熱軋酸洗板SAPH440翻邊開裂性能分析

劉淑影，王秋雨

（河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000）

SAPH440是一種Si、Mn復(fù)合強化的熱軋酸洗板，其抗拉強度在440 MPa以上[1]。由于熱軋酸洗板SAPH440具有良好的冷成形性能、焊接性能、擴孔翻邊性能和較高的耐疲勞性能等[2]，因此廣泛應(yīng)用于車輪底盤、離合器等高強度部件[3]。

1 翻邊開裂問題描述

某汽車零件采用材質(zhì)為熱軋酸洗板SAPH440，其厚度為2.0 mm時出現(xiàn)翻邊開裂現(xiàn)象，如圖1所示，對翻邊開裂的零件進行成分分析，如表1所示。該零件的成形工藝為落料—翻邊兩個工序。因此落料后零件的邊緣質(zhì)量和材料的翻邊擴孔性能對零件成形起著決定性的作用[4]。

圖1 零件翻邊開裂

表1 翻邊開裂零件的化學(xué)成分

2 翻邊開裂性能改善

對翻邊開裂零件進行組織分析，如圖2所示，從組織照片可以看出，材料偏析非常嚴重，導(dǎo)致帶狀組織極其明顯。帶狀組織的存在使材料的成分不均勻，導(dǎo)致材料的各向異性的形成，且沿帶狀組織方向，材料的塑性、韌性和斷面收縮性均會降低[5]。落料后一旦在剪切邊緣在帶狀組織附近，剪切邊緣的微裂紋即沿著帶狀組織擴展開來，從而造成材料的翻邊開裂性能降低，成形時出現(xiàn)翻邊開裂的現(xiàn)象。

圖2 翻邊開裂零件的組織

為改善材料的帶狀組織，對材料成分進行了一定的優(yōu)化，優(yōu)化方案如表2所示。優(yōu)化后的成分中適當降低了Si的含量、增加了Mn的含量，原因為：Si能夠溶解于鐵素體和奧氏體中，提高材料的強度和硬度，但是Si容易造成偏析，從而形成帶狀組織，使得橫向性能低于縱向性能[6]；而Mn和Fe形成固溶體，提高材料中鐵素體的硬度和強度，同時又是碳化物的形成元素，進去滲碳體中取代一部分Fe原子[7]，同時Mn在材料中降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，起到細化珠光體的作用。

表2 優(yōu)化后的材料的化學(xué)成分

優(yōu)化后的材料組織如圖3所示，從圖3可以看出，優(yōu)化后材料的帶狀組織明顯改善，已經(jīng)不存在明顯的帶狀和偏析的情況，且晶粒比原始晶粒細小。優(yōu)化前、后的材料性能參數(shù)如表3所示，優(yōu)化后的材料的屈服強度由336 MPa提高到362 MPa，抗拉強度由444 MPa提高到476 MPa，伸長率略有降低，但擴孔性能由70.3%提高到110.5%，提高了57.1%。由此可見，優(yōu)化后的材料性能有了明顯的提升。

圖3 優(yōu)化后的組織

表3 優(yōu)化前、后的材料性能對比

優(yōu)化前、后的材料的剪切邊緣如圖4和圖5所示，從材料沖裁后邊部的斷面形貌來看，熱軋酸洗板SAPH440的沖裁面分別塌角帶、斷裂帶和光亮帶3個部分[8]，對于熱軋酸洗板SAPH440，其材料的斷裂帶很長，光亮帶非常窄，2.9 mm厚的原板，優(yōu)化前的光亮帶寬度為0.54 mm，占總厚度的18.6%，優(yōu)化后光亮帶的寬度為0.84 mm，占總厚度的29%。由此可見，優(yōu)化后的材料光亮帶明顯增加，材料的擴孔翻邊性能均有明顯增大。

圖4 優(yōu)化前的剪切邊緣質(zhì)量

圖5 優(yōu)化后的剪切邊緣質(zhì)量

3 仿真驗證

為了提前預(yù)測優(yōu)化后的材料是否滿足該零件的成形性能要求，現(xiàn)用3D激光掃描儀對成形后的零件進行掃描，然后利用Catia建模軟件逆向得到零件的數(shù)學(xué)模型。

將上述零件數(shù)模導(dǎo)入仿真軟件，仿真時采用隨動硬化Ludwick模型，屈服模型采用Hill模型[9]，材料的屈服強度、抗拉強度等參數(shù)設(shè)置參照表3，材料厚度為2.9 mm，設(shè)置單元類型為殼單元，厚向積分點為5個[10]，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15，網(wǎng)格采用自適應(yīng)方法進行求解。在材料模型中引入了材料翻邊擴孔安全性的判定準則，Edge Crack值大于1，表示邊緣開裂；Edge Crack值小于1，表示邊緣未出現(xiàn)開裂；越接近于1，表示邊緣開裂風險越大[11，12]。優(yōu)化前材料的計算結(jié)果如圖6所示，材料的Edge Crack值為1.146，大于1，因此成形時出現(xiàn)翻邊開裂的情況，這與實際情況相符。采用優(yōu)化后的材料性能進行成形計算時，計算結(jié)果如圖7所示，翻邊開裂的Edge Crack值降低到0.781，完全滿足零件的成形性要求，且安全系數(shù)很大，因此可以用優(yōu)化后的材料進行試制。

圖6 優(yōu)化前材料的仿真結(jié)果

圖7 優(yōu)化后材料的仿真結(jié)果

4 零件試制

利用優(yōu)化后的材料進行第2次試制時，翻邊成形位置處沒有出現(xiàn)開裂的情況，如圖8所示，零件符合產(chǎn)品的要求。

圖8 試制后的零件

5 結(jié)論

（1）通過仿真和實際驗證，適當提高Mn含量、降低Si含量，可以有效地消除帶狀組織分布，同時提高了材料的擴孔率。

（2）優(yōu)化后的材料的剪切邊緣質(zhì)量有所改善，光亮帶的寬度由0.54 mm增加到0.84 mm，進行2次試模時，材料能夠滿足零件成形方面的要求。

（3）具有落料—翻邊成形的工藝，要注意板料正反面的放置位置，剪切邊緣的光亮帶要放置在零件圓角的外弧側(cè)。