陳曉靜，黑中壘，王 敏

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

1 引言

由于連接處交變載荷、過載等的作用，使得零件常會(huì)在邊部出現(xiàn)微小的裂紋作用，進(jìn)而演變?yōu)閿嗔咽В@對(duì)高速運(yùn)行的汽車來說，是極其危險(xiǎn)的。由于不同材料內(nèi)部微觀組織的差異，同時(shí)承載時(shí)的狀態(tài)、環(huán)境及溫度等都千差萬別［1］。對(duì)于汽車高強(qiáng)度鋼材料零件，邊部斷裂發(fā)生的概率最高，而邊部塑性斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)鋼零件的加工中，這將直接影響到零件的安全性，通過對(duì)斷口進(jìn)行分析，通過仿真模型，對(duì)加工過程中內(nèi)部組織變化進(jìn)行模擬，對(duì)尋找出預(yù)防斷裂的措施具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)［2］對(duì)某零件的邊部進(jìn)行探傷分析，獲取不同位置的宏觀毛刺與內(nèi)部裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系，以此獲取改進(jìn)措施；文獻(xiàn)［3］采用計(jì)算機(jī)有限元分析獲取某B柱零件的相變過程，以此比較系統(tǒng)的多尺度相變過程；文獻(xiàn)［4］基于有限元分析方法，對(duì)某零件的疲勞斷裂過程進(jìn)行模擬，獲取整個(gè)過程中的裂紋萌生和擴(kuò)展過程；文獻(xiàn)［5］基于SEM分析，獲取零件加工前后，邊部裂紋的變化分布情況，以模擬材料的加工過程組織變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究集中在疲勞斷裂、裂紋萌生擴(kuò)展等的研究，而對(duì)邊部裂紋的研究較少，而這是影響零件安全的重要類型之一。

針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件應(yīng)用較多的雙相鋼材料進(jìn)行分析，首先針對(duì)邊部裂紋的斷口特征進(jìn)行分析；對(duì)比不同材料邊部剪切間隙與形貌之間的關(guān)系；對(duì)邊部裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及形貌進(jìn)行分析；根據(jù)材料組織和形貌特性，采用有限元模擬軟件ABAQUS 建立雙相鋼的體積元分析模型（RVE模型），獲取單向拉伸工況下，不同變形過程中應(yīng)力、應(yīng)變分布及斷裂失效形式，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模擬分析的準(zhǔn)確性。

2 邊部塑性斷裂分析

2.1 斷口特征分析

如圖1所示，為高強(qiáng)鋼材料塑性斷裂的整個(gè)過程，根據(jù)圖中所示，結(jié)合多晶體金屬材料拉伸試驗(yàn)中塑性斷裂的三個(gè)階段。零件加工過程中，首先進(jìn)行的是板料剪切，刀口與壓料面之間存在一定的間隙，稱為剪切間隙，其與斷口的光亮帶具有一定的關(guān)系。選取相同厚度的340LA、DP780和TRIP690，進(jìn)行剪切加工，采用不同的剪切間隙，獲取斷口處的光亮帶尺寸。通過測試獲得不同材料的，剪切間隙與光亮帶尺寸之間關(guān)系的變化曲線，如圖2所示。

圖1 塑性斷口特征Fig.1 Characteristics of Plastic Fracture

圖2 不同鋼光亮面與剪切間隙關(guān)系曲線Fig.2 Relationship Curve Between Bright Surface and Shear Clearance of Different Steels

由圖可知，在相同剪切間隙下，340LA光亮面所占比率整體普遍高于DP780和TRIP690，這是由于340LA延展性較好，剪切時(shí)斷面隨模具變形較大，契合度較高，因此光亮面所占比率較大。同時(shí)隨著剪切間隙增大，340LA光亮面所占比率逐漸減小，DP780和TRIP690呈增大趨勢，分析可能是與不同材料塑性程度及不同剪切間隙下的變形機(jī)制有關(guān)。剪切面SEM照片，如圖3所示。

圖3 剪切面SEM分析Fig.3 SEM Analysis of Shear Plane

從圖3可知，高強(qiáng)鋼邊部存在剪切微裂紋，且在粗糙面居多，這些缺陷在后續(xù)成形時(shí)會(huì)加劇局部區(qū)域的應(yīng)力集中，從而造成開裂。在粗糙面可以看出明顯的材料孔洞缺陷，極有可能是脆性斷裂源［8-9］，在這后續(xù)的試驗(yàn)測試中也得到了驗(yàn)證。

