剪切工藝對(duì)5Mn中錳鋼邊部成形性能的影響

蔣 洋 張 梅 孫宇陽 汪 楊

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

隨著汽車保有量的不斷增加，對(duì)汽車的節(jié)能、環(huán)保和碰撞安全性的要求越來越高，對(duì)研發(fā)和生產(chǎn)具有高撞擊能量吸收性能(即高強(qiáng)塑積)的汽車結(jié)構(gòu)材料的需求迫切[1- 2]。開發(fā)高強(qiáng)塑積的先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼(advanced high strength steel, AHSS)可以在保證汽車安全性的前提下達(dá)到減重的效果，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化和節(jié)能減排等[3]。中錳鋼是第三代先進(jìn)汽車高強(qiáng)鋼，其組織為鐵素體和奧氏體，具有高強(qiáng)度和高成形性等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此成為汽車零部件材料的最佳選擇之一。汽車零部件生產(chǎn)一般包括剪切、翻邊、沖壓、鉆孔等工序[5]。剪切是沖壓過程中必不可少的一個(gè)工序。研究發(fā)現(xiàn)：中錳鋼的加工硬化明顯，對(duì)邊部裂紋敏感[6]，在實(shí)際沖壓試制過程中存在剪切邊開裂現(xiàn)象。

目前對(duì)于高強(qiáng)鋼剪切工藝及剪切邊斷裂機(jī)制的研究較多。周明等[7]研究了沖裁間隙和凸模刃口角度對(duì)超高強(qiáng)度鋼板TRIP 780 沖裁斷面質(zhì)量和邊部拉伸成形性能的影響，結(jié)果顯示，隨著沖裁間隙的增大，斷面質(zhì)量和邊部成形性能降低；而隨著凸模刃口角度的增大，斷面中光亮帶和毛刺比例均呈下降趨勢，峰值應(yīng)力、斷裂應(yīng)變值和斷后伸長率均顯著增加。Dalloz等[8]研究了1.5 mm厚850 MPa級(jí)雙相鋼板在不同沖裁間隙下剪切斷面形貌及斷裂機(jī)制，發(fā)現(xiàn)剪切后發(fā)生韌性斷裂是因?yàn)殍F素體和馬氏體交界處形成微孔。Nikky等[9]通過CP800和DP780鋼的中心孔拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剪切邊存在預(yù)應(yīng)變，促進(jìn)微孔的形核、長大和聚集，從而降低了材料塑性。雖然對(duì)剪切工藝的研究較多，但所針對(duì)的均是第一代、第二代汽車用鋼，對(duì)第三代汽車用鋼的剪切工藝的研究還比較缺乏。

本文采用基于光學(xué)追蹤的數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)的剪切邊單軸拉伸試驗(yàn)，研究了沖裁間隙對(duì)1.5 mm厚5Mn中錳鋼板沖裁斷面質(zhì)量和邊部成形性能的影響，分析了剪切邊裂紋萌生及開裂的主要原因，以期為中錳鋼高質(zhì)量沖切及實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用5Mn中錳鋼的化學(xué)成分如表1所示。C是奧氏體穩(wěn)定元素[10]，但C含量過高會(huì)導(dǎo)致鋼的焊接性能下降，因此選用低碳成分設(shè)計(jì)。Mn也是奧氏體穩(wěn)定元素， 但由于Mn價(jià)格較高，為降低生產(chǎn)成本，將Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為5%。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the experimental steel (mass fraction) %

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the experimental steel

剪切邊拉伸試樣的沖裁制備在圖1(a)所示的沖裁模具下完成，通過添加墊片改變凹模與凸模之間的間隙，即設(shè)置沖裁間隙分別為0.03t、0.05t、0.067t、0.10t、0.12t，t為材料厚度。將板料加工成如圖1(b)所示的金相試樣和拉伸試樣，其中A1、A2位置均保留了剪切邊。采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣斷面形貌，結(jié)合掃描電鏡進(jìn)行斷面質(zhì)量評(píng)定，并通過顯微硬度梯度法測定剪切邊硬化層深度。分別沿垂直于剪切邊方向測量圓角區(qū)、光亮帶及撕裂帶3個(gè)區(qū)域的顯微硬度，試驗(yàn)力為100 g，測量點(diǎn)間隔0.07 mm，每個(gè)區(qū)域測30個(gè)點(diǎn)，如圖2所示。通過剪切邊單軸拉伸試驗(yàn)測試邊部成形性能，并以試樣斷后伸長率及斷裂應(yīng)變作為衡量邊部成形性能的指標(biāo)。通過ARMIS光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)追蹤拉伸過程，DIC獲取試樣拉伸過程中的應(yīng)變分布，試驗(yàn)在Zwick/Roell Z100型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為3 mm/min。

圖1 沖裁模具的三維模型(a)及剪切邊的金相、拉伸試樣(b) Fig.1 Three- dimensional model of blanking die (a) and sheared- edge metallographic and tensile specimens (b)

