熱軋酸洗板SAPH440翻邊開裂性能分析

劉淑影，王秋雨

（河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000）

SAPH440是一種Si、Mn復合強化的熱軋酸洗板，其抗拉強度在440 MPa以上[1]。由于熱軋酸洗板SAPH440具有良好的冷成形性能、焊接性能、擴孔翻邊性能和較高的耐疲勞性能等[2]，因此廣泛應用于車輪底盤、離合器等高強度部件[3]。

1 翻邊開裂問題描述

某汽車零件采用材質為熱軋酸洗板SAPH440，其厚度為2.0 mm時出現翻邊開裂現象，如圖1所示，對翻邊開裂的零件進行成分分析，如表1所示。該零件的成形工藝為落料—翻邊兩個工序。因此落料后零件的邊緣質量和材料的翻邊擴孔性能對零件成形起著決定性的作用[4]。

圖1 零件翻邊開裂

表1 翻邊開裂零件的化學成分

2 翻邊開裂性能改善

對翻邊開裂零件進行組織分析，如圖2所示，從組織照片可以看出，材料偏析非常嚴重，導致帶狀組織極其明顯。帶狀組織的存在使材料的成分不均勻，導致材料的各向異性的形成，且沿帶狀組織方向，材料的塑性、韌性和斷面收縮性均會降低[5]。落料后一旦在剪切邊緣在帶狀組織附近，剪切邊緣的微裂紋即沿著帶狀組織擴展開來，從而造成材料的翻邊開裂性能降低，成形時出現翻邊開裂的現象。

圖2 翻邊開裂零件的組織

為改善材料的帶狀組織，對材料成分進行了一定的優化，優化方案如表2所示。優化后的成分中適當降低了Si的含量、增加了Mn的含量，原因為：Si能夠溶解于鐵素體和奧氏體中，提高材料的強度和硬度，但是Si容易造成偏析，從而形成帶狀組織，使得橫向性能低于縱向性能[6]；而Mn和Fe形成固溶體，提高材料中鐵素體的硬度和強度，同時又是碳化物的形成元素，進去滲碳體中取代一部分Fe原子[7]，同時Mn在材料中降低臨界轉變溫度，起到細化珠光體的作用。

表2 優化后的材料的化學成分

優化后的材料組織如圖3所示，從圖3可以看出，優化后材料的帶狀組織明顯改善，已經不存在明顯的帶狀和偏析的情況，且晶粒比原始晶粒細小。優化前、后的材料性能參數如表3所示，優化后的材料的屈服強度由336 MPa提高到362 MPa，抗拉強度由444 MPa提高到476 MPa，伸長率略有降低，但擴孔性能由70.3%提高到110.5%，提高了57.1%。由此可見，優化后的材料性能有了明顯的提升。

圖3 優化后的組織

表3 優化前、后的材料性能對比

優化前、后的材料的剪切邊緣如圖4和圖5所示，從材料沖裁后邊部的斷面形貌來看，熱軋酸洗板SAPH440的沖裁面分別塌角帶、斷裂帶和光亮帶3個部分[8]，對于熱軋酸洗板SAPH440，其材料的斷裂帶很長，光亮帶非常窄，2.9 mm厚的原板，優化前的光亮帶寬度為0.54 mm，占總厚度的18.6%，優化后光亮帶的寬度為0.84 mm，占總厚度的29%。由此可見，優化后的材料光亮帶明顯增加，材料的擴孔翻邊性能均有明顯增大。

圖4 優化前的剪切邊緣質量

圖5 優化后的剪切邊緣質量

3 仿真驗證

為了提前預測優化后的材料是否滿足該零件的成形性能要求，現用3D激光掃描儀對成形后的零件進行掃描，然后利用Catia建模軟件逆向得到零件的數學模型。

將上述零件數模導入仿真軟件，仿真時采用隨動硬化Ludwick模型，屈服模型采用Hill模型[9]，材料的屈服強度、抗拉強度等參數設置參照表3，材料厚度為2.9 mm，設置單元類型為殼單元，厚向積分點為5個[10]，摩擦系數設定為0.15，網格采用自適應方法進行求解。在材料模型中引入了材料翻邊擴孔安全性的判定準則，Edge Crack值大于1，表示邊緣開裂；Edge Crack值小于1，表示邊緣未出現開裂；越接近于1，表示邊緣開裂風險越大[11，12]。優化前材料的計算結果如圖6所示，材料的Edge Crack值為1.146，大于1，因此成形時出現翻邊開裂的情況，這與實際情況相符。采用優化后的材料性能進行成形計算時，計算結果如圖7所示，翻邊開裂的Edge Crack值降低到0.781，完全滿足零件的成形性要求，且安全系數很大，因此可以用優化后的材料進行試制。

圖6 優化前材料的仿真結果

圖7 優化后材料的仿真結果

4 零件試制

利用優化后的材料進行第2次試制時，翻邊成形位置處沒有出現開裂的情況，如圖8所示，零件符合產品的要求。

圖8 試制后的零件

5 結論

（1）通過仿真和實際驗證，適當提高Mn含量、降低Si含量，可以有效地消除帶狀組織分布，同時提高了材料的擴孔率。

（2）優化后的材料的剪切邊緣質量有所改善，光亮帶的寬度由0.54 mm增加到0.84 mm，進行2次試模時，材料能夠滿足零件成形方面的要求。

（3）具有落料—翻邊成形的工藝，要注意板料正反面的放置位置，剪切邊緣的光亮帶要放置在零件圓角的外弧側。