汽車大梁用鋼板沖壓開(kāi)裂分析

邱 濤

(攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司制造部，四川 攀枝花 617023)

熱軋鋼板用于制作商用汽車的車架、縱梁或橫梁等零件，需進(jìn)行沖壓或折彎或輥壓等冷成形加工，因此要有較高的強(qiáng)度和良好的成形性能[1]。2016年，某廠生產(chǎn)的一批汽車大梁用510 MPa級(jí)鋼板在制作汽車縱梁的過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂。為查明開(kāi)裂的原因，對(duì)開(kāi)裂鋼板進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測(cè)，并與正常鋼板進(jìn)行了對(duì)比。

國(guó)內(nèi)一些鋼廠對(duì)汽車大梁用鋼板的成形開(kāi)裂都進(jìn)行了分析。如孟憲堂等[2]認(rèn)為，表面鐵皮壓入、嚴(yán)重的中心偏析帶以及晶界較粗大的析出物等均可導(dǎo)致熱軋汽車大梁用鋼板成形開(kāi)裂；徐禮玲[3]則發(fā)現(xiàn)，鋼板的含硫夾雜物分布密集和較嚴(yán)重的帶狀組織會(huì)導(dǎo)致其開(kāi)裂；郭亞婷等[4]認(rèn)為，鋼板中存在軋制時(shí)未焊合的中心氧化層以及硫化錳偏析是其冷彎開(kāi)裂的主要原因；于洋等[5]認(rèn)為，精軋F(tuán)6速度低是導(dǎo)致750 MPa級(jí)汽車大梁用鋼板開(kāi)裂的主要原因。這些分析大多著眼于鋼質(zhì)純凈度、帶狀組織等方面。本文研究發(fā)現(xiàn)，軋后冷卻方式不合理也會(huì)導(dǎo)致鋼板成形時(shí)開(kāi)裂。

1 開(kāi)裂試樣宏觀檢測(cè)

某廠將510L鋼板沖壓成槽形梁后，發(fā)現(xiàn)彎曲變形區(qū)外側(cè)開(kāi)裂。在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)從一件開(kāi)裂的大梁上截取一段槽形梁，同時(shí)在已切分但未沖壓的鋼板上截取一塊板料。原料鋼板與槽形梁為同一熱軋批次，厚7.6 mm。

開(kāi)裂的槽形梁彎曲外側(cè)面形貌見(jiàn)圖1。梁長(zhǎng)約380 mm，其彎曲變形區(qū)外側(cè)有6個(gè)小而淺的裂口，多數(shù)裂口較短，最長(zhǎng)約18 mm，裂口較寬；在梁側(cè)表面上緊挨轉(zhuǎn)角區(qū)有較深的模具擦痕。擦痕實(shí)際上是由于凹模圓角半徑較小、板料不能平滑地進(jìn)入凹模而導(dǎo)致的沖擊性滑動(dòng)擦傷痕跡。板面上裂口與擦痕相對(duì)應(yīng)(有擦痕的區(qū)段必有裂紋)，見(jiàn)圖2。

圖1 開(kāi)裂的槽形梁外側(cè)面形貌Fig.1 Outer side of the cracked trough- shaped girder

圖2 槽形梁外側(cè)面裂口形貌Fig.2 Cracks on outer side of the trough- shaped girder

在槽形梁內(nèi)側(cè)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該梁沖壓成形的彎曲半徑與板厚相當(dāng)或約小于板厚，見(jiàn)圖3。檢查槽形梁內(nèi)側(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)拐角幾乎是直角過(guò)渡，見(jiàn)圖4。在彎曲成形時(shí)，鋼板彎曲外側(cè)纖維產(chǎn)生拉應(yīng)變，當(dāng)板厚一定時(shí)，彎曲半徑越小，應(yīng)變量越大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角外側(cè)減薄或開(kāi)裂。因此鋼板冷彎或沖壓成形時(shí)，業(yè)內(nèi)都強(qiáng)調(diào)“只要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許，圓角半徑盡量大”，并規(guī)定“屈服強(qiáng)度較高的鋼板彎曲時(shí)，彎曲半徑需至少為2倍(最好3倍)坯料厚度”。對(duì)強(qiáng)度達(dá)到415和480 MPa的鋼板，規(guī)定最小彎曲半徑分別為3倍和4倍板厚。