圖2 顯微硬度測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of microhardness measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖裁間隙對(duì)邊部成形性能的影響

圖3為不同間隙下沖裁制備試樣的拉伸應(yīng)變- 應(yīng)力曲線和斷后伸長率?？梢钥闯?，不同間隙下的曲線前半段無明顯差異，這表明邊部質(zhì)量對(duì)試樣拉伸的彈性階段及屈服階段影響較小，主要影響塑性變形階段，對(duì)峰值應(yīng)力及斷裂位置的影響顯著。隨著沖裁間隙的增加，斷后伸長率總體呈下降趨勢。沖裁間隙為0.03t時(shí)，峰值應(yīng)力達(dá)720 MPa，斷后伸長率為23%；沖裁間隙為0.12t時(shí)，強(qiáng)度和塑性急劇降低，峰值應(yīng)力為610 MPa，斷后伸長率僅為9.2%；其他3種間隙下試樣的力學(xué)性能相近，峰值應(yīng)力為690 MPa左右，斷后伸長率為13%左右。5種間隙下試樣的峰值應(yīng)力均未達(dá)到原始材料的抗拉強(qiáng)度，且斷裂前均未出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，而是瞬間斷裂，表明該中錳鋼對(duì)邊部質(zhì)量敏感。

圖3 不同間隙下邊部沖裁試樣的拉伸應(yīng)變- 應(yīng)力曲線(a)和斷后伸長率(b)Fig.3 Stress- strain curves(a) and elongation(b) of specimens sheared under different clearances

沖裁斷面由圓角區(qū)、光亮帶、撕裂帶及毛刺4個(gè)部分組成。由于凸凹模存在間隙，材料并非處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，因此，當(dāng)剪切區(qū)的變形拖拽其周圍區(qū)域時(shí)，由于材料流動(dòng)而形成一定角度的圓角區(qū)。剪切過程中，試樣固定，移動(dòng)的凸模對(duì)試樣施加水平壓縮力，從而形成光亮帶。凸模與凹模刃口所產(chǎn)生的裂紋相互貫通，形成撕裂帶，裂紋擴(kuò)展是撕裂帶形成的主要原因。最后，由于凸凹模存在間隙，撕裂帶被拉長。當(dāng)試樣被完全沖斷時(shí)形成毛刺。毛刺對(duì)后續(xù)加工有明顯影響，合適的凸凹模間隙有利于減少毛刺[5]。圓角區(qū)、光亮帶及毛刺3個(gè)區(qū)域高度與沖裁間隙的關(guān)系如圖4所示。隨著沖裁間隙的增加，3個(gè)區(qū)域比例均呈上升趨勢，沖裁間隙為0.03t時(shí)，邊部材料流動(dòng)最少，毛刺最小，斷面質(zhì)量良好，邊部成形性能最佳。不同間隙沖裁后的斷面如圖5所示，可見當(dāng)沖裁間隙增大到0.12t后，毛刺明顯大于其他間隙下沖裁的毛刺，邊部質(zhì)量最差。

圖4 圓角區(qū)、光亮帶及毛刺3個(gè)區(qū)域高度與沖裁間隙的關(guān)系Fig.4 Relationships between the height of circle angle area, euphotic belt and burr and blanking clearance

圖5 不同間隙下沖裁試樣斷面形貌Fig.5 Morphologies of cross- section specimens sheared under different clearances

2.2 沖裁間隙對(duì)邊部加工硬化的影響

對(duì)沖裁斷面圓角區(qū)、光亮帶及撕裂帶的亞表層的顯微硬度進(jìn)行測量，不同間隙下亞表層的顯微硬度分布如圖6所示?？梢娫嚇釉加捕葹?25 HV0.1，邊部亞表層的顯微硬度顯著高于原始硬度，遠(yuǎn)離邊部硬度逐漸降低，直至基體硬度，表明邊部表面及亞表層由于塑性變形而存在加工硬化(圓角區(qū)第1個(gè)點(diǎn)由于離邊部太近，顯微硬度偏低)。其中圓角區(qū)由于變形較小，硬度低于光亮帶及撕裂帶，而光亮帶在沖裁過程中由于受到擠壓硬度較高。此外，剪切影響區(qū)(即硬化層深度)受沖裁間隙的影響，隨著間隙的增加，硬化層深度總體呈上升趨勢。沖裁間隙為0.03t時(shí)硬化層最淺，小于1.00 mm，0.05t～0.10t間隙的硬化層深度為1.00～1.25 mm，當(dāng)間隙進(jìn)一步增加至0.10t時(shí)，硬化層深度超過1.25 mm。在剪切過程中，亞穩(wěn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生相變強(qiáng)化。大間隙沖裁時(shí)產(chǎn)生塑性變形的材料更多，相變強(qiáng)化作用越強(qiáng)。

圖6 不同間隙下沖裁斷面亞表層的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness profiles in subsurface layer of cross- section specimens sheared under different clearances

