CN112505286B - 一种锌致液态金属裂纹形成条件的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锌致液态金属裂纹形成条件的检测装置及方法，该检测装置用于锌致液态金属裂纹产生条件的检测，其包含一个腔体，所述腔体的其中一个面开设测试口，测试口附近区域腔体表面平整，与测试件中间区域表面相互贴合。所述腔体的内部充满锌蒸汽，所述锌蒸汽来源于腔体底部被加热至沸点的液态锌，或者外接锌蒸汽鼓入装置。测试件通过外部加载设备被拉/压加载，并在测试件中间区域进行加热/冷却。利用所述发明装置能够检测镀锌高强度钢材料形成液态金属裂纹的敏感性，定量测定锌层厚度、材料强度、加载载荷、温度范围等直接影响液态金属裂纹产生的关键参数的阈值，为高强钢镀锌板的生产与应用提供检测评估手段和数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及高强钢材料检测评估领域，更具体的涉及锌致液态金属裂纹形成条件的检测。
背景技术
钢铁材料在制造业有着广泛的应用基础，为了减轻结构重量，钢铁材料逐渐向更高强度发展，如汽车、建筑行业，通常在钢材表面进行镀锌处理以增强材料的防腐蚀性能和使用寿命。这一常规做法对于传统的较低强度级别的钢不存在问题，但当钢材基体的强度达到一定程度之后(抗拉强度1000MPa左右)，表面镀锌层的存在会给材料的应用带来致命的问题，以汽车生产为例，应用于汽车材料的第三代高强钢QP钢(如QP980、QP1180镀锌钢板)，在组装焊接过程中容易在焊点位置或焊点附近出现液态锌导致的裂纹，裂纹的存在将会导致焊点强度降低，无法满足服役条件。另外对于带有镀锌层的热冲压高强钢而言，在热冲压过程中同样存在锌致液态金属裂纹，影响材料使用。
锌致液态金属裂纹，或者液态金属致脆(Liquid Metal Embrittlement,LME)的存在严重阻碍了以第三代高强度钢为主的超高强度钢的应用。锌致液态金属裂纹是一个全球性的难题，钢铁行业、汽车行业以及学术界都在探求以期能够解决该裂纹问题。但是，目前关于LME的形成条件和机理并没有有效的评估手段和完善的解释过程。因此为了解决上述问题，本发明提出一种有效检测锌致液态金属裂纹产生条件的装置以及方法。
发明内容
本发明提供了一种检测装置及其检测方法，能够有效检测高强钢板材产生锌致液态金属裂纹的条件，该测试装置具有结构简单、性能稳定、制造成本低以及适用性强的优点。另外，本发明还提供一种用于检测锌致液态金属裂纹产生条件的方法，本发明所述产生条件具体包括钢材基体组织和强度等级、表面镀锌层厚度、材料受到载荷类型和应力水平、材料受到的温度作用范围。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
作为本发明的一个方面，提供一种锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于，腔体、锌源、金相检测仪器、冷却件和加热件；
金相检测仪器，用于被测试件的金相分析；
冷却件，在检测过程中用于被测试件的冷却处理；
加热件，在检测过程中用于被测试件的加热处理；
所述腔体上端面设有开口，所述开口为测试口，且与被测试件贴合，所述锌源放置在腔体底部。
作为优选，腔体下端面设有另一开口，所述开口与所述锌源相通。
作为优选，所述腔体为圆柱体或立方体。
作为优选，所述腔体是圆柱体，所述圆柱体上端开口所在的平面通过螺纹与圆柱体相连接。
作为优选，所述腔体是立方体，所述立方体上端开口所在的平面通过插拔的形式与立方体连接。
作为优选，所述腔体底部设置有基座，所述锌源放置在所述基座内。
作为优选，所述基座还包括鼓风部件，所述鼓风部件可将锌蒸汽鼓出。
作为优选，所述基座与腔体抽拉式连接。
作为优选，所述监测装置还包括加热线圈，所述加热线圈环绕在所述腔体的下半段或设置在所述腔体的下端面。
作为优选，所述加热线圈为环形感应加热线圈或蛇形管感应加热线圈。
作为优选，所述腔体为多面体，所述开口为圆形或方形或圆形和方形的组合。
作为优选，所述腔体内设置有挡板，所述挡板上设有开口。
作为优选，所述腔体上端面测试口或所述内置挡板开口处设置有可移动挡块。
作为优选，所述测试件为高强钢板材，所述高强钢板材按照两端较宽、中间较窄的形式制备。
作为优选，所述高强钢板材中间区域与腔体一端开口贴合，所述高强钢板材两端由外部加载设备夹持并施加载荷。
作为优选，所述冷却件和加热件设置在测试件中间区域上。
