。

研究结论可译为：本研究考察了电沉积电压对AISI 1010钢表面Zn–ZnO–CaCO₃复合涂层形貌、硬度、抗冲击性能及应力分布的影响，并结合实验方法与二维轴对称有限元方法（FEM）模拟进行分析。结果表明，5 V沉积电压可获得最致密且最均匀的涂层，其最大硬度达到198 HV；相比之下，更高电压虽然增加了涂层厚度，但降低了结构均匀性。随着电压升高，涂层厚度由19.7 μm增至62.2 μm。7.848 J落锤冲击试验显示，较厚涂层可将中心挠度由3.30 mm降至2.68 mm，但在较严苛载荷下仍可观察到界面失效。尽管如此，数值模拟证明，较大的涂层厚度可使最大拉应力降低约25%，说明其具有更强的应力再分布能力。综合比较后，36–50 μm厚度范围被确定为较优条件，因为该范围兼具较好的硬度、较低的变形以及较低的模拟应力集中。上述结果表明，通过调控电沉积参数和复合增强相，可为承受冲击应力的应用场景开发更具韧性的Zn基防护涂层。不过，这些结果仍应视为实验室尺度性能的初步指示；在确认其适用于汽车或海洋应用前，仍需进一步开展疲劳、循环冲击及环境耐久性测试。未来研究还应关注电流密度控制与脉冲电沉积技术，以进一步改善涂层形貌调控、降低开裂与脆化，并最终提升Zn–ZnO–CaCO₃涂层的整体力学性能。