剪切工藝對5Mn中錳鋼邊部成形性能的影響

蔣 洋 張 梅 孫宇陽 汪 楊

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

隨著汽車保有量的不斷增加，對汽車的節能、環保和碰撞安全性的要求越來越高，對研發和生產具有高撞擊能量吸收性能(即高強塑積)的汽車結構材料的需求迫切[1- 2]。開發高強塑積的先進汽車高強鋼(advanced high strength steel, AHSS)可以在保證汽車安全性的前提下達到減重的效果，從而實現汽車的輕量化和節能減排等[3]。中錳鋼是第三代先進汽車高強鋼，其組織為鐵素體和奧氏體，具有高強度和高成形性等優點[4]，因此成為汽車零部件材料的最佳選擇之一。汽車零部件生產一般包括剪切、翻邊、沖壓、鉆孔等工序[5]。剪切是沖壓過程中必不可少的一個工序。研究發現：中錳鋼的加工硬化明顯，對邊部裂紋敏感[6]，在實際沖壓試制過程中存在剪切邊開裂現象。

目前對于高強鋼剪切工藝及剪切邊斷裂機制的研究較多。周明等[7]研究了沖裁間隙和凸模刃口角度對超高強度鋼板TRIP 780 沖裁斷面質量和邊部拉伸成形性能的影響，結果顯示，隨著沖裁間隙的增大，斷面質量和邊部成形性能降低；而隨著凸模刃口角度的增大，斷面中光亮帶和毛刺比例均呈下降趨勢，峰值應力、斷裂應變值和斷后伸長率均顯著增加。Dalloz等[8]研究了1.5 mm厚850 MPa級雙相鋼板在不同沖裁間隙下剪切斷面形貌及斷裂機制，發現剪切后發生韌性斷裂是因為鐵素體和馬氏體交界處形成微孔。Nikky等[9]通過CP800和DP780鋼的中心孔拉伸試驗發現，剪切邊存在預應變，促進微孔的形核、長大和聚集，從而降低了材料塑性。雖然對剪切工藝的研究較多，但所針對的均是第一代、第二代汽車用鋼，對第三代汽車用鋼的剪切工藝的研究還比較缺乏。

本文采用基于光學追蹤的數字圖像相關法(DIC)的剪切邊單軸拉伸試驗，研究了沖裁間隙對1.5 mm厚5Mn中錳鋼板沖裁斷面質量和邊部成形性能的影響，分析了剪切邊裂紋萌生及開裂的主要原因，以期為中錳鋼高質量沖切及實際應用提供指導。

1 試驗材料與方法

試驗所用5Mn中錳鋼的化學成分如表1所示。C是奧氏體穩定元素[10]，但C含量過高會導致鋼的焊接性能下降，因此選用低碳成分設計。Mn也是奧氏體穩定元素， 但由于Mn價格較高，為降低生產成本，將Mn的質量分數控制為5%。試驗鋼的力學性能如表2所示。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the experimental steel (mass fraction) %

表2 試驗鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of the experimental steel

剪切邊拉伸試樣的沖裁制備在圖1(a)所示的沖裁模具下完成，通過添加墊片改變凹模與凸模之間的間隙，即設置沖裁間隙分別為0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t，t為材料厚度。將板料加工成如圖1(b)所示的金相試樣和拉伸試樣，其中A1、A2位置均保留了剪切邊。采用光學顯微鏡觀察試樣斷面形貌，結合掃描電鏡進行斷面質量評定，并通過顯微硬度梯度法測定剪切邊硬化層深度。分別沿垂直于剪切邊方向測量圓角區、光亮帶及撕裂帶3個區域的顯微硬度，試驗力為100 g，測量點間隔0.07 mm，每個區域測30個點，如圖2所示。通過剪切邊單軸拉伸試驗測試邊部成形性能，并以試樣斷后伸長率及斷裂應變作為衡量邊部成形性能的指標。通過ARMIS光學應變測量系統追蹤拉伸過程，DIC獲取試樣拉伸過程中的應變分布，試驗在Zwick/Roell Z100型拉伸試驗機上進行，拉伸速率為3 mm/min。

圖1 沖裁模具的三維模型(a)及剪切邊的金相、拉伸試樣(b) Fig.1 Three- dimensional model of blanking die (a) and sheared- edge metallographic and tensile specimens (b)

