鋁合金汽車板的翻邊延性

文/張鈞萍，周佳，馬鳴圖·中國汽車工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金屬有限公司

鋁合金汽車板的翻邊延性

文/張鈞萍，周佳，馬鳴圖·中國汽車工程研究院股份有限公司

路洪洲·中信金屬有限公司

板材在沖壓翻邊時，抵抗開裂的特性稱之為翻邊延性。作為汽車外覆零件，在沖壓成形后，要進行翻邊加工工序，如發動機蓋板的內外板的合成等均采用翻邊工藝，因此要求鋁合金板材應具有良好的翻邊延性，以保證在翻邊成形時不發生開裂。

板材的翻邊延性和板材的總延伸率有關，也與材料的內部組織有關。翻邊延性可用冷彎來檢測，但通常的冷彎并未考慮到應變速率的敏感性，而沖壓翻邊時則變形較快，應變速率較大，從而對翻邊延性有更高的要求。按現代的物理冶金和力學冶金的進展和理念，改善翻邊性能或孔脹成形性的方法是：⑴采用納米粒子強化，并且材料的性能盡可能為各向同性；⑵如果是板材組織有兩相組織強化，則兩相組織的性能應盡可能相近。晶粒細化而均勻，第二相細化是提高翻邊延性的重要因素。

鋁合金的翻邊延性的評價——冷彎試驗

冷彎試驗方法

一般用給定半徑的彎芯，彎曲180°，觀察彎曲底部的形貌和開裂情況，作為判斷彎曲性能好壞的標準。彎曲模式有兩種，圖1所示的彎曲過程分兩步，第一步是在給定的彎芯下將試樣彎曲，第二步在平面模下將試樣彎成180°；另一種彎曲模式為三點彎曲模式（見圖2），用壓頭將板材沿支撐的兩個輥子壓下，彎曲因子f=r/t，r為壓頭端部的半徑，t為板材的厚度，這類試驗可以直接將板材壓到180°。如要觀察r=0時的彎曲性能，在彎曲后取出彎曲的壓頭，在平板模上繼續壓到180°，如圖1b所示。

圖1 彎曲試驗方法一

圖2 彎曲試驗方法二

冷彎試驗的評價

圖3a為預應變和冷彎的雙重作用的評定結果，圖3b為表面狀態的實物展示，可以看出，這類板材在預應變等于0的情況下，如r/t=0表面產生嚴重的粗化；在r/t=0.5時，表面粗糙度中等，在r/t=1.5和r/t=2.5，彎曲后無表面缺陷。其他預應變和冷彎狀態的組合可對比圖3b進行觀察。總體效果可以看出，預應變和彎曲因子對彎曲后的表面形貌有明顯影響。

圖3 預應變和冷彎作用下的鋁合金板材6016表面狀態

有限元分析

用有限元分析可以對彎曲過程進行分析，并可預測表面形態，圖4為有限元分析對冷彎時表面形貌的預測。

彎曲半徑的影響和組織觀察

圖4 有限元分析對冷彎時表面形貌的預測

彎曲壓頭半徑對6111彎曲試驗外表面開裂的影響見圖5。從圖5中組織和裂紋的微觀形貌可以看出，彎曲半徑對開裂影響很大。彎曲半徑越小，產生開裂的幾率越大，裂紋張開的越大。圖6為AA6111在彎曲半徑為0.305mm的條件下，從裂紋擴展的微觀組織形貌可以看出，裂紋沿晶界擴散。對圖7斷口的組織進行觀察，更清晰的表明了裂紋在冷彎時沿晶界擴展和晶間斷裂的本質，顯然強化晶界有利于提高這類材料的冷彎性能。對6022的研究有類似的結果，但第二相影響更加明顯。

影響翻邊延性的因素

⑴金屬組織。溶質元素的固溶量、鎂和硅的含量通過影響基體組織的強度和延性，影響剪切帶的發生進而影響微裂紋的產生。

圖5 6111不同彎曲半徑彎曲試樣外表面顯微和裂紋的微觀形貌

圖6 AA6111彎曲試樣外表面的裂紋擴展的微觀照片（r=0.305mm）

圖7 AA6111彎曲試樣外表面的裂紋擴展的晶間斷裂的特征（r=0.305mm）

⑵金屬間化合物的形狀、大小和數量。Mg、Si、Fe和Mn的含量，特別是Fe和Mn的含量將對其有很大的影響。金屬間化合物將影響微裂紋的產生，通過均勻化處理，可以改變金屬間化合物的形狀、大小和數量，從而減少冷彎時微裂紋的產生。減少微裂紋的產生，就有利于提高冷彎性能。

