梁 文 吳 潤 胡 俊 王立新 甄瑞斌 王 瀟

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武鋼研究院，湖北 武漢 430080；3.武鋼質(zhì)檢中心，湖北 武漢 430080)

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車的減重、安全、節(jié)能和環(huán)保等方面的要求也進一步提高，先進高強鋼(advanced high strength steel，AHSS)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用也越來越多。鐵素體- 貝氏體(F- B)雙相鋼是一種先進高強鋼，兼具高強度和良好的冷成形性(特別是延伸凸緣性能)、焊接和抗疲勞性能，是制作汽車底盤和車輪等部件的理想材料[1]。近十年來，F(xiàn)- B鋼的研制與應(yīng)用得到了很大發(fā)展，強度級別不斷提高，目前國內(nèi)汽車行業(yè)也已開始小批量試用780 MPa級的FB780鋼板。

影響鋼板延伸凸緣性能的因素主要有鋼質(zhì)純凈度、顯微組織和圓孔的加工方法[2- 9]。目前人們對組織與延伸凸緣性能之間的關(guān)系做了大量研究[10- 17]，但對圓孔加工方法與其延伸凸緣性能之間的關(guān)系研究卻較少[18- 19]。隨著強度級別的提高，反映FB鋼延伸凸緣性能的指標——擴孔率的要求卻逐步降低[20- 21]。高強度FB鋼的組織類型很少，因此研究加工方法對圓孔延伸凸緣性能的影響就顯得很有必要。本文采用沖制、高壓水射流(俗稱水刀)和激光切割3種方法在FB780鋼板試樣上加工圓孔，并進行了擴孔試驗，采用SEM和顯微硬度計研究了圓孔的加工方法對其延伸凸緣性的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為工業(yè)用3.5 mm厚FB780鋼板，其力學(xué)性能見表1。

將鋼板加工成90 mm×90 mm的擴孔用試樣，共21片，平均分成3組，分別采用沖制、水刀和激光切割3種方法在試樣中心加工φ10 mm的圓孔，并將加工圓孔時的上板面定義為“板面A”，見圖1(a)。按照GB/T 24524—2009要求，采用Zwick/roell BUP400板材成形機和頂角為60°的錐形沖頭進行擴孔試驗，沖頭運行速率為60 mm/min。當(dāng)圓孔邊緣出現(xiàn)貫穿裂紋時即停止擴孔，見圖1(b)。每組試樣進行6次擴孔，板面A朝上和朝下各3次。試驗內(nèi)容及數(shù)量如表2所示。

表1 FB780鋼板試樣的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the FB780 steel plate specimen

表2 FB780鋼板試樣擴孔試驗內(nèi)容及數(shù)量Table 2 Practice of hole- expanding test for the FB780 steel plate specimens

沿圓孔直徑切割擴孔后的試樣，檢測圓孔的截面和端面，示意圖見圖1(c)。將試片研磨拋光，用濃度4%硝酸酒精溶液侵蝕，制成金相試樣。采用KEYENCE VHX- 100K體視顯微鏡和FEI Quanta 400 SEM觀察擴孔前后試樣圓孔端面和截面的形貌，用Mituyoto AAV- 502全自動顯微硬度計測定圓孔截面的顯微硬度，研究圓孔的開裂機制。

圖1 (a)鋼板試樣、(b)擴孔試驗及(c)取樣示意圖Fig.1 Schematics of (a) round hole in the steel plate specimen, (b) the hole- expending test and (c) sampling

2 試驗結(jié)果

2.1 延伸凸緣性能

避開貫穿裂紋所在的部位，測量擴孔后試樣的圓孔直徑，測量3次，取平均值，并根據(jù)式(1)計算擴孔率λ，結(jié)果如圖2所示。

(1)

式中：D0為擴展前圓孔的直徑，mm；Dh為擴展至開裂時圓孔的平均直徑，mm。

圖2 用不同方法加工的圓孔擴孔率Fig.2 Hole expansion rates of the round holes fabricated by different methods

