劉鵬鵬，葉 又，魏一凡

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引 言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，節(jié)能減排成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施之一。超高強(qiáng)度鋼是一種重要的輕量化材料，具有強(qiáng)度高、成形性能好的特點(diǎn)。熱沖壓成形鋼是一種超高強(qiáng)鋼，沖壓成形后在模具中淬火，組織為高強(qiáng)度的馬氏體，常用作加強(qiáng)件，如雪橇板，汽車防撞梁、保險(xiǎn)杠等[1-2]。目前關(guān)于熱沖壓成形鋼的研究主要集中在提高強(qiáng)度方面。某日系車企使用的熱沖壓成形鋼的強(qiáng)度級(jí)別達(dá)1 800 MPa[3-4]。據(jù)報(bào)道，有新能源車企使用的熱沖壓成形鋼的強(qiáng)度級(jí)別達(dá)2 000 MPa。

某公司生產(chǎn)的應(yīng)用在汽車車身前縱梁結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)板在總裝前發(fā)生開裂。該加強(qiáng)板材料為具有鋁硅鍍層的22MnB5熱沖壓成形鋼，加工工藝為加熱溫度900 ℃，保溫時(shí)間300 s，從加熱爐轉(zhuǎn)移到模具的時(shí)間57 s，加熱后在模具中淬火，直接熱成形，成形后采用激光切割的落料方式進(jìn)行精加工。為了找到該汽車加強(qiáng)板的開裂原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，失效加強(qiáng)板的開裂位置位于拐角處(箭頭所示)，開裂位置表面鍍層部分磨損并脫落，露出白色基材，裂紋長(zhǎng)度約8 cm，同批次的其他加強(qiáng)板沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖1 失效加強(qiáng)板的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of failed reinforcement plate: (a) entirety and (b) enlargement of oval region

1.2 斷口形貌

采用蔡司EVO18型掃描電鏡(SEM)觀察失效加強(qiáng)板的斷口形貌。由圖2可以看出，裂紋源區(qū)域呈韌窩和解理混合形貌，裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)呈沿晶斷裂特征，說明整個(gè)斷裂過程由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。

圖2 失效加強(qiáng)板的斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of failed reinforcement plate:(a) entirety;(b) crack source;(c) crack propagation region and (d) instantaneous region

采用掃描電鏡觀察失效加強(qiáng)板激光剪邊區(qū)域和未激光剪邊彎曲變形區(qū)域邊緣的斷口形貌。由圖3可以看出，激光剪邊區(qū)域表面光滑，而彎曲變形區(qū)域由于沖壓后未進(jìn)行激光剪邊，裂紋快速擴(kuò)展，表面存在大量裂紋。

圖3 失效加強(qiáng)板激光剪邊區(qū)域和彎曲變形區(qū)域邊緣的斷口SEM形貌Fig.3 Fracture SEM morphology of edge of laser trimming area (a) and bending deformation area (b) of failed reinforcement plate

1.3 化學(xué)成分

打磨掉失效加強(qiáng)板表面的鍍層，采用斯派克MAXx型直讀光譜儀測(cè)試化學(xué)成分。由表1可以看出，失效加強(qiáng)板的化學(xué)成分滿足GMW14400-2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效加強(qiáng)板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 顯微組織

在失效加強(qiáng)板的開裂位置取樣，經(jīng)磨拋，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后在蔡司EVO18型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。由圖4可以看出，失效加強(qiáng)板表面鋁硅鍍層上存在顯微裂紋，但均未穿過鍍層，心部組織為淬火后的馬氏體，與正常位置心部的組織相同。

圖4 失效加強(qiáng)板的顯微組織Fig.4 Microstructure of failed reinforcement plate: (a) near crack position, surface coating; (b) near crack position,center and (c) away from crack position, center

1.5 硬 度

采用MITUTYOYO型維氏硬度計(jì)測(cè)試失效加強(qiáng)板的硬度，在平行于裂紋、距離裂紋1 mm的位置取點(diǎn)，取點(diǎn)間隔為0.3 mm，載荷為2.94 N，保載時(shí)間為12 s。由圖5可以看出，開裂位置附近的彎曲變形區(qū)域硬度出現(xiàn)異常，較正常位置的硬度偏高，且異常區(qū)域的長(zhǎng)度與裂紋長(zhǎng)度基本一致。