2.2 邊裂形成原因分析

邊裂試樣及其裂紋尖端處金相照片，如圖4所示。

圖4 邊裂照片及裂紋尖端金相照片F(xiàn)ig.4 Photo of Edge Crack and Metallographic Photo of Crack Tip

從圖4（a）可以看到明顯的裂紋尖端塑性變形區(qū)，斷口表面略平齊，無階梯狀。圖4（b）中發(fā)現(xiàn)存在次生裂紋，呈現(xiàn)一定脆性。并且邊裂始終出現(xiàn)在剪切后粗糙面在上的一側(cè)，如圖5所示。主要是由于粗糙面孔洞及微裂紋缺陷較多，并且上表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在沖壓成形過程中優(yōu)先斷裂。裂紋附近掃描照片，如圖6所示。

圖5 斷裂試樣分析Fig.5 Fracture Sample Analysis

圖6 裂紋附近SEM分析Fig.6 SEM Analysis Near Crack

由圖可以發(fā)現(xiàn)裂紋呈階梯狀走向，并且主要沿鐵素體與第二項(xiàng)的交界處穿過，這是由于兩相強(qiáng)度的不同導(dǎo)致局部應(yīng)力集中所致，為微裂紋萌生和擴(kuò)展的典型區(qū)域，如圖中A箭頭所示。此外我們還發(fā)現(xiàn)裂紋也存在如圖中B箭頭所示的穿晶斷裂，即裂紋橫穿整個(gè)鐵素體晶粒產(chǎn)生開裂。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，我們對(duì)裂紋尖端前方區(qū)域進(jìn)行了分析，可以看到在第二相與鐵素體基體的界面處形成了多處微孔洞，如圖中C箭頭所示；同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在裂紋尖端與微孔洞中間區(qū)域的鐵素體中間由于應(yīng)力集中，也產(chǎn)生了開裂，如圖中D箭頭所示，可以推斷，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，D處孔洞將會(huì)連接裂紋尖端與C處微孔洞，從而導(dǎo)致裂紋橫穿鐵素體晶粒，即裂紋走向呈階梯狀原因。由此我們可以看出，若能夠通過工藝手段，使得微觀組織細(xì)化，可以有效的阻礙裂紋的形核與擴(kuò)展。

3 基于RVE拉伸斷裂模擬分析

3.1 RVE建模

選用的DP780冷軋鍍鋅板的掃描組織照片，如圖7（a）所示。DP780原始組織為馬氏體+鐵素體雙相組織，在電子顯微鏡下觀察時(shí)，DP鋼中馬氏體一般呈亮白色，并呈凸出狀周圍帶有白色亮邊圈。將DP780的SEM 照片進(jìn)行二值化圖像處理后，將二值化圖片導(dǎo)入到ABAQUS 草圖模塊，利用草圖模塊的樣條曲線對(duì)馬氏體組織以及鐵素體組織進(jìn)行分區(qū)描繪，在描繪過程中為了避免ABAQUS在計(jì)算過程中不收斂，忽略掉一些奇異細(xì)小的區(qū)域［10］，最后得到了數(shù)值化的代表性體積元（RVE）模型，如圖7（b）所示。其中，一種色部分代表馬氏體組織，另一種色部分代表鐵素體組織。需要注意的是，在該RVE模型中，假定所有的馬氏體和鐵素體的相界使完美結(jié)合的。根據(jù)軟件統(tǒng)計(jì)，圖片中的馬氏體相含量為20.5%，鐵素體的含量為79.5%。由于厚度尺寸很小，認(rèn)為薄板試樣處于平面應(yīng)力狀態(tài)，相應(yīng)的網(wǎng)格劃分采用CPS3（三節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力）單元，共有70654個(gè)單元。

圖7 RVE模型Fig.7 RVE Model

主要模擬材料在加工過程中的組織變化，這里采用單向拉伸狀態(tài)，拉伸的方向與材料的軋制方向保持一致，施加的拉伸速率為0.02m/min，如圖中所示，橫軸為固定向，縱軸可以自由拉伸壓縮；沿著y方向施加的應(yīng)變速率為6.667×10-4/s，可以自由移動(dòng)。與實(shí)際情況保持一致，施加其他約束。

3.2 分析結(jié)果

模擬單向拉伸過程，獲取整個(gè)過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線，與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果，如圖8所示。

