孫宏亮，王 耐，武冠華

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北唐山063000）

0 引言

汽車大梁鋼作為汽車結(jié)構(gòu)重要的承載部件用鋼，要求具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性。由于車梁制造工藝復(fù)雜，對大梁鋼的成型，焊接性能均提出較高要求。大梁鋼的質(zhì)量影響整車的使用壽命與行車安全。

1 開裂形式

大梁鋼開裂均為冷成型開裂，但其開裂的原因和開裂形式多種多樣。筆者曾在實(shí)驗(yàn)室就職進(jìn)行失效分析，了解多種大梁鋼的失效形式，圖1中兩種失效形式最為常見。圖1（a）為零件成型后心部分層；圖1（b）超過材料本身的成型能力極限，在變形最大處發(fā)生成型開裂。

圖1 開裂照片

2 實(shí)驗(yàn)方法

從未成型板料和已成型出現(xiàn)開裂的樣品上分別切取試樣。采用光譜分析化學(xué)成分，利用WEW-300液壓萬能試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)，采用LYMPUSPMG3金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察和夾雜物分析。利用KYKY-EM3200掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察,美國熱電能譜儀進(jìn)行能譜分析。

3 開裂原因分析

3.1 心部分層開裂原因分析

圖1（a）為典型的心部分層開裂樣品，對樣品進(jìn)行金相及掃描電鏡分析檢測。分析結(jié)果，檢查組織時(shí)發(fā)現(xiàn)橫截面心部有較明顯的偏析現(xiàn)象，當(dāng)放大倍數(shù)為1000倍觀察時(shí)，可發(fā)現(xiàn)偏析處有細(xì)線狀的夾雜物，且從組織上看心部有大量的馬奧島組織[1]，夾雜物可以切割基體讓材料分層，同樣心部的大量馬奧島組織強(qiáng)度不均，也容易使材料發(fā)生分層。

圖2 偏析處金相照片

經(jīng)掃描電鏡檢驗(yàn)細(xì)線狀?yuàn)A雜物，能譜結(jié)果顯示為 MnS，見圖 3。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論：心部分層開裂的原因是偏析導(dǎo)致的MnS夾雜物在鋼心部聚集，偏析嚴(yán)重,導(dǎo)致成分不均，心部淬透性更強(qiáng)，生成了馬奧島組織[1]。成型時(shí)因?yàn)閵A雜物的割離和心部的馬奧島使心部韌性變差，最終導(dǎo)致大梁鋼出現(xiàn)分層開裂。

3.2 超過成型極限開裂

圖1（b）樣品為超越材料成型極限開裂，樣品牌號為700L。開裂樣品與不開裂樣品來自不同的大梁鋼生產(chǎn)廠家。對開裂與不開裂產(chǎn)品進(jìn)行分析，成分對比見表1，物理性能對比見表2，金相組織結(jié)果見圖4。不開裂樣品有明顯的屈服平臺，開裂樣品無屈服平臺用Rp0.2代替。

表1 開裂樣與不開裂樣成分對比

表2 正常卷取溫度和高溫卷取熱軋性能對比

開裂與不開裂樣品晶粒度均在12級以上，晶粒都很細(xì)小，但經(jīng)過1000倍放大，發(fā)現(xiàn)不開裂樣品晶粒更細(xì)小。不開裂樣品的組織為等軸鐵素體與彌散分布的貝氏體，而開裂樣品的組織為針狀鐵素體與殘留奧氏體相形成的馬氏體島。不開裂樣品是以等軸鐵素體為基體貝氏體作為強(qiáng)化相，而開裂樣品是以針狀鐵素體為基體馬氏體島作為強(qiáng)化相。針狀鐵素體通常以切變和擴(kuò)散的混合相變機(jī)制形成于上貝氏體溫度以上，由于擴(kuò)散不充分，可以顯著提高鋼的抗拉強(qiáng)度，但不利于鋼的延展性。等軸鐵素體具有更優(yōu)良的韌性，因此以等軸鐵素體為基體的樣品沒有開裂。

3.3 夾雜物多導(dǎo)致成型開裂

夾雜物在鋼中的含量雖然極微，但對鋼的性能卻具有不可忽視的影響，非金屬夾雜物在鋼中破壞了金屬基體的連續(xù)性，致使材料的塑性、韌性降低和疲勞性能降低。

圖3 夾雜物的掃描電鏡結(jié)果

圖4 開裂與不開裂樣品金相組織對比

汽車大梁鋼煉鋼生產(chǎn)過程為鋁脫氧，成品中夾雜物多為B類氧化鋁類和D類球狀氧化物類，典型大梁鋼夾雜物金相圖見圖5。

圖5 大梁鋼夾雜物典型形貌

鋼中夾雜物對鋼性能的影響主要在對鋼韌性的危害，而且危害程度隨著鋼的強(qiáng)度增高而增加，大量的夾雜物必然會(huì)導(dǎo)致大梁鋼冷成型時(shí)開裂。

4 開裂的預(yù)防

汽車用大梁鋼的生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→連鑄→加熱→除磷→粗軋→熱卷取箱卷取→精軋前除磷→精軋→層流冷卻→卷取→檢驗(yàn)→包裝入庫。

