熱成形汽車加強板的開裂原因

劉鵬鵬，葉 又，魏一凡

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 引 言

隨著工業化進程的加快，節能減排成為社會關注的熱點問題，汽車輕量化是實現節能減排的有效措施之一。超高強度鋼是一種重要的輕量化材料，具有強度高、成形性能好的特點。熱沖壓成形鋼是一種超高強鋼，沖壓成形后在模具中淬火，組織為高強度的馬氏體，常用作加強件，如雪橇板，汽車防撞梁、保險杠等[1-2]。目前關于熱沖壓成形鋼的研究主要集中在提高強度方面。某日系車企使用的熱沖壓成形鋼的強度級別達1 800 MPa[3-4]。據報道，有新能源車企使用的熱沖壓成形鋼的強度級別達2 000 MPa。

某公司生產的應用在汽車車身前縱梁結構中的加強板在總裝前發生開裂。該加強板材料為具有鋁硅鍍層的22MnB5熱沖壓成形鋼，加工工藝為加熱溫度900 ℃，保溫時間300 s，從加熱爐轉移到模具的時間57 s，加熱后在模具中淬火，直接熱成形，成形后采用激光切割的落料方式進行精加工。為了找到該汽車加強板的開裂原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，失效加強板的開裂位置位于拐角處(箭頭所示)，開裂位置表面鍍層部分磨損并脫落，露出白色基材，裂紋長度約8 cm，同批次的其他加強板沒有出現開裂現象。

圖1 失效加強板的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of failed reinforcement plate: (a) entirety and (b) enlargement of oval region

1.2 斷口形貌

采用蔡司EVO18型掃描電鏡(SEM)觀察失效加強板的斷口形貌。由圖2可以看出，裂紋源區域呈韌窩和解理混合形貌，裂紋擴展區和瞬斷區呈沿晶斷裂特征，說明整個斷裂過程由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。

圖2 失效加強板的斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of failed reinforcement plate:(a) entirety;(b) crack source;(c) crack propagation region and (d) instantaneous region

采用掃描電鏡觀察失效加強板激光剪邊區域和未激光剪邊彎曲變形區域邊緣的斷口形貌。由圖3可以看出，激光剪邊區域表面光滑，而彎曲變形區域由于沖壓后未進行激光剪邊，裂紋快速擴展，表面存在大量裂紋。

圖3 失效加強板激光剪邊區域和彎曲變形區域邊緣的斷口SEM形貌Fig.3 Fracture SEM morphology of edge of laser trimming area (a) and bending deformation area (b) of failed reinforcement plate

1.3 化學成分

打磨掉失效加強板表面的鍍層，采用斯派克MAXx型直讀光譜儀測試化學成分。由表1可以看出，失效加強板的化學成分滿足GMW14400-2016標準要求。

表1 失效加強板的化學成分(質量分數)

1.4 顯微組織

在失效加強板的開裂位置取樣，經磨拋，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后在蔡司EVO18型光學顯微鏡下觀察顯微組織。由圖4可以看出，失效加強板表面鋁硅鍍層上存在顯微裂紋，但均未穿過鍍層，心部組織為淬火后的馬氏體，與正常位置心部的組織相同。

圖4 失效加強板的顯微組織Fig.4 Microstructure of failed reinforcement plate: (a) near crack position, surface coating; (b) near crack position,center and (c) away from crack position, center

1.5 硬 度

采用MITUTYOYO型維氏硬度計測試失效加強板的硬度，在平行于裂紋、距離裂紋1 mm的位置取點，取點間隔為0.3 mm，載荷為2.94 N，保載時間為12 s。由圖5可以看出，開裂位置附近的彎曲變形區域硬度出現異常，較正常位置的硬度偏高，且異常區域的長度與裂紋長度基本一致。

圖5 失效加強板裂紋附近的硬度測試位置及分布曲線Fig.5 Test position (a) and distribution curve of hardness (b) near crack of failed reinforcement plate

2 開裂原因分析

由理化檢驗結果可知：失效加強板的化學成分滿足標準要求，心部組織為馬氏體，無異常組織；開裂位置表面的硬度較正常位置的明顯增大，且開裂位置表面鍍層磨損嚴重。熱成形加強板由于各位置的力學性能不同，斷裂形貌也不同，低強度位置的斷裂為韌窩斷裂，高強度位置的斷裂為沿晶斷裂[5]。該失效加強板的裂紋在硬度較低的剪邊邊緣位置萌生，斷口呈韌窩和解理形貌，沿彎曲變形區域擴展并斷裂，斷口呈沿晶斷裂形貌，對應的硬度較高。

在熱沖壓成形過程中，沖壓力和板料加熱溫度有關[6]，隨板料加熱溫度降低而增大。該加強板的加熱溫度為900 ℃，沖壓過程中開裂位置產生了較大的壓縮應力，沖壓成形后進行激光剪邊落料時，拐角半徑較小，落料形狀不合要求，導致微裂紋萌生。經統計，開裂的加強板大多位于堆垛料底部，在運輸過程中，底部加強板受到了較大的沖擊載荷作用，同時部分區域沒有進行激光剪邊，在沖擊載荷作用下，裂紋沿未進行激光剪邊的區域快速擴展，最終開裂。

對加強板的加工工藝進行優化，增大拐角處(箭頭所示)的半徑，優化加強板的落料形狀，見圖6；減少沖壓時拐角處物料的折疊，同時加熱溫度升高至920 ℃，降低沖壓成形過程中拐角處的壓縮應力，避免鍍層脫落。成形結束后，對加強板進行全面的激光剪邊，去除多余材料，減緩裂紋擴展。圖7為優化落料形狀前后、總裝前的加強板形貌，可以看出，增大拐角處的半徑后，鍍層上的壓痕逐漸變淺，拐角處半徑最大的加強板總裝前未發生開裂。由圖8可以看出，該加強板總裝前也沒有出現硬度異常增大的現象。

圖6 不同拐角半徑加強板的落料形狀Fig.6 Blanking shape of reinforcement plate with different radius of corner: (a) failed reinforcement plate; (b) reinforcementplate after increasing radius of corner and (c) reinforcement plate after further increasing radius of corner

圖7 總裝前不同拐角半徑加強板的形貌Fig.7 Morphology of reinforcement plate with different radius of corner before final assembly: (a) failed reinforcement plate;(b) reinforcement plate after increasing radius of corner and (c) reinforcement plate after further increasing radius of corner

圖8 拐角處半徑進一步增大后、總裝前加強板的硬度分布Fig.8 Hardness distribution of reinforcement plate after furtherincreasing radius of corner before final assembly

3 結論及措施

(1) 該失效加強板的開裂方式為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂；激光剪邊落料時拐角半徑較小，導致裂紋在剪邊邊緣位置萌生，運輸過程中在沖擊載荷作用下，裂紋沿未進行激光剪邊的彎曲變形區域快速擴展。

(2) 增大拐角處的半徑，同時在沖壓成形后對加強板進行全面的激光剪邊，采取這些措施后總裝前加強板鍍層上的壓痕變淺，未發生過開裂現象。