由圖2可知，用水刀加工的圓孔，其延伸凸緣性能最好，λ≥150%；其次為激光法加工的圓孔，λ約為120%；最差的是沖制圓孔，λ不到60%。水刀加工的圓孔的擴孔率是沖制圓孔的2.7～3.3倍大。板面A朝向不同時，擴孔率也略有差異，大致為板面A朝上時的擴孔率優(yōu)于板面A朝下時的擴孔率，而且沖制的圓孔差別最明顯。

2.2 顯微硬度

對不同方法加工的圓孔取樣，在距離試樣上下板面0.5 mm的部位測定顯微硬度，見圖3(a)。試驗力為0.49 N，測定點間距為0.05 mm，每個部位測20點。圓孔端面顯微硬度的變化如圖3(b)～3(d)所示。

圖3 (a)圓孔端面顯微硬度檢驗示意圖以及用(b)激光、(c)水刀和(d)沖制方法加工的圓孔截面的硬度分布Fig.3 (a) Schematic of measuring micro- hardness at end face and the micro- hardness distribution curves at cross- section for the round holes fabricated by (b) laser, (c) water- jet and (d) punching

由圖3可知，F(xiàn)B780鋼板試樣的硬度約為270～310 HV0.05，不同方法加工的圓孔截面的硬度分布也不相同。水刀加工法對孔截面的硬度分布影響最小，圓孔端面的硬度基本未發(fā)生變化，如圖3(c)所示。激光加工法的影響較小，在距離圓孔端面0.10 mm的范圍內(nèi)，硬度提高了約15%，達到了340 HV0.05，如圖3(b)所示。影響最大的是沖制加工法，不但影響范圍增大至0.20 mm，而且鋼板上下部位硬度差別很大，分別為390和350 HV0.05，見圖3(d)。圓孔端面硬度的變化與加工方法密切相關(guān)，水刀加工未對試樣產(chǎn)生任何機械變形，故硬度無變化；激光加工存在約80 μm深的熱影響區(qū)(見圖4)，組織為貝氏體加馬氏體，故其硬度略有提高；而沖制加工使圓孔端面附近的區(qū)域產(chǎn)生了嚴重的加工硬化，故硬度變化最大，且上、下板面的加工硬化程度不同，硬度也不同，即光亮層硬度高于撕裂層硬度。

圖4 激光加工的圓孔熱影響區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructure in heat affected zone of the round hole fabricated by laser

2.3 擴孔前的圓孔形貌

對用上述3種方法加工圓孔的試樣，分別在圓孔端面和截面取樣，采用SEM觀察，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，用激光和水刀加工的圓孔端面非常平整，而沖制的圓孔端面則很粗糙。圖5(a)、6(a)顯示，激光加工圓孔的上部分(臨近板面A的區(qū)域)雖然存在切割條紋，但其截面仍然非常整齊，加工端面上布滿了網(wǎng)狀熱致裂紋(圖5(d))，這與其加工方法有關(guān)。激光加工是激光器產(chǎn)生的高能量激光束，以連續(xù)重復(fù)的脈沖作業(yè)方式，將鋼板瞬間加熱熔融，并采用高壓氣流將切口處熔化的金屬吹除，從而完成對工件的切割分離[22]。脈沖作業(yè)方式會在圓孔端面留下切割條紋，而高壓氣流的急冷會使熔融的金屬表面產(chǎn)生熱致裂紋。

圖5 激光(a，d)、水刀(b，e)和沖制(c，f，g)加工的圓孔端面取樣示意圖及其形貌Fig.5 Schematics of sampling and micrographs of end face of the round hole fabricated by (a, d) laser, (b,e) water- jet, and (c, f, g) punching

圖6 激光(a, d)、水刀(b，e)和沖制(c，f，g)加工的圓孔截面取樣示意圖及其形貌Fig.6 Schematics of sampling and micrographs of cross- section of the round hole fabricated by (a, d) laser, (b, e) water- jet, and (c, f, g) punching

