汽車大梁用高強熱軋鋼板800L 剪切開裂原因分析

石發才

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

經濟的快速發展促使我國制造業發生了“由大到強”的轉變。制造業加大了高強度新材料的應用比例，零件的減薄節省了用料，實現了輕量化以及降低能耗的“雙贏”目標，進而也提升了設備安全性。鋼材剪切是鋼鐵生產企業和下游應用行業最常見的一種落料方法，它較激光、等離子、水切割等新落料方法具有基礎設施齊全、覆蓋面廣、效率高、方便快捷、能耗低、無染污等特點[1]。

隨著新材料的開發和推廣應用的不斷深入，生產制造中首先面臨著剪切設備更新滯后、加工能力不足問題，其次因對新材料特性認識不夠，在剪切時參數設置不當會造成開裂也是典型問題。本文對汽車大梁用800L 熱軋鋼板剪切開裂的原因進行了查找，并通過檢測分析提出了改進措施，以供材料加工人員參考。

1 剪切開裂問題基本情況

汽車大梁用高強熱軋鋼板的落料流程：上卷（大卷）→開平1→矯直1→縱切分條（圓盤剪）→收卷（小卷）→上卷（小卷）→開平2→矯直2→橫切→打包。

出現剪切開裂的產品規格為8.0mm×1420 mm×Cmm，經圓盤剪縱切，再橫切定尺成規格8.0 mm×140 mm×13 000 mm 的扁鋼，開裂問題發生在開平2、矯直2 兩個工序上，開裂試樣如圖1 所示。現場查證中發現，開裂前小卷的剪切面上有大量微裂紋和毛刺，由此推測，縱切造成的微裂紋可能是小卷在后面開平矯直過程中出現開裂的源頭，如圖1-1 所示，將剪切面放大后微裂紋形貌如圖1-2 所示，小卷開平和矯直時微裂紋在外力作用下擴展出現斷裂，如圖1-3 所示。

圖1 開裂試樣

2 檢測分析

2.1 化學成分和力學性能

對開裂處進行取樣分析，利用光電直讀光譜儀PDA-5500 進行成分檢測，結果如表1 所示。

表1 化學成分 %

檢測結果滿足企標要求，同時也嚴格控制在內控范圍內，其他元素未出現異常。

利用電子拉伸試驗機Zwick/Roell 300 kN 對開裂試樣進行力學性能檢測，情況如表2 所示。

表2 力學性能

由表2 可知，該試樣的力學性能和沖擊功檢測結果均滿足企標要求，且與出廠前質量保證書上結果非常一致，微小波動屬正常情況。表中沖擊試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm。

2.2 金相組織

利用光學顯微鏡DM4000M/DMI3000M 對斷裂試樣進行金相組織觀察，及非金屬夾雜物和偏析評級，觀察到組織為針狀鐵素體，是該強度級別材料的典型組織，晶粒度為13 級，如圖2 所示。非金屬夾雜物為0～0.5 級，具體情況如表3 所示，D 類夾雜物形狀如圖3 所示，夾雜物控制良好。在板厚中心位置發現一條零星的偏析線，從數量和寬度上判斷，屬于連鑄生產中發生的正常偏析，無嚴重偏析情況存在，如圖4 所示。

圖2 金相組織

表3 非金屬夾雜物

圖3 非金屬夾雜物

圖4 偏析線

2.3 斷口掃描

用場發射掃描電鏡Nova NanoSEM430 對斷口進行觀察，發現其形貌為韌性斷裂，斷口處也未發現有脆性組織存在，其形貌如圖5 所示。

圖5 斷口形貌

2.4 冷彎性能

為了進一步驗證開裂的可能性，從開裂試樣上切取兩條冷彎試樣（見圖6）。圖6-3 是試樣彎曲處保留了原始縱切面，圖6-4 為正常機加工試樣，即對試樣原始剪切面銑削處理后，表面光潔度達到標準要求，試驗前還有意保留了部分機加工形成的毛刺，用來觀察小量毛刺對冷彎性能影響程度，圖6-1、6-2 分別為原始面試樣和機加工試樣。在試驗過程中，帶原始縱切面的試樣彎曲到120°，還未到標準角度時已出現開裂，而正常試樣（帶少量毛刺）彎曲到標準角度180°仍未出現裂紋，這也進一步說明開裂與材料本身無關，而與剪切面的質量好壞有直接關系。

圖6 冷彎對比

3 原因分析

據韓碩等研究結果，鋼材在剪切落料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，從上下剪刃接觸材料開始，材料隨即發生彎曲變形，此時僅發生彈性變形，未發生塑形變形。隨著剪刃咬合，變形量逐漸變大，進入塑性變形區，剪刃繼續咬合，內部組織產生微裂紋，隨著剪刃在外力作用下繼續移動，微裂紋會迅速擴展，最終發生斷裂。又根據剪切斷面特征將其分為四個區域，圓角區、光亮區、破裂區、毛刺，如下頁圖7 所示。若判斷某一特定強度和厚度的材料剪切時剪刃間隙是否合適，可依據不同剪切間隙的力位移曲線來確定，參考間隙如下頁圖8 所示[2]，圖中標示的t為鋼板厚度。

圖7 剪切面形貌特征

圖8 不同間隙條件下力位移曲線

通過綜合檢驗和模擬推演可得知，高強汽車大梁鋼800L 的剪切開裂是由于圓盤剪的剪刃間隙設置不當，使得剪切面上出現大量微裂紋和毛刺，小卷開平和矯直中，微裂紋在矯直力作用下擴展，最終導致開裂，甚至出現斷裂現象。

4 改進措施

在剪切某一特定材料時，第一步先確定其硬度（通常材料的強度與硬度成正比，可相互換算）和厚度，必要時可對硬度值和厚度值進行重新測定，然后根據被剪切材料硬度和厚度，適當更換相應硬度的刀具，原則上刀具硬度至少是材料硬度的1.5 倍；第二步應設定合理的剪刃間隙，一般情況下，剪刃間隙在材料厚度的1.0%～6.0%內選擇，具體間隙可根據實際生產情況進行相應微調。特殊情況下，如全新材料可通過力位移曲線法進行測試判斷后再進行確定。

此外，為保證剪切面質量，需要定期維護和更換剪切刀具，優化剪切工藝參數，剪切后如仍有少量毛刺，成型前可將鋼板上下面進行反轉，將毛刺朝上折彎或沖壓，如條件允許也可對毛刺進行修磨等，這些方法均可改善材料成型性。通過采取以上措施，剪切過程未再出現類似開裂問題。

5 結論

1）本次高強度大梁鋼800L 剪切開裂是縱切過程中由于剪刃間隙設置不當，導致剪切面上出現微裂紋而造成的。

2）對某一特定材料落料剪切前應先確定其硬度和厚度值，必要時更換相應硬度的刀具（參考值是被剪材料硬度的1.5 倍）和設定剪刃間隙（參考值是材料厚度的1.0%～6.0%內可選）。