為了分析間隙對(duì)沖裁斷面各區(qū)域硬化程度的影響，將圓角區(qū)、光亮帶及撕裂帶的顯微硬度進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。隨著間隙的增加，各區(qū)域顯微硬度均呈上升趨勢，其中以撕裂帶最為明顯，硬度最大值從327 HV0.1升高至375 HV0.1。沖裁間隙為0.12t時(shí)，各區(qū)域的硬度均高于其他間隙下的硬度，0.03t間隙下各區(qū)域的顯微硬度均最低，表明硬化程度最小。此外，隨著沖裁間隙的增加，顯微硬度均勻性降低。這是因?yàn)殚g隙增加，剪切影響區(qū)范圍擴(kuò)大，部分穩(wěn)定性較低的亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致顯微硬度均勻性降低，開裂可能性增大。

圖7 不同間隙下沖裁斷面各區(qū)域的硬度比較Fig.7 Comparison of hardness in different areas of cross- section specimens sheared under different clearances

2.3 剪切邊裂紋演化機(jī)制

圖8為0.05t間隙沖裁試樣斷截面SEM形貌，可見材料的邊部均存在微孔，微孔的大小及數(shù)量顯著影響剪切邊成形性能。一般說，在后續(xù)制造過程中，大尺寸、細(xì)長、大范圍的微孔會(huì)成為裂紋源。Chang等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著間隙的增加，邊部細(xì)長微孔數(shù)量增加，即微孔區(qū)域增多， 因此減小間隙有利于減少微孔數(shù)量，從而提高邊部成形性能。此外，圓角區(qū)晶粒變形較小，光亮帶及撕裂帶晶粒變形嚴(yán)重，且出現(xiàn)明顯取向，剪切影響區(qū)受剪切力影響，部分亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生相變，因此邊部硬化較為嚴(yán)重。

圖8 0.05t間隙沖裁試樣斷截面SEM形貌Fig.8 SEM micrographs of cross- section of fractured specimen sheared under clearance of 0.05t

通過DIC追蹤結(jié)合ARAMIS軟件研究試樣單軸拉伸過程中的應(yīng)變分布，進(jìn)而分析邊部裂紋演變機(jī)制。圖9為0.05t間隙沖裁試樣在單軸拉伸過程中的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布。試樣沖裁時(shí)邊部部分亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，位錯(cuò)密度增加[3]。同時(shí)邊部材料由于沖裁發(fā)生流動(dòng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，位錯(cuò)密度也顯著增加。因此較小應(yīng)變時(shí)試樣邊部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)變集中，根據(jù)硬度測量結(jié)果，剪切加工的硬化層深約1.5 mm，因此距離沖裁邊較遠(yuǎn)區(qū)域無明顯加工硬化，仍保留了較多奧氏體。應(yīng)變逐漸增加，遠(yuǎn)超沖裁導(dǎo)致的塑性變形后，試樣進(jìn)入均勻變形階段，如圖9(c)所示。試樣邊部存在微孔，但隨著應(yīng)變的進(jìn)行，沒有TRIP效應(yīng)顯現(xiàn)，因而無法推遲微孔擴(kuò)大聚集，邊部微孔在較大應(yīng)變下迅速擴(kuò)大聚集，成為裂紋源。沖裁試樣單軸拉伸過程中，應(yīng)變- 應(yīng)力曲線瞬時(shí)下降，但試樣表面未出現(xiàn)宏觀裂紋。這是因?yàn)閮?nèi)部微孔聚集形成微裂紋，隨后裂紋迅速擴(kuò)展形成宏觀裂紋。不同間隙沖裁試樣的最大等效應(yīng)變點(diǎn)均位于剪切邊，該點(diǎn)可認(rèn)為是裂紋源，從而發(fā)生邊部開裂。

圖9 0.05t間隙沖裁試樣在單軸拉伸過程中等效應(yīng)變分布Fig.9 Equivalent strain distribution of specimen sheared under clearance of 0.05t during uniaxial tension process

3 結(jié)論

(1) 5Mn中錳鋼對(duì)沖裁工藝較敏感，沖裁后力學(xué)性能顯著降低，試樣均未出現(xiàn)頸縮而直接斷裂。隨著沖裁間隙的增加，5Mn中錳鋼沖裁邊部質(zhì)量和成形性能(峰值應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和伸長率)迅速降低。當(dāng)沖裁間隙為板厚的0.03時(shí)，可獲得相對(duì)優(yōu)異、穩(wěn)定的斷面質(zhì)量和邊部成形性能。

(2) 5Mn中錳鋼沖裁后邊部加工硬化顯著，隨著沖裁間隙的增加，邊部硬度明顯提高，硬化層深度增加。

(3) 沖裁試樣邊部存在微孔，沖裁力使邊部發(fā)生塑性變形，亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生相變，因此在成形過程中無法通過TRIP效應(yīng)抑制微孔擴(kuò)大聚集。邊部微孔和加工硬化是裂紋產(chǎn)生的主要原因。