惠亞軍，寧林新，潘 輝，劉 錕，李文遠(yuǎn)，王智權(quán)

(1.首鋼技術(shù)研究院 薄板研究所，北京 100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室(首鋼技術(shù)研究院)，北京 100043)

采用高強(qiáng)度汽車大梁可以在不增加汽車自重的前提下增加汽車有效載荷，而且有利于節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境[1-2].元寶梁作為車架的重要組成部分，其強(qiáng)度也影響著車架的整體強(qiáng)度，進(jìn)而影響車輛的安全性能[3-4].目前，我國中、重型汽車的元寶梁用鋼以Q235B、Q345C等鋼板為主，厚度規(guī)格一般為8.0～12.0 mm，但在行駛1萬公里左右約3%的元寶梁出現(xiàn)沿孔開裂甚至端部斷裂，除超載、路況差、個別材質(zhì)問題等原因外，可通過增加元寶梁板材厚度加以解決，但增加板材厚度，除材料成本上升外，更換成套沖模及沖壓設(shè)備的投資太大[3,5-9].通過提高材質(zhì)強(qiáng)度是一個比較理想的選擇，由于元寶梁形狀較復(fù)雜，對成形性要求極高，在成形過程中易出現(xiàn)沖壓開裂問題.

對于沖壓開裂原因的分析，國內(nèi)學(xué)者多數(shù)從材料自身角度找尋開裂原因[10-13].然而，板料沖壓成形過程中包含大位移、大變形等復(fù)雜物理現(xiàn)象，以前都是通過反復(fù)試驗的方法制造出符合要求的產(chǎn)品，花費(fèi)大量時間和經(jīng)費(fèi)[14].隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將工藝制作和效能模擬與計算機(jī)軟件結(jié)合起來，能達(dá)到快速高效的目的[15].

國內(nèi)某汽車廠在生產(chǎn)大型載重汽車元寶梁的生產(chǎn)工序流程為：剪切下料→定尺→沖孔→一次沖壓成形→二次沖壓成形→檢驗→入庫等.該廠在使用7.9 mm厚元寶梁用熱軋鋼板生產(chǎn)載重汽車元寶梁時，在一次沖壓成形工序中出現(xiàn)批量開裂問題，開裂比例高達(dá)50%，遠(yuǎn)大于沖壓成形開裂率小于5‰的企業(yè)內(nèi)控指標(biāo).針對此情況，本文采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等檢驗設(shè)備，對600 MPa級元寶梁用鋼的開裂原因進(jìn)行分析，并通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)建立仿真模型，探究了模具成形工藝對材料變形的影響規(guī)律，查明元寶梁開裂原因，并提出根本的解決辦法.

1 理化檢驗結(jié)果

1.1 化學(xué)成分檢驗

按照《GB/T 4336碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》,從600 MPa級元寶梁開裂件母材上切取試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗，結(jié)果見表1.由表1可見，開裂件母材化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 600 MPa級元寶梁開裂件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 力學(xué)性能檢驗

根據(jù)《GB/T 228—2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法》,在600 MPa級元寶梁原板材與開裂件上分別切取比例標(biāo)距的拉伸試樣，用MTS810型萬能拉伸實驗機(jī)以2 mm/min的速度在室溫下進(jìn)行拉伸實驗；按照《GB/T 232—2010 金屬材料 彎曲試驗方法》,在600 MPa級元寶梁原板材與開裂件上分別切取冷彎試樣，在吉林金力試驗機(jī)廠生產(chǎn)的200噸彎曲試驗機(jī)上進(jìn)行冷彎實驗，力學(xué)性能檢驗與冷彎性能檢驗結(jié)果見表2.

表2600MPa級元寶梁開裂件力學(xué)性能與冷彎性能

Table 2 Mechanical properties and cold bending performance of 600 MPa grade crossbeam crack sample

項目σs/MPaσb/MPaδ/%180°d=a冷彎標(biāo)準(zhǔn)要求≥500600～700≥24合格原板材58565728．0合格開裂件59766427．5合格

由表2可見，元寶梁原板材實際屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為585與657 MPa，延伸率為28.0%，180°d=a冷彎合格，開裂件力學(xué)性能與原板材相似，實際屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為597與664 MPa，延伸率達(dá)到27.5%，180°d=a冷彎性能合格，無論是原板材還是開裂件檢測值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

1.3 顯微組織觀察

從600 MPa級元寶梁開裂件附近切取金相試樣，沿著軋向研磨和拋光后，用電解拋光去除表面氧化物，再用4%(體積分?jǐn)?shù))HNO3+96%(體積分?jǐn)?shù))C2H5OH溶液侵蝕15 s，然后利用德國徠卡公司MEF4A型金相顯微鏡(OM)和日本日立公司S3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織，結(jié)果見圖1.

