邱 濤

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司制造部，四川 攀枝花 617023)

熱軋鋼板用于制作商用汽車的車架、縱梁或橫梁等零件，需進(jìn)行沖壓或折彎或輥壓等冷成形加工，因此要有較高的強度和良好的成形性能[1]。2016年，某廠生產(chǎn)的一批汽車大梁用510 MPa級鋼板在制作汽車縱梁的過程中出現(xiàn)開裂。為查明開裂的原因，對開裂鋼板進(jìn)行了系統(tǒng)的檢測，并與正常鋼板進(jìn)行了對比。

國內(nèi)一些鋼廠對汽車大梁用鋼板的成形開裂都進(jìn)行了分析。如孟憲堂等[2]認(rèn)為，表面鐵皮壓入、嚴(yán)重的中心偏析帶以及晶界較粗大的析出物等均可導(dǎo)致熱軋汽車大梁用鋼板成形開裂；徐禮玲[3]則發(fā)現(xiàn)，鋼板的含硫夾雜物分布密集和較嚴(yán)重的帶狀組織會導(dǎo)致其開裂；郭亞婷等[4]認(rèn)為，鋼板中存在軋制時未焊合的中心氧化層以及硫化錳偏析是其冷彎開裂的主要原因；于洋等[5]認(rèn)為，精軋F6速度低是導(dǎo)致750 MPa級汽車大梁用鋼板開裂的主要原因。這些分析大多著眼于鋼質(zhì)純凈度、帶狀組織等方面。本文研究發(fā)現(xiàn)，軋后冷卻方式不合理也會導(dǎo)致鋼板成形時開裂。

1 開裂試樣宏觀檢測

某廠將510L鋼板沖壓成槽形梁后，發(fā)現(xiàn)彎曲變形區(qū)外側(cè)開裂。在現(xiàn)場隨機從一件開裂的大梁上截取一段槽形梁，同時在已切分但未沖壓的鋼板上截取一塊板料。原料鋼板與槽形梁為同一熱軋批次，厚7.6 mm。

開裂的槽形梁彎曲外側(cè)面形貌見圖1。梁長約380 mm，其彎曲變形區(qū)外側(cè)有6個小而淺的裂口，多數(shù)裂口較短，最長約18 mm，裂口較寬；在梁側(cè)表面上緊挨轉(zhuǎn)角區(qū)有較深的模具擦痕。擦痕實際上是由于凹模圓角半徑較小、板料不能平滑地進(jìn)入凹模而導(dǎo)致的沖擊性滑動擦傷痕跡。板面上裂口與擦痕相對應(yīng)(有擦痕的區(qū)段必有裂紋)，見圖2。

圖1 開裂的槽形梁外側(cè)面形貌Fig.1 Outer side of the cracked trough- shaped girder

圖2 槽形梁外側(cè)面裂口形貌Fig.2 Cracks on outer side of the trough- shaped girder

在槽形梁內(nèi)側(cè)測量，發(fā)現(xiàn)該梁沖壓成形的彎曲半徑與板厚相當(dāng)或約小于板厚，見圖3。檢查槽形梁內(nèi)側(cè)時發(fā)現(xiàn)，內(nèi)拐角幾乎是直角過渡，見圖4。在彎曲成形時，鋼板彎曲外側(cè)纖維產(chǎn)生拉應(yīng)變，當(dāng)板厚一定時，彎曲半徑越小，應(yīng)變量越大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角外側(cè)減薄或開裂。因此鋼板冷彎或沖壓成形時，業(yè)內(nèi)都強調(diào)“只要設(shè)計結(jié)構(gòu)允許，圓角半徑盡量大”，并規(guī)定“屈服強度較高的鋼板彎曲時，彎曲半徑需至少為2倍(最好3倍)坯料厚度”。對強度達(dá)到415和480 MPa的鋼板，規(guī)定最小彎曲半徑分別為3倍和4倍板厚。

槽形梁內(nèi)側(cè)局部放大發(fā)現(xiàn)內(nèi)拐角存在嚴(yán)重的擠壓痕，見圖4。顯然這與圓角半徑過小有關(guān)。

圖3 槽形梁彎曲半徑測量Fig.3 Measurement of bending radius of the trough- shaped girder

圖4 槽形梁內(nèi)側(cè)面形貌Fig.4 Inner side of the trough- shaped girder

2 原料板的力學(xué)性能

宏觀檢查原料鋼板未發(fā)現(xiàn)有表面缺陷。從原料鋼板上切取3件冷彎試樣，按d=a、α=180°(同時彎曲軸與槽形梁的方向一致)進(jìn)行冷彎試驗，試樣冷彎后的形貌見圖5，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 原料鋼板冷彎試樣形貌Fig.5 Morphologies of specimen cut from the raw steel plate after cold- bending test

檢測結(jié)果表明，原料鋼板的力學(xué)性能符合要求，但斷后伸長率為24.0%和25.0%，雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求但偏低，見表1。

表1 原料鋼板的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the raw steel plate

3 硬度試驗

從開裂板未變形區(qū)的內(nèi)外表面(相當(dāng)于彎曲面的內(nèi)外表面)和原料板的兩個表面取樣，分別測定洛氏硬度(HRB)和布氏硬度(HB)，結(jié)果見表2。開裂板的HRB已接近或超過91，根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，當(dāng)板材的硬度≥91 HRB時，將降低其成形性。

