高強(qiáng)度大梁鋼700L折彎開裂原因分析

劉廣超 張大江 劉 鵬

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 引言

折彎開裂是鋼鐵材料冷加工過程中常見的一種現(xiàn)象，隨著國內(nèi)對汽車輕量化要求的提高，以高強(qiáng)度鋼代替普通材質(zhì)的鋼材，使車輛實(shí)現(xiàn)減重，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要手段。由于材料強(qiáng)度的提升，因下游加工工藝與材料強(qiáng)度不匹配帶來的折彎開裂現(xiàn)象呈現(xiàn)增多趨勢，給用戶帶來不必要的麻煩。

在專用車領(lǐng)域，用戶主要用抗拉強(qiáng)度為700 MPa級的高強(qiáng)度鋼材代替普通強(qiáng)度的鋼材實(shí)現(xiàn)車身輕量化的需求。高強(qiáng)度大梁鋼700L是某廠的重點(diǎn)產(chǎn)品，主要用于汽車縱梁、橫梁、C型梁、加強(qiáng)梁、油箱掛梁、槽鋼等重要承重部位，其制造過程及服役條件要求鋼板有較高的強(qiáng)度、良好的冷成型性和焊接性能。下游用戶在加工使用700L的過程中，發(fā)現(xiàn)折彎時出現(xiàn)批量端部開裂的情況，給用戶帶來了巨大的損失。

用戶加工工藝：鋼卷開平—縱剪—剪切—折彎，客戶在折彎過程中發(fā)現(xiàn)端部開裂，如圖1所示。為了減少用戶損失，避免700L在折彎過程端部開裂，對端部開裂產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

圖1 開裂宏觀圖貌

1 試驗(yàn)方法

對開裂位置進(jìn)行取樣分析，在開裂位置附近未變形區(qū)域利用光電直讀光譜儀PDA7000進(jìn)行成分檢測，利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-Y500對力學(xué)性能進(jìn)行檢測，利用光學(xué)顯微鏡PME3 Axiovert 200進(jìn)行金相組織檢測和夾雜物檢測。利用掃描電鏡EVO18對開裂位置的剪切邊進(jìn)行檢測。

2 檢測結(jié)果

2.1 開裂附近未變形位置檢測結(jié)果

2.1.1 成分檢測

成分檢測結(jié)果見表1。

表1 700L化學(xué)成分 %

從表1可以看出，成分完全符合大梁鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1.2 力學(xué)性能檢測

力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表2 700L的力學(xué)性能

從表2可以看出，強(qiáng)度滿足企標(biāo)要求，但是屈服和抗拉強(qiáng)度偏高，延伸率偏低。

2.1.3 金相組織檢測

金相組織檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 金相組織檢測（500×）

從圖2可以看出，組織類型為F+P，組織分布均勻，中心位置未見明顯帶狀組織，邊部位置和四分之一位置晶粒度為12級，中心位置為11.5級。

2.1.4 夾雜物檢測

夾雜物檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 夾雜物檢測（200×）

從圖3可以看出，材料純凈度較高，未見明顯夾雜物。

2.2 開裂位置檢測

2.2.1 折彎開裂處檢測

用線切割機(jī)將開裂處切斷，從宏觀上觀察開裂位置（如圖4所示），試樣下表面有明顯的光亮帶，光亮帶是由剪切刀口擠壓鋼板造成的，因此可以判斷出試樣下表面為上剪切口，斷口呈明顯的河流狀、扇形或羽毛狀花樣，從裂紋流線方向判斷，起裂源在下剪切口，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)剪切開裂流線指向邊部，如圖5所示。

圖4 開裂形貌

圖5 裂紋源形貌

2.2.2 剪切邊組織

下剪切口金相圖片如圖6所示。由金相圖片可以看出，下剪切口邊部在未使用的情況下已經(jīng)產(chǎn)生了微裂紋，裂紋最大達(dá)到187 μm。

圖6 下剪切邊組織

3 原因分析

鋼板在剪切過程中分為彈性變形、塑形變形和斷裂分離三個階段。在彈性變形階段，上下刃口接觸材料，材料發(fā)生彎曲變形，材料僅發(fā)生彈性變形，未沒發(fā)生塑形變形。隨著刃口下降，材料的變形量逐漸變大，材料進(jìn)入塑性變形區(qū)，刃口接著下降，鋼板內(nèi)部會產(chǎn)生微裂紋，隨著剪切的繼續(xù)進(jìn)行，微裂紋會迅速擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂[1]。