槽形梁內(nèi)側(cè)局部放大發(fā)現(xiàn)內(nèi)拐角存在嚴(yán)重的擠壓痕，見(jiàn)圖4。顯然這與圓角半徑過(guò)小有關(guān)。

圖3 槽形梁彎曲半徑測(cè)量Fig.3 Measurement of bending radius of the trough- shaped girder

圖4 槽形梁內(nèi)側(cè)面形貌Fig.4 Inner side of the trough- shaped girder

2 原料板的力學(xué)性能

宏觀檢查原料鋼板未發(fā)現(xiàn)有表面缺陷。從原料鋼板上切取3件冷彎試樣，按d=a、α=180°(同時(shí)彎曲軸與槽形梁的方向一致)進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，試樣冷彎后的形貌見(jiàn)圖5，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 原料鋼板冷彎試樣形貌Fig.5 Morphologies of specimen cut from the raw steel plate after cold- bending test

檢測(cè)結(jié)果表明，原料鋼板的力學(xué)性能符合要求，但斷后伸長(zhǎng)率為24.0%和25.0%，雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但偏低，見(jiàn)表1。

表1 原料鋼板的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the raw steel plate

3 硬度試驗(yàn)

從開(kāi)裂板未變形區(qū)的內(nèi)外表面(相當(dāng)于彎曲面的內(nèi)外表面)和原料板的兩個(gè)表面取樣，分別測(cè)定洛氏硬度(HRB)和布氏硬度(HB)，結(jié)果見(jiàn)表2。開(kāi)裂板的HRB已接近或超過(guò)91，根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)板材的硬度≥91 HRB時(shí)，將降低其成形性。

4 金相檢驗(yàn)

表2 開(kāi)裂板和原料板的表面硬度Table 2 Surface hardness of the cracked plate and the raw plate

4.1 裂口的金相檢驗(yàn)

將通過(guò)沖壓開(kāi)裂梁外側(cè)裂口切取的金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下低倍觀察裂口形態(tài)，裂口兩邊未發(fā)現(xiàn)脫碳，裂口近表面部位組織已拉長(zhǎng)成纖維狀。槽形梁彎曲外側(cè)面有擦痕，由于強(qiáng)烈摩擦，導(dǎo)致局部剪切開(kāi)裂，強(qiáng)烈的接觸滑動(dòng)使表面發(fā)生塑性流動(dòng)，受下層彈性區(qū)的約束而使纖維組織沿裂紋彎曲。沖壓成形時(shí)，由于凹模圓角半徑較小，板料不能平滑地進(jìn)入凹模，從而出現(xiàn)沖擊性的滑動(dòng)擦痕。

4.2 表層組織和心部組織

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂梁彎曲外側(cè)的組織與其心部組織有很大差別，外側(cè)組織無(wú)珠光體，是熱軋板的一個(gè)軋制面冷卻過(guò)快形成的異常淬火組織，厚度約150 μm。板的心部組織為細(xì)小的鐵素體和珠光體，見(jiàn)圖6。原料板的兩側(cè)近表面和心部組織均為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，見(jiàn)圖7。

圖6 開(kāi)裂板表層(a)、心部(b)和近表層(c)的顯微組織Fig.6 Microstructures of surface (a), core (b) and near- surface (c) in the cracked plate

圖7 原料板表層(a)、心部(b)和近表層(c)的顯微組織Fig.7 Microstructures of surface (a), core (b) and near- surface (c) in the raw plate

4.3 非金屬夾雜物

檢驗(yàn)開(kāi)裂板和原料板，未發(fā)現(xiàn)集中分布的非金屬夾雜物；按GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2002和GB/T 13299—1991分別評(píng)定開(kāi)裂板和原料板的夾雜物、鐵素體晶粒度和帶狀組織，都滿足該鋼廠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。所檢測(cè)樣板的非金屬夾雜評(píng)級(jí)較低，鋼質(zhì)純凈。