作为优选，所述冷却件为喷嘴或水冷片或其他有冷却效果的部件，所述加热件为加热线圈。
作为优选，所述冷却件为喷嘴，所述喷嘴内部通过或喷出的冷却介质为氩气、压缩空气或者水，通过喷射至测试件表面对被加热的测试件实施冷却。
作为优选，所述检测装置还包括用于温度监测的传感器，所述传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器。
作为本发明的另一方面，提出一种使用上述装置进行检测的方法，包含以下步骤：
步骤一、搭建装置，确保测试件中间区域与腔体端口开口贴合，并且冷却/加热件分别可以作用在测试件中间区域；
步骤二、锌凝结过程，利用加热线圈加热固态锌并鼓出锌蒸汽，打开腔体端面开口的挡块，锌蒸气接触测试件表面并凝结；
步骤三、关闭移动挡块，利用加热件对测试件进行一定温度的加热，并辅以一定载荷的拉/压力，随后进行冷却处理和卸载处理；
步骤四、对经过上述步骤处理的镀锌高强度板材进行金相分析检测，对不同参数水平下测试件表面的锌致液态金属裂纹进行表征和统计，从而确定裂纹产生的阈值条件。
作为优选，在锌蒸汽凝结试验中，先将测试样件加热到一定温度，然后打开密封腔体端面开口的开关，使样件仅在冷却过程中与锌蒸汽接触，可检测不同冷却过程的作用效果。
作为优选，在锌蒸汽凝结试验结束之后，重新对试样进行加载测试，可检测不同参数水平下高强钢样件强度的变化情况(即锌致液态金属裂纹对材料本身的损伤情况)。
本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供的一种锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置及方法，利用所述发明装置能够检测镀锌高强度钢材料形成液态金属裂纹的敏感性，定量测定锌层厚度(通过端面开口的挡块控制锌蒸汽凝结时间实现)、材料组织(通过对比相同强度不同组织体系的测试样件实现)、材料强度(通过对比相同组织体系不同强度级别的测试样件实现)、加载载荷(通过外加载荷作用方向与大小实现)、温度范围(通过升降温过程的控制实现)等直接影响液态金属裂纹产生的关键参数的阈值，为锌致液态金属裂纹形成机理的理论研究提供有力手段，为高强钢镀锌板的生产与应用提供检测评估方法和数据支撑，该测试装置还具有结构简单、性能稳定、制造成本低与适用性强的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。
图1立方体腔体检测装置示意图；
图2圆柱体腔体检测装置示意图；
图3加热件为蛇形管感应线圈的检测装置示意图；
图4a锌致液态金属裂纹检测过程示意图；
图4b带有镀锌层的测试件俯视图；
图4c带有镀锌层的测试件侧视截面示意图；
图4d带有镀锌层的测试件局部放大示意图；
图5测试件几何尺寸示意图；
图6检测结果示意图。
附图标记，1-腔体，11-测试口，12-锌蒸汽入口，13-挡块，2-锌蒸汽源，21-固态锌，22-加热线圈，3-测试件，31-凝结锌层，32-测试样件横截面，311-锌凝结层横截面，4-加热件，5-冷却件，6-基座，7-水平方向加载设备纵梁，71、73-加载设备立柱，72、74-加载设备夹钳，75-加载设备底座，8-截面金相局部放大示意图，830-测试样件基体，831-测试样件表面凝结锌层，832-锌致液态金属裂纹。
具体实施方式
在附图中，对本发明装置的主体进行了不同存在形式的示意描绘，同时给出了检测方法的大致过程以及在不同保温温度下的实际检测结果。附图仅用于显示本发明可能的实例，并不旨在限制本发明的范围，同时也并不限制加载设备与分析设备的选择。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
因此，为了更好地理解上述技术方案，下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1
参照图1所示，本发明装置腔体1为立方体，测试口为圆形且位于立方体的上表面，与测试件3中间区域的下表面贴合接触。
锌蒸汽源2为外接蒸汽源，在外部感应加热线圈22的作用下内置的固态锌21形成液态锌，再继续加热至液态锌汽化，汽化后的液态锌通过锌蒸汽入口12向立方腔体1内部导入锌蒸汽。锌蒸汽在立方腔体1内上升并逐渐充满腔体内部，锌蒸汽到达腔体上表面的测试口11时，与室温下的测试件3中间区域下表面接触，并在测试件3下表面凝结，测试件3与温度监测传感器相连，传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器。
