700 MPa級熱軋高強大梁鋼折彎開裂分析

周建川，李紅俊，張繼永，孫 毅，李 靜

(河鋼邯鋼技術中心，河北 邯鄲 056003)

隨著汽車輕量化發展，高強鋼以其強度高、輕量化等優勢極大地滿足了市場需求。由于高強鋼材料的強度較高，用戶使用時加工工藝不當或材料自身存在問題就極易出現開裂情況，因此高強鋼加工開裂問題是鋼鐵生產及終端制造企業研究的重點方向之一[1-4]。相關人員對此也進行了大量的研究，于洋等認為材料晶粒粗大、混晶使得加工過程中組織變形不均勻，以及碳化物粒子析出在變形過程中形成裂紋源，從而導致大梁鋼的沖壓開裂[5]。陳尹澤等認為鋼種MnS夾雜及帶狀組織是導致折彎加工過程中鋼板開裂的直接原因[6]。陸鳳慧等發現卷板局部卷曲溫度超標時，會使得材料低溫沖擊韌性惡化，是造成卷板頭部剪切時出現橫裂的根本原因[7]。張正群等通過折彎開裂位置與正常位置取樣對比，發現開裂位置存在沖孔及孔內微裂紋是導致折彎開裂的主要原因[8]。李濤等利用單拉試樣的膨脹試驗，結果表明對邊部開裂加工狀態較為敏感鋼種，沖裁加工產生的毛刺極易產生開裂，且不同強度的高強鋼對應沖裁剪的合理間隙是不同的[9]。孟憲堂等認為鋼板表面氧化鐵皮的壓入及碳化物在晶界上的析出會直接影響大梁鋼成型性能，導致材料加工過程中開裂[10]。相關研究表明高強鋼加工過程開裂原因具有復雜性和多樣性，因此為分析開裂原因，需根據開裂試樣的生產及加工過程進行全面分析。

本企業生產的700L鋼在用戶折彎加工過程出現開裂，本文通過對高強大梁鋼生產及加工工藝分析，以期找出開裂原因，并結合實際工藝提出改進措施，避免高強大梁鋼的折彎開裂，減少企業及用戶損失。

1 試樣折彎開裂情況

1.1 試樣開裂形貌

本次折彎開裂700L規格為4 mm×1500 mm，用戶加工工藝為：剪切下料、沖孔及折彎，試樣在折彎加工時出現開裂現象。開裂宏觀形貌如圖1(a)所示，高強大梁鋼在折彎90°位置出現開裂，裂紋呈撕裂狀從邊部向內延伸，長度約為2.5 cm。如圖1(b)所示，取樣樣板為折彎開裂零件，取成分、金相、彎曲及拉伸試樣，對其成分、組織及力學性能進行檢驗，分析其對高強大梁鋼折彎開裂的影響。

(a)折彎開裂形貌

(b) 取樣位置 圖1 試樣開裂形貌及取樣位置

2 試樣檢測分析

2.1 化學成分檢測

對開裂試樣做光譜化學成分檢測，結果符合企業標準(Q/HG 048-2018)要求，如表1所示。

表1 開裂樣化學成分(wt%)

2.2 金相檢驗

相關的研究表明，如果材料內部存在較大的夾雜物，當進行折彎加工時夾雜物附近可能會出現應力集中，從而造成開裂[6]。而對開裂試樣觀察如圖2所示，開裂及未開裂位置均未發現較大的夾雜物，因此排除夾雜物的存在而導致試樣開裂。

(a)開裂處

(b)未開裂處

2.3 力學性能檢測

對開裂試樣進行拉伸和彎曲試驗，結果表明屈服強度和抗拉強度富余量適中，180°彎曲后試樣表面無裂紋，力學性能均符合企業標準(Q/HG 048-2018)要求，見表2。