5 掃描電鏡檢驗(yàn)

將從開(kāi)裂板上切取的試樣用壓力機(jī)沿裂紋壓斷，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫的近表面(距表面約100 μm)區(qū)域呈脆性斷口形貌，見(jiàn)圖8。壓斷的斷口幾乎都是準(zhǔn)解理斷口，這種形貌與開(kāi)裂板表面存在的異常淬火組織有關(guān)。

圖8 脆性斷口的形貌Fig.8 Pattern of the brittle fracture

6 分析

(1)金相檢驗(yàn)表明，開(kāi)裂鋼板彎曲外側(cè)表層組織為形態(tài)不規(guī)則的鐵素體，該層異常組織厚度約150 μm，與心部組織(準(zhǔn)多邊形鐵素體+珠光體)不一致，這將導(dǎo)致鋼板在變形時(shí)，厚度方向的塑性存在差異，從而不同部位的可變形性不同，表層不規(guī)則的鐵素體組織先發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中，故外側(cè)表層首先開(kāi)裂。該層異常組織為全鐵素體，再結(jié)晶不完全，產(chǎn)生了退化珠光體，這是軋制過(guò)程中冷卻速度過(guò)快所致[6]。

(2)硬度試驗(yàn)表明，開(kāi)裂板的表面硬度≥91 HRB，原料板的硬度也接近90 HRB，這會(huì)降低成形性。鋼板的布氏硬度為180～206 N/mm2,檢查了鋼廠同期生產(chǎn)的同軋制工藝同強(qiáng)度級(jí)別鋼板的表面硬度(HBW5/750)，平均值為159 N/mm2，可見(jiàn)鋼板的硬度明顯偏高。

另從力學(xué)性能看，原料板的斷后伸長(zhǎng)率剛好滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與該產(chǎn)品的正常性能比較，開(kāi)裂鋼板的強(qiáng)度偏高、斷后伸長(zhǎng)率偏低，因此該批次鋼板的塑性較差，導(dǎo)致成形性能低，是其開(kāi)裂的又一個(gè)原因。

(3)掃描電鏡觀察表明，開(kāi)裂梁斷口為脆性斷口，說(shuō)明開(kāi)裂板的一面延性較差。裂口近表面存在Al、Si、Ca等元素，且存在K等保護(hù)渣特有的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)的來(lái)源應(yīng)該是連鑄保護(hù)渣卷渣。鋼板近表面的雜質(zhì)割斷了材料的連續(xù)性，促進(jìn)了裂紋的形成和擴(kuò)展。

(4)在槽型梁外側(cè)表面有較深的模具擦傷痕跡，擦痕實(shí)際上是由于凹模圓角半徑較小，板料不能平滑地進(jìn)入凹模，出現(xiàn)滑動(dòng)擦傷痕，擦傷部位組織嚴(yán)重加工硬化，并伴有裂紋，說(shuō)明板料進(jìn)入凹模的阻力很大，增大了彎曲外側(cè)局部區(qū)域的拉應(yīng)力。

(5)汽車對(duì)鋼板質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性要求很高，從以上檢測(cè)及分析可以看出，該批鋼板厚度方向組織不均勻，是由于軋后冷卻不合理所致。此外，鋼板的力學(xué)性能也不能令人滿意，表層有夾雜物。

7 結(jié)論

(1)沖壓開(kāi)裂的汽車大梁用熱軋510L鋼板的一個(gè)面存在異常淬火組織，表面塑性較差，導(dǎo)致在鋼板厚度方向塑性存在差異，不同部位的變形性不同，這是鋼板開(kāi)裂的主要原因。厚度方向的塑性差異是軋制過(guò)程中冷卻速度過(guò)快所致。

(2)鋼板厚度方向的組織不均勻，力學(xué)性能不理想，沖模圓角半徑過(guò)小，開(kāi)裂部位的鋼板表層有夾雜物，均會(huì)加劇裂紋擴(kuò)展。