供稿|胡洋，楊天一，海超 / HU Yang, YANG Tian-yi, HAI Chao

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章通過(guò)對(duì)800 MPa級(jí)別的DP鋼沖裂零件進(jìn)行網(wǎng)格分析，依據(jù)沖壓時(shí)受力狀態(tài)及應(yīng)變情況，確定模具狀態(tài)及定位尺寸對(duì)沖壓過(guò)程的影響。分析結(jié)果表明：由于模具潤(rùn)滑條件及定位尺寸不精確，導(dǎo)致零件的變形部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，突破了成形極限導(dǎo)致零件破裂。另外，通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展處進(jìn)行掃描電鏡分析，確定了導(dǎo)致失效產(chǎn)生裂紋的機(jī)理：800 MPa級(jí)別的DP鋼裂紋的擴(kuò)展一般都沿著馬氏體和鐵素體相的界面，正常級(jí)別的夾雜物并不是裂紋的擴(kuò)展的主要原因。

隨著保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源越來(lái)越受關(guān)注，消費(fèi)市場(chǎng)激勵(lì)汽車制造商使用輕質(zhì)材料，而且要求這種材料具有一個(gè)更高的抗拉強(qiáng)度和更好的延展性。這樣可以通過(guò)減少汽車的重量從而減少燃料消耗以及二氧化碳排放量。采用先進(jìn)的高強(qiáng)鋼板，特別是兼顧良好碰撞吸能和成形性能的雙相鋼，在保證車身安全性能的同時(shí)，能夠顯著降低車身重量[1-2]。因此在車身骨架件的A柱加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板和縱梁等零件上得到廣泛應(yīng)用。在歐洲“超輕鋼車體——先進(jìn)車概念”項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)中，抗拉強(qiáng)度為1000 MPa的雙相鋼約占汽車車身重量的29%～30%[3]。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的DP鋼用量也非常大，800 MPa級(jí)別DP鋼屬于可以成形加工的較高級(jí)別鋼種。但是DP鋼在客戶使用的過(guò)程中出現(xiàn)了沖裂的情況。本文通過(guò)對(duì)沖壓過(guò)程的網(wǎng)格分析，確定了工件的受力過(guò)程，解決了模具使用不當(dāng)導(dǎo)致的工件沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)沖裂部位進(jìn)行掃描電鏡分析，剖析了DP鋼的斷裂機(jī)理。

開(kāi)裂宏觀形貌

實(shí)驗(yàn)使用的800 MPa級(jí)別DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)件形貌見(jiàn)圖1。從圖1可以看出沖壓零件為對(duì)稱形狀。從零件表面摩擦痕跡狀態(tài)及裂口大小可以看出，材料沖壓過(guò)程中左右流動(dòng)狀態(tài)不一致，零件摩擦痕跡明顯的材料流動(dòng)較好側(cè)表現(xiàn)為不開(kāi)裂或細(xì)小隱裂，而另一側(cè)則開(kāi)裂明顯。裂紋出現(xiàn)在零件彎曲最大處，且并非對(duì)稱分布。

網(wǎng)格分析

圖1 DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)件的宏觀形貌

對(duì)零件進(jìn)行沖壓網(wǎng)格分析：采用電化學(xué)腐蝕的方法在坯料上印制網(wǎng)格，沖壓成形后，從部件表面上看，零件存在嚴(yán)重的破裂缺陷。為研究零件破裂原因，將零件成形后應(yīng)變分布云圖與沖壓材料實(shí)驗(yàn)測(cè)試的成形極限曲線相比較，見(jiàn)圖2。

圖2 DP鋼的成形極限圖

圖2中第二根曲線為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得板料800 MPa級(jí)DP鋼的成形極限曲線。按照10%相對(duì)安全裕度生成安全區(qū)間[4]，變形在最下方曲線以下為安全位置，材料一般不會(huì)產(chǎn)生破裂缺陷；當(dāng)變形超出最上方曲線為破裂危險(xiǎn)區(qū)域，很容易產(chǎn)生破裂缺陷。從圖2可以看出有一部分應(yīng)力點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)在最上方曲線，說(shuō)明有些地方可能出現(xiàn)破裂。

圖3 DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)件的主應(yīng)變圖

從圖3中可以看到材料有部分變形已達(dá)到破裂危險(xiǎn)區(qū)域，因此在這些變形位置很容易產(chǎn)生破裂缺陷。對(duì)照主應(yīng)變圖最大變形出現(xiàn)位置(圖2中階段點(diǎn)0處，主應(yīng)變?yōu)?5.951%)和DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖破裂位置，可以看出與實(shí)際情況是相符的。

DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)零件的厚度減薄圖見(jiàn)圖4，通過(guò)變形最大位置截面，可以看到零件截面上主應(yīng)變和厚度減薄的分布情況。在變形最大位置，厚度減薄也接近最大值。同時(shí)，由圖4可以看出，在最大變形同一截面對(duì)稱的位置，變形和厚度減薄并不一致，存在變形集中。沖壓件兩邊的減薄量是不相同的。

圖4 DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)件的厚度減薄分布圖

由于沖壓件形狀是對(duì)稱的，如果兩邊的壓邊力和和摩擦條件相同時(shí)，兩邊減薄量應(yīng)該是一樣的，因此可以推論，DP鋼沖壓件由于對(duì)稱形狀兩邊的壓邊圈的壓邊力不均，導(dǎo)致了流動(dòng)不均，從而厚度方向減薄不一致，發(fā)生了頸縮，出現(xiàn)裂紋。

