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        熱軋酸洗板SAPH440翻邊開裂性能分析

        2021-12-26 06:08:28劉淑影王秋雨
        中國金屬通報 2021年16期
        關(guān)鍵詞:落料偏析酸洗

        劉淑影,王秋雨

        (河鋼股份有限公司唐山分公司,河北 唐山 063000)

        SAPH440是一種Si、Mn復(fù)合強化的熱軋酸洗板,其抗拉強度在440 MPa以上[1]。由于熱軋酸洗板SAPH440具有良好的冷成形性能、焊接性能、擴孔翻邊性能和較高的耐疲勞性能等[2],因此廣泛應(yīng)用于車輪底盤、離合器等高強度部件[3]。

        1 翻邊開裂問題描述

        某汽車零件采用材質(zhì)為熱軋酸洗板SAPH440,其厚度為2.0 mm時出現(xiàn)翻邊開裂現(xiàn)象,如圖1所示,對翻邊開裂的零件進行成分分析,如表1所示。該零件的成形工藝為落料—翻邊兩個工序。因此落料后零件的邊緣質(zhì)量和材料的翻邊擴孔性能對零件成形起著決定性的作用[4]。

        圖1 零件翻邊開裂

        表1 翻邊開裂零件的化學(xué)成分

        2 翻邊開裂性能改善

        對翻邊開裂零件進行組織分析,如圖2所示,從組織照片可以看出,材料偏析非常嚴(yán)重,導(dǎo)致帶狀組織極其明顯。帶狀組織的存在使材料的成分不均勻,導(dǎo)致材料的各向異性的形成,且沿帶狀組織方向,材料的塑性、韌性和斷面收縮性均會降低[5]。落料后一旦在剪切邊緣在帶狀組織附近,剪切邊緣的微裂紋即沿著帶狀組織擴展開來,從而造成材料的翻邊開裂性能降低,成形時出現(xiàn)翻邊開裂的現(xiàn)象。

        圖2 翻邊開裂零件的組織

        為改善材料的帶狀組織,對材料成分進行了一定的優(yōu)化,優(yōu)化方案如表2所示。優(yōu)化后的成分中適當(dāng)降低了Si的含量、增加了Mn的含量,原因為:Si能夠溶解于鐵素體和奧氏體中,提高材料的強度和硬度,但是Si容易造成偏析,從而形成帶狀組織,使得橫向性能低于縱向性能[6];而Mn和Fe形成固溶體,提高材料中鐵素體的硬度和強度,同時又是碳化物的形成元素,進去滲碳體中取代一部分Fe原子[7],同時Mn在材料中降低臨界轉(zhuǎn)變溫度,起到細(xì)化珠光體的作用。

        表2 優(yōu)化后的材料的化學(xué)成分

        優(yōu)化后的材料組織如圖3所示,從圖3可以看出,優(yōu)化后材料的帶狀組織明顯改善,已經(jīng)不存在明顯的帶狀和偏析的情況,且晶粒比原始晶粒細(xì)小。優(yōu)化前、后的材料性能參數(shù)如表3所示,優(yōu)化后的材料的屈服強度由336 MPa提高到362 MPa,抗拉強度由444 MPa提高到476 MPa,伸長率略有降低,但擴孔性能由70.3%提高到110.5%,提高了57.1%。由此可見,優(yōu)化后的材料性能有了明顯的提升。

        圖3 優(yōu)化后的組織

        表3 優(yōu)化前、后的材料性能對比

        優(yōu)化前、后的材料的剪切邊緣如圖4和圖5所示,從材料沖裁后邊部的斷面形貌來看,熱軋酸洗板SAPH440的沖裁面分別塌角帶、斷裂帶和光亮帶3個部分[8],對于熱軋酸洗板SAPH440,其材料的斷裂帶很長,光亮帶非常窄,2.9 mm厚的原板,優(yōu)化前的光亮帶寬度為0.54 mm,占總厚度的18.6%,優(yōu)化后光亮帶的寬度為0.84 mm,占總厚度的29%。由此可見,優(yōu)化后的材料光亮帶明顯增加,材料的擴孔翻邊性能均有明顯增大。

        圖4 優(yōu)化前的剪切邊緣質(zhì)量

        圖5 優(yōu)化后的剪切邊緣質(zhì)量

        3 仿真驗證

        為了提前預(yù)測優(yōu)化后的材料是否滿足該零件的成形性能要求,現(xiàn)用3D激光掃描儀對成形后的零件進行掃描,然后利用Catia建模軟件逆向得到零件的數(shù)學(xué)模型。

        將上述零件數(shù)模導(dǎo)入仿真軟件,仿真時采用隨動硬化Ludwick模型,屈服模型采用Hill模型[9],材料的屈服強度、抗拉強度等參數(shù)設(shè)置參照表3,材料厚度為2.9 mm,設(shè)置單元類型為殼單元,厚向積分點為5個[10],摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15,網(wǎng)格采用自適應(yīng)方法進行求解。在材料模型中引入了材料翻邊擴孔安全性的判定準(zhǔn)則,Edge Crack值大于1,表示邊緣開裂;Edge Crack值小于1,表示邊緣未出現(xiàn)開裂;越接近于1,表示邊緣開裂風(fēng)險越大[11,12]。優(yōu)化前材料的計算結(jié)果如圖6所示,材料的Edge Crack值為1.146,大于1,因此成形時出現(xiàn)翻邊開裂的情況,這與實際情況相符。采用優(yōu)化后的材料性能進行成形計算時,計算結(jié)果如圖7所示,翻邊開裂的Edge Crack值降低到0.781,完全滿足零件的成形性要求,且安全系數(shù)很大,因此可以用優(yōu)化后的材料進行試制。

        圖6 優(yōu)化前材料的仿真結(jié)果

        圖7 優(yōu)化后材料的仿真結(jié)果

        4 零件試制

        利用優(yōu)化后的材料進行第2次試制時,翻邊成形位置處沒有出現(xiàn)開裂的情況,如圖8所示,零件符合產(chǎn)品的要求。

        圖8 試制后的零件

        5 結(jié)論

        (1)通過仿真和實際驗證,適當(dāng)提高Mn含量、降低Si含量,可以有效地消除帶狀組織分布,同時提高了材料的擴孔率。

        (2)優(yōu)化后的材料的剪切邊緣質(zhì)量有所改善,光亮帶的寬度由0.54 mm增加到0.84 mm,進行2次試模時,材料能夠滿足零件成形方面的要求。

        (3)具有落料—翻邊成形的工藝,要注意板料正反面的放置位置,剪切邊緣的光亮帶要放置在零件圓角的外弧側(cè)。

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