鋼板的剪切斷面形成分為四個區(qū)，如圖7所示（其中，a為塌角，b為光亮區(qū)，c為斷裂區(qū)，d為毛刺區(qū)）。塌角在彈性變形和塑形變形初期階段形成，材料受刃口的擠壓發(fā)生彎曲變形，在斷口處形成塌角區(qū)。光亮區(qū)是在塑形變形和斷裂變形前期形成的，由于受到刃口擠壓，斷面上形成一道明亮的光亮帶。塌角和光亮區(qū)由于材料發(fā)生塑形變形而產(chǎn)生加工硬化，因此抵抗變形的能力增大。斷裂區(qū)發(fā)生在斷裂分離階段，斷面粗糙，無金屬光澤，由于沒有加工硬化過程，抵抗變形能力較差。毛刺區(qū)發(fā)生在斷裂分離后期階段，因?yàn)槲⒘鸭y產(chǎn)生的位置不是正對刃口，而是在刃口附近的側(cè)面上，加上刃口之間的間隙以及刃口不鋒利等原因，使金屬拉斷形成毛刺，殘留在沖裁件上，毛刺區(qū)是對后續(xù)加工過程有害的區(qū)域，應(yīng)該盡量減少該區(qū)域[2]。

圖7 剪切面

鋼板在加工過程中發(fā)生開裂，首先要形成開裂源，開裂源來源于兩個方面：一方面是材料自身的內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾雜物、內(nèi)部裂紋等缺陷；另外一方面是在加工過程中產(chǎn)生的，如毛刺、劃傷等缺陷。通過對端部開裂試樣進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，材料成分合格，力學(xué)性能滿足要求，組織均勻，無明顯夾雜物，因此可以排除開裂是由材料自身缺陷造成。通過對材料開裂部位檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋源指向剪切斷面的毛刺區(qū)，對剪切邊進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)毛刺區(qū)存在大量微裂紋，這是后續(xù)加工開裂的裂紋源。鋼板折彎過程中，材料受力在彎曲載荷的作用下，在外表面缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑形變形。隨著變形量的不斷增大，微裂紋源不斷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋源擴(kuò)展到一定程度，就會造成材料的宏觀開裂[3]。因此，剪切邊毛刺大是造成此次端部開裂的主要原因。

用上剪切口作為折彎件的彎曲外弧進(jìn)行折彎（如圖8所示），發(fā)現(xiàn)折彎件完好，無開裂現(xiàn)象。因?yàn)樯霞羟锌跒樗菂^(qū)，在剪切過程中受壓應(yīng)力，毛刺被擠下去，表面比較平坦，沒有微裂紋，所以不會造成開裂。從而再次證明，材料本身沒有問題，開裂的主要原因是剪切形成缺陷造成的。

圖8 上剪切面折彎

4 改進(jìn)措施和改進(jìn)效果

為保證剪切邊質(zhì)量，需要定期維護(hù)剪切刀具，優(yōu)化剪切工藝，特別是剪切間隙，以減小下剪口的毛刺或?qū)ο录羟锌诘拿踢M(jìn)行修磨，也可以直接采用上剪口作為彎曲外弧，這樣可以很大程度上減輕或避免折彎開裂。通過采取上述改進(jìn)措施，在用戶的后續(xù)生產(chǎn)中未出現(xiàn)折彎端部開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)語

（1）本次高強(qiáng)度大梁鋼700L折彎過程中端部開裂是由于剪切邊毛刺造成的，這種開裂只會發(fā)生在剪切邊的端部。

（2）通過增加銑邊、修磨工序等工藝可以消除下剪口毛刺區(qū)的缺陷，避免折彎過程端部開裂。