周建川，李紅俊，張繼永，孫 毅，李 靜

(河鋼邯鋼技術(shù)中心，河北 邯鄲 056003)

隨著汽車(chē)輕量化發(fā)展，高強(qiáng)鋼以其強(qiáng)度高、輕量化等優(yōu)勢(shì)極大地滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求。由于高強(qiáng)鋼材料的強(qiáng)度較高，用戶(hù)使用時(shí)加工工藝不當(dāng)或材料自身存在問(wèn)題就極易出現(xiàn)開(kāi)裂情況，因此高強(qiáng)鋼加工開(kāi)裂問(wèn)題是鋼鐵生產(chǎn)及終端制造企業(yè)研究的重點(diǎn)方向之一[1-4]。相關(guān)人員對(duì)此也進(jìn)行了大量的研究，于洋等認(rèn)為材料晶粒粗大、混晶使得加工過(guò)程中組織變形不均勻，以及碳化物粒子析出在變形過(guò)程中形成裂紋源，從而導(dǎo)致大梁鋼的沖壓開(kāi)裂[5]。陳尹澤等認(rèn)為鋼種MnS夾雜及帶狀組織是導(dǎo)致折彎加工過(guò)程中鋼板開(kāi)裂的直接原因[6]。陸鳳慧等發(fā)現(xiàn)卷板局部卷曲溫度超標(biāo)時(shí)，會(huì)使得材料低溫沖擊韌性惡化，是造成卷板頭部剪切時(shí)出現(xiàn)橫裂的根本原因[7]。張正群等通過(guò)折彎開(kāi)裂位置與正常位置取樣對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂位置存在沖孔及孔內(nèi)微裂紋是導(dǎo)致折彎開(kāi)裂的主要原因[8]。李濤等利用單拉試樣的膨脹試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)邊部開(kāi)裂加工狀態(tài)較為敏感鋼種，沖裁加工產(chǎn)生的毛刺極易產(chǎn)生開(kāi)裂，且不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼對(duì)應(yīng)沖裁剪的合理間隙是不同的[9]。孟憲堂等認(rèn)為鋼板表面氧化鐵皮的壓入及碳化物在晶界上的析出會(huì)直接影響大梁鋼成型性能，導(dǎo)致材料加工過(guò)程中開(kāi)裂[10]。相關(guān)研究表明高強(qiáng)鋼加工過(guò)程開(kāi)裂原因具有復(fù)雜性和多樣性，因此為分析開(kāi)裂原因，需根據(jù)開(kāi)裂試樣的生產(chǎn)及加工過(guò)程進(jìn)行全面分析。

本企業(yè)生產(chǎn)的700L鋼在用戶(hù)折彎加工過(guò)程出現(xiàn)開(kāi)裂，本文通過(guò)對(duì)高強(qiáng)大梁鋼生產(chǎn)及加工工藝分析，以期找出開(kāi)裂原因，并結(jié)合實(shí)際工藝提出改進(jìn)措施，避免高強(qiáng)大梁鋼的折彎開(kāi)裂，減少企業(yè)及用戶(hù)損失。

1 試樣折彎開(kāi)裂情況

1.1 試樣開(kāi)裂形貌

本次折彎開(kāi)裂700L規(guī)格為4 mm×1500 mm，用戶(hù)加工工藝為：剪切下料、沖孔及折彎，試樣在折彎加工時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。開(kāi)裂宏觀(guān)形貌如圖1(a)所示，高強(qiáng)大梁鋼在折彎90°位置出現(xiàn)開(kāi)裂，裂紋呈撕裂狀從邊部向內(nèi)延伸，長(zhǎng)度約為2.5 cm。如圖1(b)所示，取樣樣板為折彎開(kāi)裂零件，取成分、金相、彎曲及拉伸試樣，對(duì)其成分、組織及力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，分析其對(duì)高強(qiáng)大梁鋼折彎開(kāi)裂的影響。

(a)折彎開(kāi)裂形貌

(b) 取樣位置 圖1 試樣開(kāi)裂形貌及取樣位置

2 試樣檢測(cè)分析

2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)開(kāi)裂試樣做光譜化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/HG 048-2018)要求，如表1所示。

表1 開(kāi)裂樣化學(xué)成分(wt%)

2.2 金相檢驗(yàn)

相關(guān)的研究表明，如果材料內(nèi)部存在較大的夾雜物，當(dāng)進(jìn)行折彎加工時(shí)夾雜物附近可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而造成開(kāi)裂[6]。而對(duì)開(kāi)裂試樣觀(guān)察如圖2所示，開(kāi)裂及未開(kāi)裂位置均未發(fā)現(xiàn)較大的夾雜物，因此排除夾雜物的存在而導(dǎo)致試樣開(kāi)裂。