圖8 模擬與拉伸試驗(yàn)對(duì)比Fig.8 Comparison Between Simulation and Tensile Test

比較兩條曲線，可以看出模擬采用的材料的本構(gòu)模型能較好的描述DP780材料的力學(xué)行為，兩者曲線吻合較好，由于模型沒有考慮材料頸縮的影響，在均勻延伸斷后，兩者產(chǎn)生較大差異。

RVE模型單軸拉伸在不同應(yīng)變量時(shí)的Mises應(yīng)力分布，由于每個(gè)圖片的應(yīng)力云圖采用的標(biāo)尺不一致，在不同圖中同種顏色區(qū)域代表不同的應(yīng)力值，如圖9所示。

圖9 不同應(yīng)變時(shí)的Mises分布Fig.9 Mises Distribution Under Different Strains

由圖可知，在拉伸開始階段，應(yīng)力集中首先在馬氏體相上產(chǎn)生，主要應(yīng)力集馬氏體組織上，在圖9（a）中一種色區(qū)域可以看出，并且晶粒尺寸越大的馬氏體，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，因?yàn)轳R氏體組織屬于硬相，在變形過程中承受了較多的應(yīng)力。而隨著鐵素體的指數(shù)加工硬化加強(qiáng)，而馬氏體呈現(xiàn)的是線性強(qiáng)化，兩相的強(qiáng)度差逐漸減弱，因此在繼續(xù)拉伸過程中，隨著應(yīng)力再分配，馬氏體的應(yīng)力集中也呈現(xiàn)逐漸減弱。RVE模型單軸拉伸在不同應(yīng)變量時(shí)的等效應(yīng)變，如圖10所示。

圖10 不同應(yīng)變時(shí)的等效塑性應(yīng)變Fig.10 Equivalent Plastic Strain at Different Strains

圖中所示可知，在變形過程中逐漸產(chǎn)生45°方向的應(yīng)變帶，并隨著應(yīng)變的增大而越發(fā)明顯。在個(gè)別馬氏體的尖角區(qū)域出現(xiàn)等效應(yīng)變過大，如圖10（f）中圓圈處所示，再繼續(xù)拉伸過程中該區(qū)域可能產(chǎn)生微型孔洞，導(dǎo)致裂紋萌生，最后導(dǎo)致材料失效。RVE模型單向拉伸的失效模式，如圖11所示。

圖11 單向拉伸RVE的失效形式Fig.11 Failure Mode of Unidirectional Tensile RVE

由圖可見，在該邊界條件和應(yīng)力狀態(tài)下材料的失效形式為剪切失效模式，主要失效位置如圖中箭頭處所示，這與圖6的分析結(jié)果是一致的。單軸拉伸下材料主要以馬氏體尖角處產(chǎn)生的微縮孔洞和剪切失效，而通過對(duì)應(yīng)力分布的分析可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程中，初始時(shí)刻的變形較小，此時(shí)的應(yīng)力集中在貝氏體相，隨著變形的繼續(xù)，材料內(nèi)部的其他軟組轉(zhuǎn)變?yōu)橛蚕?。整個(gè)過程中，鐵素體在開始階段的塑性應(yīng)變較大，并且隨著應(yīng)變的增加而增大，表明發(fā)生了明顯的加工硬化過程，其與硬相組織之間的強(qiáng)度差逐漸減小，整個(gè)過程中的應(yīng)力集中得到明顯減弱。

4 結(jié)論

（1）邊裂始終出現(xiàn)在粗糙面在上的一面，主要是由于粗糙面存在微裂紋并且上表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在沖壓成形過程中優(yōu)先斷裂；

（2）雙相鋼由于延展性較差，光亮面所占比率較低，相比于其他材料，沖壓成形性較差；裂紋走向呈階梯狀，發(fā)生了沿晶斷裂與穿晶斷裂，裂紋尖端存在微孔洞；

（3）有限元模擬可知，單軸拉伸下材料主要以馬氏體尖角處產(chǎn)生的微縮孔洞和剪切失效；在此狀態(tài)下，材料基體組織鐵素體的塑性應(yīng)變加大，并且隨著拉伸的進(jìn)行而增大，表現(xiàn)出明顯的加工硬化，與硬相組織間的硬度差縮小，材料的整體應(yīng)力集中呈現(xiàn)減弱；

（4）有限元模擬和試驗(yàn)測試結(jié)果的失效過程及最終形貌保持一致，表明有限元模型的準(zhǔn)確性，為此類研究提供參考。