圖2 顯微硬度測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of microhardness measurement

2 試驗結果

2.1 沖裁間隙對邊部成形性能的影響

圖3為不同間隙下沖裁制備試樣的拉伸應變- 應力曲線和斷后伸長率。可以看出，不同間隙下的曲線前半段無明顯差異，這表明邊部質量對試樣拉伸的彈性階段及屈服階段影響較小，主要影響塑性變形階段，對峰值應力及斷裂位置的影響顯著。隨著沖裁間隙的增加，斷后伸長率總體呈下降趨勢。沖裁間隙為0.03t時，峰值應力達720 MPa，斷后伸長率為23%；沖裁間隙為0.12t時，強度和塑性急劇降低，峰值應力為610 MPa，斷后伸長率僅為9.2%；其他3種間隙下試樣的力學性能相近，峰值應力為690 MPa左右，斷后伸長率為13%左右。5種間隙下試樣的峰值應力均未達到原始材料的抗拉強度，且斷裂前均未出現明顯的頸縮現象，而是瞬間斷裂，表明該中錳鋼對邊部質量敏感。

圖3 不同間隙下邊部沖裁試樣的拉伸應變- 應力曲線(a)和斷后伸長率(b)Fig.3 Stress- strain curves(a) and elongation(b) of specimens sheared under different clearances

沖裁斷面由圓角區、光亮帶、撕裂帶及毛刺4個部分組成。由于凸凹模存在間隙，材料并非處于純剪切應力狀態，因此，當剪切區的變形拖拽其周圍區域時，由于材料流動而形成一定角度的圓角區。剪切過程中，試樣固定，移動的凸模對試樣施加水平壓縮力，從而形成光亮帶。凸模與凹模刃口所產生的裂紋相互貫通，形成撕裂帶，裂紋擴展是撕裂帶形成的主要原因。最后，由于凸凹模存在間隙，撕裂帶被拉長。當試樣被完全沖斷時形成毛刺。毛刺對后續加工有明顯影響，合適的凸凹模間隙有利于減少毛刺[5]。圓角區、光亮帶及毛刺3個區域高度與沖裁間隙的關系如圖4所示。隨著沖裁間隙的增加，3個區域比例均呈上升趨勢，沖裁間隙為0.03t時，邊部材料流動最少，毛刺最小，斷面質量良好，邊部成形性能最佳。不同間隙沖裁后的斷面如圖5所示，可見當沖裁間隙增大到0.12t后，毛刺明顯大于其他間隙下沖裁的毛刺，邊部質量最差。

圖4 圓角區、光亮帶及毛刺3個區域高度與沖裁間隙的關系Fig.4 Relationships between the height of circle angle area, euphotic belt and burr and blanking clearance

圖5 不同間隙下沖裁試樣斷面形貌Fig.5 Morphologies of cross- section specimens sheared under different clearances

2.2 沖裁間隙對邊部加工硬化的影響

對沖裁斷面圓角區、光亮帶及撕裂帶的亞表層的顯微硬度進行測量，不同間隙下亞表層的顯微硬度分布如圖6所示。可見試樣原始硬度為225 HV0.1，邊部亞表層的顯微硬度顯著高于原始硬度，遠離邊部硬度逐漸降低，直至基體硬度，表明邊部表面及亞表層由于塑性變形而存在加工硬化(圓角區第1個點由于離邊部太近，顯微硬度偏低)。其中圓角區由于變形較小，硬度低于光亮帶及撕裂帶，而光亮帶在沖裁過程中由于受到擠壓硬度較高。此外，剪切影響區(即硬化層深度)受沖裁間隙的影響，隨著間隙的增加，硬化層深度總體呈上升趨勢。沖裁間隙為0.03t時硬化層最淺，小于1.00 mm，0.05t～0.10t間隙的硬化層深度為1.00～1.25 mm，當間隙進一步增加至0.10t時，硬化層深度超過1.25 mm。在剪切過程中，亞穩奧氏體轉變為馬氏體，發生相變強化。大間隙沖裁時產生塑性變形的材料更多，相變強化作用越強。

圖6 不同間隙下沖裁斷面亞表層的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness profiles in subsurface layer of cross- section specimens sheared under different clearances