由圖1可見：600 MPa級元寶梁用鋼的組織為鐵素體+珠光體的混合組織，在OM像下，亮白色相為鐵素體，分布在鐵素體晶界處的黑灰色相為珠光體，而在SEM照片中，黑暗灰色相為鐵素體，亮白色相為珠光體；鐵素體為準(zhǔn)多邊形鐵素體，鐵素體晶粒平均尺寸約6 μm，鐵素體晶粒度級別為12.0級，珠光體的量較少，分布在鐵素體晶界處，鐵素體與珠光體的比例分別為96.2%與3.8%.由組織檢驗結(jié)果可見，開裂件組織屬于常規(guī)的鐵素體+珠光體組織，不存在中心帶狀組織.

圖1 600 MPa級元寶梁用鋼的OM(a)與SEM照片(b)

Fig.1 OM(a) and SEM(b) images of 600 MPa grade crossbeam crack sample

1.4 斷口形貌觀察

使用7.9 mm厚600 MPa級元寶梁用鋼生產(chǎn)載重汽車元寶梁時，在一次沖壓成形工序中出現(xiàn)批量開裂問題的零部件宏觀形貌如圖2所示.由圖2可見，元寶梁的開裂位置均在圓弧過渡區(qū)的邊部，規(guī)律較明顯.

從開裂位置切取試樣，在SEM下對斷口進(jìn)行觀察，斷口的微觀形貌見圖3.

圖2600MPa級元寶梁開裂件(a)及開裂位置(b)宏觀形貌

Fig.2 Macroscopic morphology(a) and fracture site(b) of 600 MPa grade crossbeam crack sample

圖3 600 MPa級元寶梁開裂件微觀形貌

Fig.3 Microscopic morphology of 600 MPa grade crossbeam crack sample:(a) fracture center layer; (b) morphology of fracture; (c) (d) microscopic morphology at location 1; (e) (f) microscopic morphology at location 2

由圖3(a)和(b)可見，斷面沿著中心線呈現(xiàn)出明顯規(guī)律，鋼板厚度中心位置存在較多分層形貌，該形貌與高強(qiáng)鋼常見的拉伸斷口分層形貌一樣.以往研究表明[16-20]：斷口分層主要原因為鋼中存在沿軋向分布的中心偏析、帶狀組織有關(guān)，其破壞了基體的連續(xù)性；在中心分層兩側(cè)，存在沿同一方向分布的、三角形狀的臺階狀斷層形貌，三角形斷層的尺寸大小不一，斷層三角形的一邊一般均起源于中心分層處.另外，由斷口的整體形貌可知，材料在斷裂前沒有發(fā)生縮頸過程.對斷面上不同形貌的2個位置(位置1與2)進(jìn)一步觀察，位置1位于臺階狀斷層處，其斷口微觀形貌可見韌窩存在，韌窩較淺，發(fā)展不充分，如圖3(c)和(d)所示；位置2分布在三角形臺階狀斷層之間，其斷口微觀形貌與三角形臺階狀斷層處形貌相似，存在明顯的韌窩，韌窩深度明顯高于位置1處.由斷口形貌觀察可知，元寶梁在一次沖壓過程中發(fā)生的斷裂屬于韌性斷裂，因此有必要對沖壓模具與材料的變形行為進(jìn)一步分析.

2 沖壓過程有限元分析

2.1 幾何模型

元寶梁沖壓過程有限元模擬使用ABAQUS軟件.具體的模具尺寸根據(jù)用戶提供的圖紙進(jìn)行幾何參數(shù)抽取得到，與實際一樣，而鋼板厚度為7.9 mm.由于模型的對稱性，取其1/4進(jìn)行建模，模具的幾何圖形以及整個模擬的幾何模型如圖4所示.

圖4 模具幾何模型(a)與1/4模型(b)

材料力學(xué)性能如表2所示，彈性模量200 GPa，泊松比為0.3.本次模擬過程中鋼板是規(guī)則的幾何體，所以網(wǎng)格劃分采用規(guī)則的六面體單元，共劃分8 400個單元，在計算中模具作為剛體進(jìn)行設(shè)置，不需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

由于該汽車廠模具在沖壓過程中是先沖壓再壓邊，而一般的沖壓過程是先壓邊再沖壓的過程，故計算了2種工況，對沖壓過程中的2種不同工況進(jìn)行分析，設(shè)定如下：工況1為鋼板先沖壓后壓邊，工況2為鋼板先壓邊后沖壓.模擬共計算了2個工況，所以邊界條件中除了對稱面的邊界以及模具的向下運(yùn)動邊界外，不同的工況中對鋼板兩邊的邊界條件處理不一樣.對于工況2先壓邊后沖壓的工藝來說，在鋼板的右側(cè)會有一個固支邊界.

2.2 有限元分析結(jié)果

從圖2可以看出，元寶梁成形后，其開裂位置基本上集中在元寶梁弧形下端邊緣的位置，因此為了更直觀地對比2種工藝下開裂部位的應(yīng)力，在元寶梁弧形下端容易開裂的位置設(shè)置了節(jié)點路徑，通過比較該路徑上的節(jié)點的應(yīng)力大小來進(jìn)行對比分析，如圖5所示.