(a)開(kāi)裂處

(b)未開(kāi)裂處

2.3 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)開(kāi)裂試樣進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度富余量適中，180°彎曲后試樣表面無(wú)裂紋，力學(xué)性能均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/HG 048-2018)要求，見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)裂試樣力學(xué)性能檢驗(yàn)

如圖4為彎曲試樣形貌，彎曲試樣一側(cè)邊為用戶(hù)剪切邊，另一側(cè)邊為廠(chǎng)內(nèi)鋸床加工的鋸斷邊，通過(guò)彎曲試驗(yàn)，當(dāng)試樣彎曲至120°時(shí)，對(duì)比兩側(cè)邊發(fā)現(xiàn)，剪切側(cè)邊出現(xiàn)開(kāi)裂，而鋸斷側(cè)邊未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，將試樣繼續(xù)彎曲至180°時(shí)，鋸斷側(cè)仍未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象?？梢?jiàn)試樣的開(kāi)裂與側(cè)邊光潔度有較大關(guān)系，通過(guò)觀(guān)察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，剪切側(cè)邊存在毛刺，而鋸斷側(cè)邊則為光滑斷面。由此可知，大梁鋼的折彎開(kāi)裂與用戶(hù)剪切側(cè)邊存在毛刺有較大關(guān)系。

(a)開(kāi)裂處

(b)未開(kāi)裂處

(a)剪切側(cè)邊 (b) 鋸斷側(cè)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(dāng)圓盤(pán)剪軸向間隙過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剪切帶寬度增加、塌角變小，但斷面處會(huì)被擠壓出較大毛刺；當(dāng)軸向間隙過(guò)大時(shí)，剪切帶寬度減小，塌角增大，斷面處會(huì)出現(xiàn)拉出毛刺，斷面質(zhì)量較差[11]。只有當(dāng)軸向間隙合適時(shí)，上下刀口附近產(chǎn)生的裂紋在剪切過(guò)程中能合成一條線(xiàn)，斷面比較光滑，毛刺較小，此時(shí)的斷面質(zhì)量較好。對(duì)剪切邊形貌觀(guān)察發(fā)現(xiàn)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(guò)大導(dǎo)致的斷面特征比較吻合。

圖5 剪切邊形貌

3 開(kāi)裂機(jī)理及改進(jìn)措施

鋼板的剪切可分為三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段以及斷裂階段。圓盤(pán)剪開(kāi)始對(duì)鋼板進(jìn)行剪切時(shí)，鋼板受到的剪力逐漸增大，并達(dá)到彈性極限。當(dāng)達(dá)到鋼板的屈服點(diǎn)時(shí)，鋼板開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，之后鋼板開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋并隨之?dāng)嗔?，此時(shí)也就是斷裂面上的剪切帶進(jìn)入斷裂帶。在剪力的繼續(xù)作用下，微裂紋逐漸增大并最終導(dǎo)致鋼板徹底斷裂，在鋼板被剪斷分離末端，由于拉應(yīng)力的作用，使得部分材料拉伸后撕裂在邊部產(chǎn)生了毛刺。

導(dǎo)致鋼板發(fā)生折彎開(kāi)裂的裂紋源主要受材料組織和力學(xué)因素兩方面影響，經(jīng)上文分析材料的組織無(wú)異常，因而主要考慮力學(xué)因素對(duì)折彎開(kāi)裂的影響。在鋼板受力折彎過(guò)程中，由于毛刺端有微裂紋存在，成為折彎開(kāi)裂的裂紋源。鋼板在折彎時(shí)，如果毛刺端在外側(cè)，此時(shí)微裂紋在拉應(yīng)力作用下開(kāi)始增大，形成宏觀(guān)裂紋并向鋼板內(nèi)部延伸，最終形成開(kāi)裂，如圖6(a)所示；如果毛刺端在內(nèi)側(cè)，此時(shí)微裂紋受到壓應(yīng)力作用，毛刺被擠壓下去，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)裂紋，如圖6(b)所示。這也再次印證了此次折彎開(kāi)裂是由于毛刺存在所導(dǎo)致的。

(b)毛刺端在內(nèi)側(cè)未開(kāi)裂

為解決折彎開(kāi)裂這一問(wèn)題，建議用戶(hù)修磨邊部毛刺以去除微裂紋，或者調(diào)整圓盤(pán)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(cè)開(kāi)裂

4 結(jié)論

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

(2)通過(guò)對(duì)彎曲試驗(yàn)試樣的剪切側(cè)邊與鋸斷側(cè)邊對(duì)比發(fā)現(xiàn)剪切側(cè)邊存在毛刺，毛刺端的微裂紋是大梁鋼折彎開(kāi)裂的裂紋源，是引起此次折彎開(kāi)裂的主要原因。

(3)建議用戶(hù)修磨或者調(diào)整圓盤(pán)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(guò)程中開(kāi)裂問(wèn)題的出現(xiàn)。