摘 要:某 QSTE500TM 鋼零件在沖壓過程中發(fā)生折彎開裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析等方法對零件的開裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:零件中的硫元素和 錳元素含量較高,以及錳元素的偏析是鋼中產(chǎn)生帶狀組織的主要原因;帶狀組織中分布著非金屬夾 雜物,夾雜物與基體界面的結(jié)合力弱,使零件在變形時產(chǎn)生裂紋;試樣中的硫化錳使零件形成了多 個小裂紋源,在沖壓變形時造成零件折彎開裂。

關(guān)鍵詞:QSTE500TM 鋼;非金屬夾雜物;沖壓變形;折彎開裂

中圖分類號:TB31;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0047-04

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對板材的需求不斷提高。在高 端汽車行業(yè),高強(qiáng)度、高性能的熱軋酸洗板得到廣泛 應(yīng)用。熱軋酸洗板的表面質(zhì)量接近于冷軋板,同時又 具有熱軋板的力學(xué)性能,強(qiáng)度高、沖壓成形性能好,主 要用于汽車底盤、座椅滑軌等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件[1-3]。

QSTE500TM 鋼是一種冷成型熱軋酸洗汽車 結(jié)構(gòu)鋼材料,是汽車業(yè)需要的新鋼種,具有較好的表 面質(zhì)量、厚度公差和加工性能,可用于車身覆蓋件及 冷軋板生產(chǎn)的汽車零部件,原材料成本可降低約 10%。某 QSTE500TM 鋼零件在沖壓過程中出現(xiàn) 折彎開裂,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相 檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對零件的開裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

零件的開裂位置相對固定,在折彎后單側(cè)或兩 側(cè)出現(xiàn)不同程度的開裂。折彎開裂零件的宏觀形貌 如圖1所示,折彎處 4 個角的外弧均發(fā)生開裂。 1# ,2# 位置的開裂較大,3# ,4# 位置出現(xiàn)輕微開裂。

1.2 化學(xué)成分分析

QSTE500TM 鋼的強(qiáng)度是通過在低碳鋼的基 礎(chǔ)上添加微合金元素,并結(jié)合控軋控冷工藝來保證 的。碳元素用于形成強(qiáng)化相,以保證鋼的強(qiáng)度和良 好的冷成型性能。碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要控制在 0.09%以下;硅元素和錳元素具有固溶強(qiáng)化作用,可 以提高板材的強(qiáng)度和延伸率;磷元素和硫元素是雜 質(zhì)元素,含量越少越好;適量的鈮元素和鈦元素可細(xì) 化晶粒。

在開裂零件上截取試樣,采用 QSN750-Ⅱ型直 讀光譜儀對開裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,同時截取 其他廠家生產(chǎn)的同牌號材料試樣,并進(jìn)行化學(xué)成分 分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:兩個試樣只有 硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大異常,其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 相差不大。兩個試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果均符合標(biāo) 準(zhǔn)要求。

1.3 力學(xué)性能測試

采用 ZWICKZ600型雙立柱萬能材料試驗 機(jī)對上述兩個試樣分別進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果 如表2所示。開裂試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和 斷后伸長率均符合 GB/T228.1—2010 《金屬材 料 拉伸試驗 第一部分:室溫試驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)要 求。與其他廠家生產(chǎn)的同牌號材料相比,力學(xué)性 能無明顯差異。

1.4 擴(kuò)孔試驗

在板材成形過程中,翻邊成形工藝是一種常見 的成形工藝,這種工藝具有增加成形件的剛性,連接 焊接搭頭和延長管頸深度的作用。擴(kuò)孔試驗是一種 模擬試驗,能直接表征在汽車專用板材上擴(kuò)孔時,孔 邊的翻邊成形能力[4]。

按照 GB/T15825.4—2008 《金屬薄板成形性 能與試驗方法 第 4 部分:擴(kuò)孔試驗》規(guī)定,采用 HET505型擴(kuò)孔試驗機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗,結(jié)果如表3 所示,發(fā)現(xiàn)開裂零件材料的擴(kuò)孔率比其他廠家同牌 號材料低40%。