圖5 失效加強(qiáng)板裂紋附近的硬度測(cè)試位置及分布曲線Fig.5 Test position (a) and distribution curve of hardness (b) near crack of failed reinforcement plate

2 開裂原因分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：失效加強(qiáng)板的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，心部組織為馬氏體，無異常組織；開裂位置表面的硬度較正常位置的明顯增大，且開裂位置表面鍍層磨損嚴(yán)重。熱成形加強(qiáng)板由于各位置的力學(xué)性能不同，斷裂形貌也不同，低強(qiáng)度位置的斷裂為韌窩斷裂，高強(qiáng)度位置的斷裂為沿晶斷裂[5]。該失效加強(qiáng)板的裂紋在硬度較低的剪邊邊緣位置萌生，斷口呈韌窩和解理形貌，沿彎曲變形區(qū)域擴(kuò)展并斷裂，斷口呈沿晶斷裂形貌，對(duì)應(yīng)的硬度較高。

在熱沖壓成形過程中，沖壓力和板料加熱溫度有關(guān)[6]，隨板料加熱溫度降低而增大。該加強(qiáng)板的加熱溫度為900 ℃，沖壓過程中開裂位置產(chǎn)生了較大的壓縮應(yīng)力，沖壓成形后進(jìn)行激光剪邊落料時(shí)，拐角半徑較小，落料形狀不合要求，導(dǎo)致微裂紋萌生。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，開裂的加強(qiáng)板大多位于堆垛料底部，在運(yùn)輸過程中，底部加強(qiáng)板受到了較大的沖擊載荷作用，同時(shí)部分區(qū)域沒有進(jìn)行激光剪邊，在沖擊載荷作用下，裂紋沿未進(jìn)行激光剪邊的區(qū)域快速擴(kuò)展，最終開裂。

對(duì)加強(qiáng)板的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，增大拐角處(箭頭所示)的半徑，優(yōu)化加強(qiáng)板的落料形狀，見圖6；減少?zèng)_壓時(shí)拐角處物料的折疊，同時(shí)加熱溫度升高至920 ℃，降低沖壓成形過程中拐角處的壓縮應(yīng)力，避免鍍層脫落。成形結(jié)束后，對(duì)加強(qiáng)板進(jìn)行全面的激光剪邊，去除多余材料，減緩裂紋擴(kuò)展。圖7為優(yōu)化落料形狀前后、總裝前的加強(qiáng)板形貌，可以看出，增大拐角處的半徑后，鍍層上的壓痕逐漸變淺，拐角處半徑最大的加強(qiáng)板總裝前未發(fā)生開裂。由圖8可以看出，該加強(qiáng)板總裝前也沒有出現(xiàn)硬度異常增大的現(xiàn)象。

圖6 不同拐角半徑加強(qiáng)板的落料形狀Fig.6 Blanking shape of reinforcement plate with different radius of corner: (a) failed reinforcement plate; (b) reinforcementplate after increasing radius of corner and (c) reinforcement plate after further increasing radius of corner

圖7 總裝前不同拐角半徑加強(qiáng)板的形貌Fig.7 Morphology of reinforcement plate with different radius of corner before final assembly: (a) failed reinforcement plate;(b) reinforcement plate after increasing radius of corner and (c) reinforcement plate after further increasing radius of corner

圖8 拐角處半徑進(jìn)一步增大后、總裝前加強(qiáng)板的硬度分布Fig.8 Hardness distribution of reinforcement plate after furtherincreasing radius of corner before final assembly

3 結(jié)論及措施

(1) 該失效加強(qiáng)板的開裂方式為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂；激光剪邊落料時(shí)拐角半徑較小，導(dǎo)致裂紋在剪邊邊緣位置萌生，運(yùn)輸過程中在沖擊載荷作用下，裂紋沿未進(jìn)行激光剪邊的彎曲變形區(qū)域快速擴(kuò)展。

(2) 增大拐角處的半徑，同時(shí)在沖壓成形后對(duì)加強(qiáng)板進(jìn)行全面的激光剪邊，采取這些措施后總裝前加強(qiáng)板鍍層上的壓痕變淺，未發(fā)生過開裂現(xiàn)象。