⑶晶界析出物。它影響晶界的強度，析出物的脫聚和開裂也會影響微裂紋的產生。固溶處理和處理后的冷卻速度，對晶界析出物都有影響，提高冷卻速度可以降低析出物的數量和大小。

⑷晶粒大小。將影響材料的延性和強度，從而影響剪切帶的發生，提高固溶處理的加熱速度，將有利于細化晶粒，從而提高板材的冷彎性能。

⑸晶粒的方位和織構。合理的織構將有利于材料的冷彎性能，特別是深拉延性能，同時還會影響剪切帶的大小，從而影響冷彎性能，通過控軋工藝，求得合理的織構，將有利于改善冷彎性能。

⑹Mn含量的影響。實踐表明，一定的Mn含量有利于改善冷彎性能或翻邊延性。Mn具有細化晶粒的作用，同時Mn含量通過改變第二相析出的形態，由長條形改變為塊狀，縮小長徑比來改善翻邊延性。Mn含量影響冷彎性能的試驗結果見圖8，可以看出，從不含Mn到含0.19的Mn，冷彎性能逐步改善，當不含Mn時，表面粗糙并產生微裂紋，在Mn含量為0.10時，冷彎試樣的外表面略有粗糙，在Mn含量為0.19時，表面基本光整。Mn含量的這種影響，與Mn對夾雜物形態的影響密切相關。Mn含量對夾雜物的影響，由圖9可以看出，當不含Mn時，析出的β-AlFeSi呈長條狀，在Mn含量為0.10時，析出相為點狀的α相和短棒狀的β相，在Mn含量為0.19時，針狀的β相，只存在塊狀的β-Al（Fe·Mn）Si相。這種析出相形態變化與冷彎試驗結果相一致。

圖8 Mn含量對冷彎性能的影響

圖9 Mn含量對第二相的影響

冷彎失效的機理分析

金屬間化合物剪切帶和裂紋的擴展示意圖見圖10。

圖10 裂紋擴展模式和影響因素

圖11 析出相對板材性能影響的模型

析出相形態的改變對冷彎性能影響的機理如圖11所示。如第二相和鋁合金基體視為顯微增強復合材料，當這一復合材料受拉應力時，由于纖維相和基體的變形抗力不同，纖維相和基體交界面處會出現剪應力，其纖維相的受力和相關參量可用公式表示：σzz=2τz/r0。

σzz為距纖維端部Z處的纖維中的應力；z為纖維的長度，τ為半徑為r0纖維表面的剪應力 。

這類復合材料在拉伸變形時的失效模式與纖維相的長短密切相關，纖維的斷裂萌生孔洞失效和纖維的直徑、臨界長度有關，纖維越細，臨界長度越大，纖維越容易斷裂；另一種失效模式是纖維和交界面分離，萌生孔洞而失效，這時纖維的直徑越大，臨界長度越小，兩相交界面剪應力越大，越容易產生交界面失效。因此改善纖維的形態就可改變其失效模式和失效抗力。

結論

⑴翻邊延性是鋁合金汽車板沖壓件扣合時的重要性能，通常可以用冷彎進行評價。冷彎性能和壓頭的冷彎角度密切相關，同時也受拉伸預應變的影響，并可用有限元分析的方法預測。

⑵影響冷彎性能的因素有合金成分，Mg、Si、Fe和Mn的含量，特別是Fe和Mn的含量將對其有很大的影響。晶粒大小、第二相的形態和大小、晶粒位相和織構等。

⑶提出了剪切帶、第二相開裂等裂紋擴展模式，并用纖維增強復合材料合理的解釋了第二相形態，特別是長徑比對冷彎性能的影響。

張鈞萍，材料工藝工程師，主要從事汽車用鋁合金應用技術研究等工作，先后參與了國家“十二五”科技支撐計劃課題“形變鋁合金應用技術開發及其在目標車型上集成應用(2011BAG03B05)”，“鋁合金乘用車覆蓋件制造技術”(2016YFB0300805)等課題。