圖5(b)、5(e)表明，水刀加工的圓孔整個端面有磨料切割的痕跡，其深度約為10 μm(圖6(e))，表面粗糙度較激光加工的圓孔端面差。水刀加工是將水與微米級砂石、石榴石等磨料進行混合，加高壓并以高速沖擊鋼板，從而切割圓孔。

沖制加工的圓孔端面可分為光亮層和撕裂層(圖5(c))，截面照片中還可看出上下表面存在塌角和毛刺(圖6(c))。光亮層較平整(圖5(f))，但試樣表層發(fā)生了明顯流變(圖6(f))；撕裂層上有大量的層狀結(jié)構(gòu)(圖5(g))，每一層狀結(jié)構(gòu)下均有一條裂紋，特別是光亮層與撕裂層交界處的裂紋深達840 μm(圖6(g))。光亮層是沖制過程的塑性變形階段，部分材料被模具側(cè)面擠壓而成。而撕裂層是在沖制過程的斷裂階段，隨著凸模切入試樣，刃口處的裂紋向材料內(nèi)部擴展所致。

圓孔擴展前的形貌充分說明，不同加工方法對圓孔端面的表面粗糙度影響不同，其中沖制加工法對圓孔端面平整度的不良影響最大。

2.4 擴孔后圓孔形貌

將擴孔后試樣在酒精溶液中超聲清洗3 min，然后在體視顯微鏡(5倍)下觀察，并在圓孔凸緣處表面和截面取樣，在SEM下觀察，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 用(a)沖制和(b)水刀加工的圓孔擴展后的宏觀形貌Fig.7 Macrographs of the round holes fabricated by (a) punching and (b) water- jet after being expanded

圖7顯示，圓孔擴展后，均在軋制方向產(chǎn)生宏觀裂紋。其中沖制加工的圓孔擴展很小，圓孔邊緣出現(xiàn)了大量宏觀裂紋(圖7(a))。而水刀加工的圓孔形變很大，僅出現(xiàn)了一條宏觀裂紋(圖7(d))，在與軋制平行和垂直的方向上試樣減薄，說明發(fā)生了明顯的縮頸。而與軋制方向呈45°方向上試樣較厚，說明該方向上變形較小，這與材料的各向異性有關(guān)。

圖8、圖9顯示，用激光和水刀加工的圓孔，擴展后孔的端面仍然較整齊，其中激光加工的圓孔端面上出現(xiàn)了大量的菱形裂紋(圖8(e))，這是網(wǎng)狀熱致裂紋在擴展時形變而形成的。水刀加工的圓孔，擴展后磨料沖擊痕跡發(fā)生了較大流變(圖8(f))，最大深度增加到30 μm(圖9(f))。而圖9(e)、9(f)顯示，激光加工的圓孔端面約20 μm范圍內(nèi)有大量孔隙，而水刀加工的圓孔，孔隙分布范圍則達到了150 μm。這些孔隙大小相等，直徑約1 μm，它們的存在為孔的擴展提供了空間并吸收擴展過程中的能量[3]，從而提高了擴孔率。

圖9 用(a，e)激光、(b，f)水刀和(c～d, g～h)沖制加工的圓孔擴展后的截面取樣示意圖及其形貌Fig.9 Schematics of sampling and micrographs at cross- section of the round holes fabricated by (a,e) laser, (b，f) water- jet, and (c to d, g to h) punching after being expanded

而沖制加工的圓孔，其表面出現(xiàn)了大量肉眼可見的裂紋，且不論板面A的朝向，裂紋由撕裂層向光亮層擴展(圖8(c)、8(d))，且裂紋擴展方向與上下板面呈45°。其截面照片顯示，板面A朝下，裂紋沿撕裂層上原有裂紋的方向擴展(圖9(g))；而板面A朝上時，裂紋擴展方向發(fā)生了較大的改變，與原裂紋方向的夾角達到了62°(圖9(g))。裂紋擴展方向的大角度改變，增加了擴展時試樣抵抗開裂的能力，從而提高了試樣的擴孔率。