為了分析間隙對沖裁斷面各區域硬化程度的影響，將圓角區、光亮帶及撕裂帶的顯微硬度進行對比,如圖7所示。隨著間隙的增加，各區域顯微硬度均呈上升趨勢，其中以撕裂帶最為明顯，硬度最大值從327 HV0.1升高至375 HV0.1。沖裁間隙為0.12t時，各區域的硬度均高于其他間隙下的硬度，0.03t間隙下各區域的顯微硬度均最低，表明硬化程度最小。此外，隨著沖裁間隙的增加，顯微硬度均勻性降低。這是因為間隙增加，剪切影響區范圍擴大，部分穩定性較低的亞穩奧氏體發生轉變，導致顯微硬度均勻性降低，開裂可能性增大。

圖7 不同間隙下沖裁斷面各區域的硬度比較Fig.7 Comparison of hardness in different areas of cross- section specimens sheared under different clearances

2.3 剪切邊裂紋演化機制

圖8為0.05t間隙沖裁試樣斷截面SEM形貌，可見材料的邊部均存在微孔，微孔的大小及數量顯著影響剪切邊成形性能。一般說，在后續制造過程中，大尺寸、細長、大范圍的微孔會成為裂紋源。Chang等[5]研究發現，隨著間隙的增加，邊部細長微孔數量增加，即微孔區域增多， 因此減小間隙有利于減少微孔數量，從而提高邊部成形性能。此外，圓角區晶粒變形較小，光亮帶及撕裂帶晶粒變形嚴重，且出現明顯取向，剪切影響區受剪切力影響，部分亞穩奧氏體發生相變，因此邊部硬化較為嚴重。

圖8 0.05t間隙沖裁試樣斷截面SEM形貌Fig.8 SEM micrographs of cross- section of fractured specimen sheared under clearance of 0.05t

通過DIC追蹤結合ARAMIS軟件研究試樣單軸拉伸過程中的應變分布，進而分析邊部裂紋演變機制。圖9為0.05t間隙沖裁試樣在單軸拉伸過程中的實時應變分布。試樣沖裁時邊部部分亞穩奧氏體發生轉變，位錯密度增加[3]。同時邊部材料由于沖裁發生流動，產生嚴重的塑性變形，位錯密度也顯著增加。因此較小應變時試樣邊部出現較為嚴重的應變集中，根據硬度測量結果，剪切加工的硬化層深約1.5 mm，因此距離沖裁邊較遠區域無明顯加工硬化，仍保留了較多奧氏體。應變逐漸增加，遠超沖裁導致的塑性變形后，試樣進入均勻變形階段，如圖9(c)所示。試樣邊部存在微孔，但隨著應變的進行，沒有TRIP效應顯現，因而無法推遲微孔擴大聚集，邊部微孔在較大應變下迅速擴大聚集，成為裂紋源。沖裁試樣單軸拉伸過程中，應變- 應力曲線瞬時下降，但試樣表面未出現宏觀裂紋。這是因為內部微孔聚集形成微裂紋，隨后裂紋迅速擴展形成宏觀裂紋。不同間隙沖裁試樣的最大等效應變點均位于剪切邊，該點可認為是裂紋源，從而發生邊部開裂。

圖9 0.05t間隙沖裁試樣在單軸拉伸過程中等效應變分布Fig.9 Equivalent strain distribution of specimen sheared under clearance of 0.05t during uniaxial tension process

3 結論

(1) 5Mn中錳鋼對沖裁工藝較敏感，沖裁后力學性能顯著降低，試樣均未出現頸縮而直接斷裂。隨著沖裁間隙的增加，5Mn中錳鋼沖裁邊部質量和成形性能(峰值應力、斷裂應變和伸長率)迅速降低。當沖裁間隙為板厚的0.03時，可獲得相對優異、穩定的斷面質量和邊部成形性能。

(2) 5Mn中錳鋼沖裁后邊部加工硬化顯著，隨著沖裁間隙的增加，邊部硬度明顯提高，硬化層深度增加。

(3) 沖裁試樣邊部存在微孔，沖裁力使邊部發生塑性變形，亞穩奧氏體發生相變，因此在成形過程中無法通過TRIP效應抑制微孔擴大聚集。邊部微孔和加工硬化是裂紋產生的主要原因。