4.1 偏析控制

要減少偏析的產(chǎn)生則要控制連鑄工序工藝。連鑄坯典型的低倍組織由3個(gè)帶組成，靠近表皮細(xì)小的等軸晶帶，其次是像樹枝狀的柱狀晶帶，中心是粗大的等軸晶帶,擴(kuò)大中心的粗大等軸晶帶可有效減輕偏析現(xiàn)象。柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對大小主要決定于澆注溫度，低過熱度可有效擴(kuò)大等軸晶區(qū)[4]。P、S是強(qiáng)偏析元素，鋼水中P、S的含量過高，會(huì)使大量的MnS鑄坯的凝固末端聚集，連鑄坯低倍酸蝕后會(huì)在中心部分出現(xiàn)黑色或褐色斑點(diǎn)，這些夾雜物的塑性和強(qiáng)度都很差，軋制后板材會(huì)出現(xiàn)分層。為了防止中心偏析，從工藝方面控制鋼水的成分，降低P、S含量，控制過熱度、拉速、二冷配水等,以擴(kuò)大鑄坯中心的等軸晶區(qū)。

4.2 鋼水純凈度

鋼中非金屬夾雜物的來源由內(nèi)生夾雜和外來夾雜兩部分組成。

外來夾雜物是指由渣、耐火材料或與鋼液相接觸的其它材料機(jī)械結(jié)合所形成的夾雜物。這類夾雜物一般尺寸比較大，屬于宏觀缺陷，大部分可以通過熱軋表檢系統(tǒng)檢測到而降判處理，未被表檢系統(tǒng)檢測到的“皮下”的大尺寸夾雜物會(huì)成為冷成型開裂的裂紋源。減少此類夾雜需提高原鋪料質(zhì)量，對鋼包耐火材料、合金和造渣料品質(zhì)嚴(yán)格把控；穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，減小連鑄液位波動(dòng)和拉速變化。

內(nèi)生夾雜物是在脫氧和鋼液凝固時(shí)生成的脫氧產(chǎn)物，主要是氧、硫、氮的化合物。鋼鐵的冶煉實(shí)質(zhì)是液態(tài)金屬的氧化-還原反應(yīng)，由于金屬在高溫液體狀態(tài)下對氧和其它氣體的溶解量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凝固狀態(tài)，隨著鋼液凝固氧、硫、氮以化合物的方式析出，形成內(nèi)生夾雜物。內(nèi)生夾雜剛析出時(shí)尺寸小，通過夾雜物的碰撞生成顆粒較大的夾雜物，從而上浮去除。此類夾雜需從鋼液攪拌和鋼液鎮(zhèn)靜時(shí)間入手，通過底吹氬氣，使鋼中的非金屬夾雜物隨氣泡上浮分離，適當(dāng)?shù)脑龃箪o置時(shí)間也能促使夾雜物上浮，從而減少夾雜物數(shù)量[2]。

4.3 客戶用途識別

超出材料成型極限開裂的特點(diǎn)為缺陷大批量出現(xiàn)，且均發(fā)生在同一位置。此種缺陷不一定是產(chǎn)品本身有問題，問題在于對客戶用途識別不清。國標(biāo)GB/T 3273汽車大梁用熱軋鋼板和鋼帶內(nèi)對成分要求范圍寬，國標(biāo)內(nèi)要求在保證性能的前提下，為改善鋼的性能，可有選擇地加入一種或同時(shí)加入Nb、V、Ti等幾種微合金元素。不同的成分體系會(huì)導(dǎo)致成品性能差異，不同的零件對材料的成型能力要求差異很大。根據(jù)最終產(chǎn)品的用途設(shè)計(jì)成分，可以有效降低成本并減少質(zhì)量異議的發(fā)生。

當(dāng)用戶的產(chǎn)品對鋼材成型能力較高時(shí)，在成分設(shè)計(jì)時(shí)可以添加適量的Nb。Nb最主要的強(qiáng)化方式就是細(xì)晶強(qiáng)化，細(xì)化晶粒可以使金屬組織中包含較多的晶界，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。細(xì)晶強(qiáng)化可使金屬材料得到強(qiáng)化，同時(shí)也改善了韌性，這是其它強(qiáng)化機(jī)制不可能做到的。添加元素既Nb有優(yōu)勢，也有劣勢，Nb對奧氏體再結(jié)晶有抑制作用，使熱軋生產(chǎn)時(shí)精軋階段變形抗力大，生產(chǎn)薄規(guī)格含Nb的高強(qiáng)鋼特別容易發(fā)生“堆鋼”事故，增大軋鋼成本，且在精軋階段Nb元素使奧氏體不完全再結(jié)晶，產(chǎn)品容易出現(xiàn)混晶現(xiàn)象[3]，典型混晶組織見圖6。Nb元素為貴金屬，以0．05%的Nb含量計(jì)算，噸鋼成本約增加140元。

根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)成分及工藝，此理念也符合汽車板研發(fā)中的EVI（Early Vendor Involvement）先期介入概念，從而為客戶提供更高性能的材料和個(gè)性化的服務(wù)。

圖6 混晶組織形貌 200×

5 結(jié)論

分層開裂為偏析導(dǎo)致，偏析使心部合金成分增多，淬透性增大，心部生成大量的馬奧島，截面性能不均造成成型開裂，同時(shí)偏析會(huì)導(dǎo)致連鑄液心中MnS夾雜物在鋼心部聚集，夾雜物的存在割離了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致大梁鋼分層開裂。

超過成型極限導(dǎo)致的樣品開裂不一定為產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，也可能為產(chǎn)品用途識別不清。利用汽車板研發(fā)中的EVI概念，根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)成分及工藝，充分利用不同微合金元素的特性，生產(chǎn)出符合客戶需求的產(chǎn)品，降低成本并減少了質(zhì)量異議。