挡块13可遮挡测试口11和打开测试口11，通过二者的切换，来控制锌蒸汽与测试件3的接触时间。
加热件4和冷却件5分别对测试件3进行加热和冷却，在本实施例中使用的冷却件5为喷嘴，喷嘴内通过或者喷出的冷却介质为氩气、压缩空气、水或其他具有冷却效果的介质，通过将介质喷射至测试件3表面对被加热的测试件3实施不同程度的冷却。
实施例2
参照图2所示，本实施例中发明装置的腔体1为底部密封的一体式圆柱体。在腔体1上表面，即圆柱体的上表面开设一圆形测试口11，该测试口11与测试件3中间区域的下表面贴合接触。腔体1底部内置固态锌21，即锌蒸汽源2位于腔体1的下半部分，在感应加热线圈22的作用下内置的固态锌21形成液态锌，再继续加热至液态锌汽化，汽化后的液态锌通过锌蒸汽入口12向立方腔体1内部导入锌蒸汽。锌蒸汽在立方腔体1内上升并逐渐充满腔体内部，锌蒸汽到达腔体上表面的测试口11时，与室温下的测试件3中间区域下表面接触，并在测试件3下表面凝结，测试件3与温度监测传感器相连，传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器。
挡块13可遮挡测试口11和打开测试口11，通过二者的切换，来控制锌蒸汽与测试件3的接触时间。
加热件4和冷却件5分别对测试件3进行加热和冷却，在本实施例中使用的冷却件5为喷嘴，喷嘴内通过或者喷出的冷却介质为氩气、压缩空气、水或其他具有冷却效果的介质，通过将介质喷射至测试件3表面对被加热的测试件3实施不同程度的冷却。
实施例3
参照图3所示，本发明装置腔体1为一个组合式的长方体，包括上部腔体、内部挡板及设置在长方体底部的基座，在长方体上表面开设有方形测试口11，内部挡板设置在长方体下半部分1/2的位置，挡板上设置有圆形锌蒸汽入口12，在锌蒸汽入口12附近设置有挡块13，长方体底部的基座6内置固态锌21，锌蒸汽源2在设置于基座底部的感应加热线圈22的作用下使得固态锌21形成液态锌，其中加热线圈22为平面蛇形管感应线圈，继续加热至液态锌汽化，气化后的液态锌通过锌蒸汽入口12向上部腔体内导入锌蒸汽。锌蒸汽在上部腔体内上升并逐渐充满腔体内部，锌蒸汽到达腔体上表面的测试口11时，与室温下的测试件3中间区域下表面接触，并在测试件3下表面凝结，测试件3与温度监测传感器相连，传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器。
挡块13可遮挡锌蒸汽入口12和打开锌蒸汽入口12，通过二者的切换，来控制锌蒸汽与测试件3的接触时间。
加热件4和冷却件5分别对测试件3进行加热和冷却，在本实施例中使用的加热件4为蛇形管感应加热线圈，可以对测试件3整个中间区域进行统一加热，加热均匀且充分，在冷却过程中使用的冷却件5为水冷片，其内部介质为冷却水，可通过与测试件3中间区域表面直接接触进行冷却。
实施例4
参见图4a、4b、4c、4d所示，利用如实施例2中所示的测试装置，也可利用如实施例1或实施例3中的测试装置进行裂纹检测。
首先，搭建测试装置，参照图4a，本实施例中腔体1位于加载设备的底座75上，腔体1与底座75之间可以放置垫块调节腔体1高度以适应试验需要，其中腔体1外径为20mm、内径为16mm、高度为50mm，上表面测试口11直径为5mm。加载设备包括底座75、垂直设置在底座75上的一组支撑立柱71、73以及与支撑立柱相连接的一加载纵梁7，从纵梁7上延伸出一组加载钳72、74，测试件3的水平两端分别被加载钳72、74夹持，从而方便施加水平载荷。
其次，在测试过程中利用加载设备施加拉力载荷，使材料处于拉应力状态，拉力载荷为2500N，在加载持续10秒后进行卸载处理，测试件3采用厚度为1.5mm的QP980材料(测得抗拉强度1058MPa)，该材料组织主要由马氏体和残余奥氏体组成，测试件3的具体尺寸参照图5所示。
测试时，移开挡块13，保持测试口11处于打开状态，利用外部感应加热线圈22持续加热锌蒸汽源2，使锌蒸汽不断上升并与测试件3中央区域的下表面接触凝结，在测试口11打开40秒后，移动挡块13关闭测试口11，同时停止感应加热线圈22继续加热，至此，锌蒸汽在测试件3中央区域的下表面凝结操作终止。