4 金相檢驗

表2 開裂板和原料板的表面硬度Table 2 Surface hardness of the cracked plate and the raw plate

4.1 裂口的金相檢驗

將通過沖壓開裂梁外側(cè)裂口切取的金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下低倍觀察裂口形態(tài)，裂口兩邊未發(fā)現(xiàn)脫碳，裂口近表面部位組織已拉長成纖維狀。槽形梁彎曲外側(cè)面有擦痕，由于強烈摩擦，導(dǎo)致局部剪切開裂，強烈的接觸滑動使表面發(fā)生塑性流動，受下層彈性區(qū)的約束而使纖維組織沿裂紋彎曲。沖壓成形時，由于凹模圓角半徑較小，板料不能平滑地進(jìn)入凹模，從而出現(xiàn)沖擊性的滑動擦痕。

4.2 表層組織和心部組織

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，開裂梁彎曲外側(cè)的組織與其心部組織有很大差別，外側(cè)組織無珠光體，是熱軋板的一個軋制面冷卻過快形成的異常淬火組織，厚度約150 μm。板的心部組織為細(xì)小的鐵素體和珠光體，見圖6。原料板的兩側(cè)近表面和心部組織均為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，見圖7。

圖6 開裂板表層(a)、心部(b)和近表層(c)的顯微組織Fig.6 Microstructures of surface (a), core (b) and near- surface (c) in the cracked plate

圖7 原料板表層(a)、心部(b)和近表層(c)的顯微組織Fig.7 Microstructures of surface (a), core (b) and near- surface (c) in the raw plate

4.3 非金屬夾雜物

檢驗開裂板和原料板，未發(fā)現(xiàn)集中分布的非金屬夾雜物；按GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2002和GB/T 13299—1991分別評定開裂板和原料板的夾雜物、鐵素體晶粒度和帶狀組織，都滿足該鋼廠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。所檢測樣板的非金屬夾雜評級較低，鋼質(zhì)純凈。

5 掃描電鏡檢驗

將從開裂板上切取的試樣用壓力機沿裂紋壓斷，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫的近表面(距表面約100 μm)區(qū)域呈脆性斷口形貌，見圖8。壓斷的斷口幾乎都是準(zhǔn)解理斷口，這種形貌與開裂板表面存在的異常淬火組織有關(guān)。

圖8 脆性斷口的形貌Fig.8 Pattern of the brittle fracture

6 分析

(1)金相檢驗表明，開裂鋼板彎曲外側(cè)表層組織為形態(tài)不規(guī)則的鐵素體，該層異常組織厚度約150 μm，與心部組織(準(zhǔn)多邊形鐵素體+珠光體)不一致，這將導(dǎo)致鋼板在變形時，厚度方向的塑性存在差異，從而不同部位的可變形性不同，表層不規(guī)則的鐵素體組織先發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中，故外側(cè)表層首先開裂。該層異常組織為全鐵素體，再結(jié)晶不完全，產(chǎn)生了退化珠光體，這是軋制過程中冷卻速度過快所致[6]。

(2)硬度試驗表明，開裂板的表面硬度≥91 HRB，原料板的硬度也接近90 HRB，這會降低成形性。鋼板的布氏硬度為180～206 N/mm2,檢查了鋼廠同期生產(chǎn)的同軋制工藝同強度級別鋼板的表面硬度(HBW5/750)，平均值為159 N/mm2，可見鋼板的硬度明顯偏高。

另從力學(xué)性能看，原料板的斷后伸長率剛好滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與該產(chǎn)品的正常性能比較，開裂鋼板的強度偏高、斷后伸長率偏低，因此該批次鋼板的塑性較差，導(dǎo)致成形性能低，是其開裂的又一個原因。

(3)掃描電鏡觀察表明，開裂梁斷口為脆性斷口，說明開裂板的一面延性較差。裂口近表面存在Al、Si、Ca等元素，且存在K等保護(hù)渣特有的雜質(zhì)元素，雜質(zhì)的來源應(yīng)該是連鑄保護(hù)渣卷渣。鋼板近表面的雜質(zhì)割斷了材料的連續(xù)性，促進(jìn)了裂紋的形成和擴展。

(4)在槽型梁外側(cè)表面有較深的模具擦傷痕跡，擦痕實際上是由于凹模圓角半徑較小，板料不能平滑地進(jìn)入凹模，出現(xiàn)滑動擦傷痕，擦傷部位組織嚴(yán)重加工硬化，并伴有裂紋，說明板料進(jìn)入凹模的阻力很大，增大了彎曲外側(cè)局部區(qū)域的拉應(yīng)力。

(5)汽車對鋼板質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性要求很高，從以上檢測及分析可以看出，該批鋼板厚度方向組織不均勻，是由于軋后冷卻不合理所致。此外，鋼板的力學(xué)性能也不能令人滿意，表層有夾雜物。

7 結(jié)論

(1)沖壓開裂的汽車大梁用熱軋510L鋼板的一個面存在異常淬火組織，表面塑性較差，導(dǎo)致在鋼板厚度方向塑性存在差異，不同部位的變形性不同，這是鋼板開裂的主要原因。厚度方向的塑性差異是軋制過程中冷卻速度過快所致。

(2)鋼板厚度方向的組織不均勻，力學(xué)性能不理想，沖模圓角半徑過小，開裂部位的鋼板表層有夾雜物，均會加劇裂紋擴展。