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)模具的定位卡槽發(fā)生偏移，壓邊力不均。另外，由于從圖1可看出工件表面的摩擦痕也比較重，說(shuō)明模具表面的潤(rùn)滑條件也不是很好。通過(guò)對(duì)模具表面狀態(tài)檢查發(fā)現(xiàn)，由于模具老化，倒角發(fā)生變形，從而導(dǎo)致摩擦條件改變，導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)減慢沖壓速度，以及添加潤(rùn)滑油改變表面摩擦狀態(tài)，問(wèn)題得到解決。

材料性能

DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)材料的的性能如表1。材料的力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并無(wú)異常情況。

表1 DP鋼沖壓結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能

組織分析

取5個(gè)DP鋼沖壓件沖裂金相試樣進(jìn)行組織分析，典型金相組織如圖5。5個(gè)試樣的金相組織均為鐵素體(F)+馬氏體(M)+少量貝氏體(B)，其中馬氏體(M)所占體積分?jǐn)?shù)約為24%，鐵素體所占體積分?jǐn)?shù)為69%，晶粒度為11.4級(jí)，組織控制正常，全部滿足組織要求，夾雜物評(píng)級(jí)正常(表2)。

圖5 沖壓件典型金相組織

選擇沖壓開(kāi)裂側(cè)變形較大部位(實(shí)際為裂紋擴(kuò)展處)進(jìn)行SEM分析。掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯夯野咨蛊馂轳R氏體，而灰色凹區(qū)為鐵素體。鐵素體包圍馬氏體島，或馬氏體間隔分布，雙相鋼破壞機(jī)理起源于馬氏體的斷裂和馬氏體/鐵素體截面的斷裂，以及馬氏體附近鐵素體的斷裂，從而形成空洞成為裂紋的起源。在低馬氏體體積分?jǐn)?shù)下，空洞是由于馬氏體和鐵素體界面發(fā)生分裂導(dǎo)致，理裂紋兩個(gè)輪廓是可以重合的。圖中箭頭處所示，正是處于馬氏體和鐵素相界面之間，并且在裂紋停止處也出現(xiàn)了原型的微孔，完全符合上述情況。因此，裂紋萌生于由應(yīng)力產(chǎn)生的馬氏體和鐵素體界面形成的微孔，并擴(kuò)展裂紋至馬氏體鐵素體交界的整個(gè)界面，最終導(dǎo)致整個(gè)基體發(fā)生斷裂，使零件失效。究其原因：馬氏體與鐵素體兩相塑性應(yīng)變不相容，導(dǎo)致了馬氏體與鐵素體交界面上產(chǎn)生了裂紋核，并以解理方式向鐵素體擴(kuò)展，這完全符合雙相鋼的斷裂機(jī)理[5]。

表2 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

裂紋萌生于鐵素體和馬氏體，擴(kuò)展至內(nèi)部，直至斷裂。在沒(méi)有夾雜物的情況下，裂紋在馬氏體和鐵素體界面擴(kuò)展。有夾雜物的情況下，裂紋并沒(méi)有向夾雜處擴(kuò)展，而是優(yōu)先在馬氏體和鐵素體界面發(fā)生開(kāi)裂。因此，DP鋼沖壓件沖裂屬于正常斷裂，夾雜物不是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的直接原因。

結(jié)束語(yǔ)

1) 通過(guò)DP鋼沖壓開(kāi)裂的網(wǎng)格分析，用改變模具狀態(tài)和沖壓條件的方式解決了開(kāi)裂問(wèn)題。

2) 材料性能分析表明DP鋼沖壓開(kāi)裂并不完全是由于沖壓鋼種自身性能不合格導(dǎo)致的。

3) 800 MPa級(jí)別DP鋼沖裂機(jī)理是：裂紋萌生于由應(yīng)力產(chǎn)生的馬氏體和鐵素體界面形成的微孔，并擴(kuò)展裂紋至馬氏體鐵素體交界的整個(gè)界面，最終導(dǎo)致整個(gè)基體發(fā)生斷裂，使零件失效。

4) DP鋼存在正常級(jí)別的非金屬夾雜物并不會(huì)導(dǎo)致裂紋的萌生，夾雜物也不是引起DP鋼斷裂的主要原因。

圖6 沖壓開(kāi)裂側(cè)變形較大部位裂紋SEM圖像

[1] 蔣浩民，陳新平，石磊，等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓成形特性及其應(yīng)用.塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(4)：183

[2] 馬鳴圖，Shi M F.先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用.鋼鐵，2004，39(7)：68

[3] Mori K，Akita K ，Abe Y. Springback behavior in bending of ultrahigh-strength steel sheets using CNC servo press. Int J Mach Tools Manufact，2007(47)：321

[4] 陳新平，蔣浩民.汽車鋼板脹形區(qū)成形極限圖的預(yù)測(cè)與驗(yàn)證.金屬成形工藝，2003，21(6)：86

[5] 馬鳴圖，汪德根，吳寶榕.雙相鋼變形與斷裂特性的研究.鋼鐵，1983，3(3)：437