重复上述操作，得到4个经过相同拉力载荷作用的镀锌待测试件，接着逐次将待测试件进行加热冷却处理，首先打开加热件4对测试件3进行加热处理，测试件3与温度监测传感器相连，传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器，仪器监控测试件材料的最高温度，分别选取最高温度点450℃、700℃、800℃与920℃，仪器控制加热件4使测试件3的温度维持在该水平300秒后，关闭加热件4，使用冷却件5吹出氩气对测试件3中间区域进行冷却处理，冷却至室温，取下测试件3并截取锌蒸汽凝结区域部分，参照图4b测试件3中间区域表面形成了一定厚度的锌凝结层31，另有侧视图可参照图4c，截取的锌蒸汽凝结区域具有横截面32，其中锌凝结层31的横截面为311，参照图4d，利用金相分析仪(比如扫描电镜等)放大锌层局部区域进行后续分析评估，可以看到在镀锌层831上出现裂纹832，并延续至测试件3的基体部分830。
参照图6所示，最终得到4组在相同测试条件，即拉力载荷、测试件尺寸、加热持续时间、冷却介质以及加热/冷却工艺流程均相同的镀锌测试件，处于不同最高温度时对应的金相分析结果，由图可见随着温度升高，测试件3中间区域表面的凝结锌层状态逐渐发生了变化，锌与铁元素发生化合反应形成合金层，随着温度的升高，锌层渗入测试件3基体材料的深度越大，即形成合金层的深度越深，在温度达到450℃和700℃时，测试件3的镀锌层区域没有发现裂纹迹象，即未产生明显的锌致液态金属裂纹，在温度达到800℃时，测试件3出现了明显的裂纹，即锌致液态金属裂纹，在温度达到920℃时，锌致液态金属裂纹遍布测试件3的表面。
本实施例显示了本发明装置的试验过程与可辩别的测试效果，也不排除其他可能通过控制挡块13的移动、调整对测试件3的加热/冷却、加载/卸载等步骤的先后顺序和组合进行单项或者复合条件下锌致液态金属裂纹检测的实施方式。
以上所述，仅为本发明较直观的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，用于检测镀锌高强度钢材料形成液态金属裂纹的敏感性，其特征在于，包括：
腔体、锌源、金相检测仪器、加热线圈、冷却件和加热件；
金相检测仪器，用于测试件的金相分析；
冷却件，在检测过程中用于测试件的冷却处理；
加热件，在检测过程中用于测试件的加热处理；
所述腔体上端面设有测试口，所述测试口与测试件贴合，所述锌源放置在腔体底部；
所述加热线圈环绕在所述腔体的下半段或设置在所述腔体的下端面；
上端面的所述测试口处设置有可移动挡块；或所述腔体内设置有挡板，所述挡板上设有开口，所述挡板的所述开口处设置有可移动挡块；通过打开或关闭所述可移动挡块控制锌蒸汽凝结时间以定量测定锌层厚度；
所述测试件的中间区域与所述腔体上端的所述测试口贴合，并且所述冷却件/所述加热件分别可以作用在所述测试件中间区域；
所述测试件的水平两端分别被加载钳夹持，从而方便施加水平载荷。
2.如权利要求1所述的锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于，所述腔体下端面设有另一开口，所述另一开口与所述锌源相通。
3.如权利要求1所述的锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于所述腔体底部设置有基座，所述锌源放置在所述基座内。
4.如权利要求1所述的锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于，所述加热线圈为环形感应加热线圈或蛇形管感应加热线圈。
5.如权利要求1所述的锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于，所述腔体为多面体，所述测试口为圆形或方形或圆形和方形的组合。
6.如权利要求1所述的锌致液态金属裂纹产生条件的检测装置，其特征在于，还包括用于温度监测的传感器，所述传感器为热电偶或红外热像仪或其他可实现温度检测的仪器。
7.一种利用如权利要求1所述装置进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、搭建装置，确保测试件中间区域与腔体上端面的测试口贴合，并且冷却/加热件分别可以作用在测试件中间区域；
步骤二、锌凝结过程，利用加热线圈加热固态锌并鼓出锌蒸汽，打开移动挡块，锌蒸汽接触测试件表面并凝结；
步骤三、关闭移动挡块，利用加热件对测试件进行一定温度的加热，并辅以一定载荷的拉/压力，随后进行冷却处理和卸载处理；
步骤四、对经过上述步骤处理的镀锌高强度板材进行金相分析检测，对不同参数水平下测试件表面的锌致液态金属裂纹进行表征和统计。
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