測定了圖9中圓孔端面的厚度。擴展后，水刀加工的圓孔端面厚度為1.64 mm，激光加工的為1.91 mm。沖制加工的厚度與板面朝向有關(guān)，板面A朝下為2.82 mm，原板面朝上為2.69 mm，這與擴孔率相對應(yīng)，說明厚度越小，縮頸現(xiàn)象越明顯，試樣的延伸凸緣性能越好。

3 分析與討論

材料的切割加工技術(shù)[23]主要分為冷切割和熱切割。熱切割包括火焰切割、等離子切割和激光切割等。冷切割是通過機械手段對材料進行剪切(沖制)、鋸切、銑切以及高壓水射流切割等。

3.1 圓孔端面的表面粗糙度對延伸凸緣性能的影響

圖5、圖6顯示，水刀和激光加工的圓孔端面整齊，即使是在圓孔擴展后，其端面仍保持很好的平整度(圖9(a)、9(b))。而沖制加工的圓孔則對比鮮明，撕裂層參差不齊，布滿了大量的裂紋，這些裂紋在圓孔擴展時極易發(fā)生應(yīng)力集中形成裂紋源，因裂紋源眾多，擴展后圓孔端面上出現(xiàn)了大量的宏觀裂紋(圖8(c)、8(d))。水刀和激光加工的圓孔，擴展時受力均勻，發(fā)生縮頸，在達到其塑性變形的極限時才發(fā)生斷裂，僅一條貫穿裂紋(圖7(b))。

3.2 圓孔截面硬度對延伸凸緣性能的影響

由于激光切割屬于熔化切割，必定會產(chǎn)生熱影響區(qū)及熱致微裂紋[24]。文獻[22]指出，激光切割會使鋁合金切割端面上約0.25 mm范圍內(nèi)的硬度提高約30%，達40 HV。其原因主要是輔助氣體在切割過程中有冷卻作用，使切割端面急冷形成硬化層，宏觀表現(xiàn)為熱致裂紋。本文試驗中，圓孔的熱影響區(qū)約為80 μm，導(dǎo)致圓孔端面上約0.10 mm范圍內(nèi)的硬度提高了約15%。加工端面硬度的提高使其在擴展過程中形變區(qū)域較小，集中在截面約20 μm的范圍內(nèi)。但大量存在的網(wǎng)狀熱致裂紋，降低了應(yīng)力集中的程度，從而確保其具有良好的延伸凸緣性能。

水刀加工不會對材料產(chǎn)生熱影響區(qū)和機械變形，故圓孔切割截面上硬度基本不變(圖3(c))，其擴孔率也最接近材料自身的延伸凸緣性能。

沖制加工的圓孔，光亮層經(jīng)過塑性變形及模具側(cè)面擠壓而產(chǎn)生加工硬化，硬度上升而可塑性變形性減弱；撕裂層是撕裂形成，其內(nèi)部金屬并未發(fā)生明顯的加工硬化，硬度相對較低[25]。然而撕裂層存在的大量裂紋在擴孔時極易發(fā)生應(yīng)力集中而成為裂紋源。Kenichiro M等[19]采用30°錐角的凸模，對DP980鋼的撕裂層施加22 kN力進行壓緊處理，雖然撕裂層的硬度(HV0.05)因此而提高了20%，但其擴孔率卻提高了15%。這充分說明，硬度的提高不是影響沖制加工圓孔擴展開裂的主要原因，而撕裂層中存在的裂紋才是導(dǎo)致其擴孔率低的主要原因。

3.3 形變區(qū)域?qū)ρ由焱咕壭阅艿挠绊?/h3>

激光加工的圓孔端面上的激冷層使其硬度升高，而網(wǎng)狀熱致裂紋的存在，使孔在擴展時受力均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，但變形區(qū)域主要集中在圓孔周圍約20 μm的范圍內(nèi)，遠小于水刀加工圓孔的約150 μm的形變區(qū)域。根據(jù)LeMay的研究結(jié)果[26]，硬相周圍產(chǎn)生孔隙所需要的外加應(yīng)力SVF可由式(2)計算。