表2 開裂試樣力學性能檢驗

如圖4為彎曲試樣形貌，彎曲試樣一側邊為用戶剪切邊，另一側邊為廠內鋸床加工的鋸斷邊，通過彎曲試驗，當試樣彎曲至120°時，對比兩側邊發現，剪切側邊出現開裂，而鋸斷側邊未出現開裂現象，將試樣繼續彎曲至180°時，鋸斷側仍未出現開裂現象。可見試樣的開裂與側邊光潔度有較大關系，通過觀察對比發現，剪切側邊存在毛刺，而鋸斷側邊則為光滑斷面。由此可知，大梁鋼的折彎開裂與用戶剪切側邊存在毛刺有較大關系。

(a)開裂處

(b)未開裂處

(a)剪切側邊 (b) 鋸斷側邊 (c) 180°折彎

2.4 剪切邊形貌分析

如圖5所示，剪切邊形貌自上而下可分為塌角、剪切帶、斷裂帶以及毛刺四部分。研究表明，當圓盤剪軸向間隙過小時，會導致剪切帶寬度增加、塌角變小，但斷面處會被擠壓出較大毛刺；當軸向間隙過大時，剪切帶寬度減小，塌角增大，斷面處會出現拉出毛刺，斷面質量較差[11]。只有當軸向間隙合適時，上下刀口附近產生的裂紋在剪切過程中能合成一條線，斷面比較光滑，毛刺較小，此時的斷面質量較好。對剪切邊形貌觀察發現板材上邊存在塌角約為板材厚度的5%，剪切帶約為25%，斷裂帶為70%左右，相較于斷裂帶剪切帶明顯減小，下刀口邊部存在明顯的毛刺，與軸向間隙過大導致的斷面特征比較吻合。

圖5 剪切邊形貌

3 開裂機理及改進措施

鋼板的剪切可分為三個階段：彈性變形階段、塑性變形階段以及斷裂階段。圓盤剪開始對鋼板進行剪切時，鋼板受到的剪力逐漸增大，并達到彈性極限。當達到鋼板的屈服點時，鋼板開始產生塑性變形，之后鋼板開始產生微裂紋并隨之斷裂，此時也就是斷裂面上的剪切帶進入斷裂帶。在剪力的繼續作用下，微裂紋逐漸增大并最終導致鋼板徹底斷裂，在鋼板被剪斷分離末端，由于拉應力的作用，使得部分材料拉伸后撕裂在邊部產生了毛刺。

導致鋼板發生折彎開裂的裂紋源主要受材料組織和力學因素兩方面影響，經上文分析材料的組織無異常，因而主要考慮力學因素對折彎開裂的影響。在鋼板受力折彎過程中，由于毛刺端有微裂紋存在，成為折彎開裂的裂紋源。鋼板在折彎時，如果毛刺端在外側，此時微裂紋在拉應力作用下開始增大，形成宏觀裂紋并向鋼板內部延伸，最終形成開裂，如圖6(a)所示；如果毛刺端在內側，此時微裂紋受到壓應力作用，毛刺被擠壓下去，此時不會出現裂紋，如圖6(b)所示。這也再次印證了此次折彎開裂是由于毛刺存在所導致的。

(b)毛刺端在內側未開裂

為解決折彎開裂這一問題，建議用戶修磨邊部毛刺以去除微裂紋，或者調整圓盤剪軸向間隙，改善剪切邊形貌，減少微裂紋的存在。

(a)毛刺端在外側開裂

4 結論

(1)鋼中非金屬夾雜物、金相組織及力學性能均符合標準要求，并非此次大梁鋼折彎開裂的主要原因。

(2)通過對彎曲試驗試樣的剪切側邊與鋸斷側邊對比發現剪切側邊存在毛刺，毛刺端的微裂紋是大梁鋼折彎開裂的裂紋源，是引起此次折彎開裂的主要原因。

(3)建議用戶修磨或者調整圓盤剪軸向間隙以去除邊部毛刺，減少裂紋源的存在，從而減少折彎加工過程中開裂問題的出現。