圖5 開裂位置的節(jié)點路徑示意圖

根據(jù)圖2中的開裂形貌，其裂縫是沿著Y方向開裂的，所以取其X方向上的應(yīng)力進(jìn)行分析.圖6給出了2種不同沖壓工藝下鋼板成形后的Mise等效應(yīng)力以及X方向上的S11應(yīng)力分布云圖.由圖6可見：在工況1的沖壓工藝下，鋼板的邊部在裂紋出現(xiàn)的地方有應(yīng)力集中區(qū)域;對比圖6(c)和(d)可知，工藝1與工藝2的應(yīng)力集中方式明顯不同，工藝1的應(yīng)力集中沿著元寶梁寬度方向朝邊部擴(kuò)展,而工藝2下的應(yīng)力集中沿著元寶梁長度方向擴(kuò)展，同時工藝1的應(yīng)力集中更明顯.

2種工況下開裂位置分析路徑上的節(jié)點應(yīng)力分布曲線如圖7所示，其中節(jié)點8為靠近鋼板邊部的節(jié)點.由圖7可見:工況1在沖壓過程中，其邊部的節(jié)點應(yīng)力隨著向鋼板邊部擴(kuò)展，節(jié)點應(yīng)力持續(xù)增加，起先工況1的節(jié)點應(yīng)力低于工況2的節(jié)點應(yīng)力;但在某一位置工況1的節(jié)點應(yīng)力超過工況2的節(jié)點應(yīng)力，工況1 的節(jié)點應(yīng)力最高達(dá)704 MPa，在邊部位置明顯高于鋼板的抗拉強(qiáng)度，所以鋼板會在邊部產(chǎn)生裂紋，裂紋將沿著Y方向向內(nèi)部擴(kuò)散，從而產(chǎn)生撕裂裂紋.對于工況2的沖壓工藝，從鋼板內(nèi)部向邊部節(jié)點路徑上，其節(jié)點應(yīng)力先增加后下降，節(jié)點應(yīng)力的最高值距離邊部有2～3 cm，邊部的節(jié)點應(yīng)力明顯小于600 MPa級元寶梁用鋼的抗拉強(qiáng)度，故在邊部不會產(chǎn)生裂紋源；雖然在距離邊緣2～3 cm處的節(jié)點5處應(yīng)力值略高于抗拉強(qiáng)度，但是由于處于鋼板中間部位，不易使鋼板開裂.由此可知，鋼板在沖壓過程中工況1時的要比工況2時容易發(fā)生開裂行為.

圖6 2種沖壓工藝下鋼板等效應(yīng)力與X方向的S11應(yīng)力分布云圖

Fig.6 Equivalent stress andS11stress distribution inXdirection under two stamping processes: (a)(c):working condition 1；(b)(d): working condition 2

圖7 2種工況下開裂分析路徑上的節(jié)點應(yīng)力分布曲線

Fig.7 Stress distribution curve of the crack analysis path under two working conditions

根據(jù)有限元分析結(jié)果，給客戶提出了修改模具沖壓工藝的建議，即由現(xiàn)在的“先沖壓再壓邊工藝”修改為“先壓邊后沖壓工藝”，沖壓工藝優(yōu)化后元寶梁的開裂率由原來的50%降至0，累計供貨3 000噸未見開裂問題.

沖壓工藝優(yōu)化后元寶梁與原開裂位置的形貌如圖8所示，邊部質(zhì)量較好，未見開裂與縮頸現(xiàn)象.

圖8 優(yōu)化沖壓工藝后的元寶梁(a)及原開裂位置(b)形貌

Fig.8 Morphology(a) and original fracture site of crossbeam (b) after optimizing stamping process

3 結(jié) 論

1)600 MPa級元寶梁用鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能與冷彎性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體與少量珠光體的混合組織，不存在帶狀組織.

2)600 MPa級元寶梁開裂件的斷口形貌呈現(xiàn)出明顯魚骨狀形貌，鋼板中心分層，兩側(cè)分布沿起源于中心分層并沿同一方向擴(kuò)展、三角形狀的臺階狀斷口，不同形貌斷口均屬于韌性斷裂，材料在斷裂前沒有發(fā)生縮頸過程，沖壓開裂為沖壓工藝不當(dāng)導(dǎo)致.

3)利用ABAQUS軟件對2種工況的沖壓工藝進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示先沖壓再壓邊工藝與先壓邊再沖壓工藝相比，邊部應(yīng)力集中更嚴(yán)重，邊部節(jié)點應(yīng)力超過了材料抗拉強(qiáng)度從而導(dǎo)致撕裂現(xiàn)象的發(fā)生.

4)模具優(yōu)化后，元寶梁沖壓開裂率由原來的50%降至0，邊部材料變形均勻，未見縮頸與開裂問題.

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