1.5 斷口分析

利用SEM 對開裂零件1# ,2# 位置的斷口進(jìn)行 觀察,結(jié)果如圖2,3所示。1# ,2# 位置斷口均存在大 量韌窩,屬于韌性斷裂,韌窩大小較均勻。同時斷口 處分布較多的暗色溝槽,這些溝槽的寬度、長度均不 同,溝槽底部均較平滑,且在大部分溝槽底部存在非 金屬夾雜物。這些非金屬夾雜物尺寸不等、形狀各 異,且呈條帶狀分布在溝槽底部。對斷口處存在的夾 雜物進(jìn)行能譜分析,確定為硫化物夾雜(見圖4)。對 裂紋橫截面進(jìn)行磨拋、腐蝕后,其微觀形貌如圖5~6 所示。可見橫截面上存在裂紋,在裂紋處殘存著灰色 夾雜物,對夾雜物進(jìn)行能譜分析,確定為 MnS夾雜。

1.6 金相檢驗

對開裂零件和其他廠家同牌號材料進(jìn)行取樣, 采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進(jìn)行腐 蝕,利用 MA1001型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的橫截面 和表面,結(jié)果如圖7~8所示。由圖7~8可知:兩個 試樣的顯微組織均由大量鐵素體和極少量珠光體組 成,珠光體主要分布在鐵素體晶界上。根據(jù) GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》對鐵素體 晶粒度進(jìn)行評定,平均晶粒度分別為12.5,13.5級。開裂試樣橫截面上的帶狀組織級別為1.0級,其他 廠家試樣帶狀組織級別為0.5級,但是由于帶狀組 織級別較低,不足以影響試樣的使用性能。

2 綜合分析

從化學(xué)成分上看,開裂試樣主要通過添加鈮元 素和鈦元素來進(jìn)行強(qiáng)化,其他廠家同牌號材料試樣 是通過添加鈮元素進(jìn)行強(qiáng)化。

兩個試樣的鈮元素含量有差異,但鐵素體晶粒 度無明顯差異,這主要是因為開裂試樣仍含有質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.038%的鈮元素,細(xì)晶強(qiáng)化效果仍比較明 顯,同時 QSTE500TM 鋼板采用的是低溫軋制及軋后快冷工藝,能有效促進(jìn)鐵素體形核,并抑制相變之 后鐵素體晶粒長大,彌補(bǔ)鈮元素含量降低對細(xì)晶強(qiáng) 化的不利影響。

對零件沖壓開裂處進(jìn)行分析,在開裂斷口部位 的較大溝槽里發(fā)現(xiàn) MnS夾雜物。實際開裂零件中 硫元素含量顯著大于其他廠家材料。開裂試樣中的 錳元素含量較高,錳元素的偏析是鋼中產(chǎn)生帶狀組 織的主要原因。帶狀組織中分布著 MnS等非金屬 夾雜物,夾雜物與基體界面的結(jié)合力弱,易在變形時 產(chǎn)生裂紋。

3 結(jié)語

(1)該批次 QSTE500TM 鋼材料的硫元素含 量明顯較高,存在大量的 MnS夾雜物,易形成多個 小裂紋源,在沖壓變形時造成零件開裂。應(yīng)在煉鋼 過程中控制好硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)建議對折彎類產(chǎn)品采用兩段冷卻方式,得 到鐵素體+貝氏體組織,有利于提高材料的折彎性 能。在設(shè)計時,要針對成品特點制定合理的材料成 分和制造工藝。

(3)綜合利用多種試驗方法對產(chǎn)品開裂原因進(jìn) 行分析,并確定了開裂原因,為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了 有力的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn):

[1] 李文遠(yuǎn),郭子峰,惠亞軍,等.錳、鈮含量對熱軋酸洗 QSTE500TM 鋼板組織和性能的影響[J].機(jī)械工程 材料,2017,41(12):80-84.

[2] 于洋,王暢,郭子峰,等.熱軋酸洗板表面斑狀色差產(chǎn) 生機(jī)理及控制措施[J].軋鋼,2015,32(2):22-26.

[3] 郭子峰,馮軍,白永立,等.首鋼汽車結(jié)構(gòu)用熱軋酸洗 帶鋼SAPH440的開發(fā)[J].鍛壓技術(shù),2015,40(2): 60-64.

[4] 劉桂江,程麗杰,谷強(qiáng),等.對非金屬夾雜物檢驗標(biāo)準(zhǔn) GB/T10561—2005的探討[J].理化檢驗(物理分 冊),2021,57(1):15-18.

<文章來源> 材料與測試網(wǎng)> 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:47-50)>