(2)

式中：q為第二相引起的平均應(yīng)力集中度因子，E為材料的彈性模量，rs為材料特定表面能，a為材料的晶格常數(shù)，Re為材料的屈服強度，△V為第二相周圍材料的形變體積，V為第二相粒子的體積。

式(2)右邊第一項為形變產(chǎn)生孔隙新增的表面能，第二項為塑性形變的作用。該公式表明，產(chǎn)生孔隙所需的外力SVF與第二相周圍形變的基體體積有關(guān)，即形變的基體體積越大，形變越均勻，所需的外力就越大。在相同的外力條件下，水刀加工的圓孔的塑性形變區(qū)域比激光加工的圓孔大，更能均勻分散所施加的外力，因此其擴孔率更大。

3.4 板面朝向?qū)ρ由焱咕壭阅艿挠绊?/h3>

為了研究擴孔過程中試樣各部位的受力情況，采用商用軟件Abaqus6.12建模，根據(jù)國標GB/T 24524—2009/ISO 16630:2009規(guī)定的試驗方法及相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)定模型參數(shù)?？紤]到材料的各向異性，擴孔凸模行程為22 mm時，試樣厚度方向上真應(yīng)變分布云圖如圖10所示。即試樣擴展過程，應(yīng)變集中的區(qū)域主要為圓孔外緣的軋制方向[13,27]，即圖10中紅色區(qū)域，這與本文中擴孔試樣的開裂部位相同(圖7)。

據(jù)有關(guān)文獻指出[28- 29]，對厚度≥2 mm的鋼板進行激光切割，厚度方向上切割端面的形貌可分為兩部分：臨近板面A的區(qū)域切割面平整光滑，切割條紋整齊、細密，粗糙度??；而遠離板面A的區(qū)域切割條紋紊亂，有時還有掛渣現(xiàn)象，因此靠近下緣位置的切割面質(zhì)量較差，即板面朝向?qū)ρ由焱咕壭阅芤灿幸欢ㄓ绊?。但由于激光加工圓孔的擴孔率良好，故區(qū)別不明顯。

而沖制過程引起的加工硬化很嚴重，且圓孔截面上、下板面的硬度變化大(圖3(d))，同時加工端面上又存在大量裂紋，故遠離板面A的區(qū)域為其薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)板面A朝下時，另一板面所受的應(yīng)變大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成貫穿裂紋。但板面A朝上時，裂紋擴展方向發(fā)生了大角度改變，增加了變形抗力，故擴孔率明顯好于板面A朝下時的擴孔率。

綜上所述，圓孔加工端面的粗糙度是影響鋼板延伸凸緣性能的主要因素，沖制加工產(chǎn)生的撕裂層是擴孔時裂紋的高發(fā)區(qū)域。當(dāng)圓孔端面平整時，變形區(qū)域的范圍越廣，其延伸凸緣性能越好，這也是水刀加工的圓孔擴孔率好于激光加工圓孔的主要原因。而板面朝向也在一定程度上影響延伸凸緣性能，即當(dāng)板面A朝上時，試樣的擴孔率較高。

4 結(jié)論

(1)采用水刀、激光和沖制3種方法在FB780鋼板試樣上加工的圓孔，延伸凸緣性能由高到低依次為水刀、激光和沖制，且水刀加工的圓孔擴孔率是沖制法加工圓孔的2.7～3.3倍大。

(2)圓孔加工端面的平整度差，擴孔過程中易發(fā)生應(yīng)力集中，是導(dǎo)致沖制加工的圓孔擴孔率低的主要原因。

(3)圓孔加工端面的平整度越高、變形區(qū)域越大，延伸凸緣性能也越好。

(4)擴展過程中圓孔外緣的應(yīng)力最大，沖制加工圓孔的鋼板試樣，板面A朝上時，裂紋擴展方向會發(fā)生大角度的改變，阻礙裂紋擴展，導(dǎo)致擴孔率改善。