高亮慶 劉勝 路洪洲 鄭遠(yuǎn)寶 李少兵 趙江濤

（1.東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，武漢 430056；2.中信金屬股份有限公司，北京 100027；3.寶鋼股份中央研究院，武漢 430080）

1 前言

車(chē)架是載貨汽車(chē)的骨架，車(chē)架質(zhì)量占整個(gè)卡車(chē)的10%左右，是重要的輕量化對(duì)象。采用“單層縱梁+局部加強(qiáng)”代替“雙層大梁”是常用的車(chē)架輕量化方案，此時(shí)因?yàn)樵O(shè)計(jì)應(yīng)力水平的提高或局部剛度的降低，高強(qiáng)度化是必要的應(yīng)對(duì)手段，700 MPa 級(jí)大梁板代替590 MPa 級(jí)大梁板成為必然趨勢(shì)。已有的研究中，常常把高強(qiáng)度大梁板拉伸斷口分層、成形開(kāi)裂問(wèn)題歸因于材料純凈度、微米級(jí)碳化物或氮化物、帶狀組織等材料冶金質(zhì)量因素，本文試驗(yàn)研究了700 MPa 級(jí)大梁板沖孔分層問(wèn)題。

2 車(chē)架縱梁沖裁孔開(kāi)裂現(xiàn)象與沖孔分層

在某型采用700 MPa 級(jí)熱軋高強(qiáng)鋼大梁車(chē)架的彎扭復(fù)合加載臺(tái)架試驗(yàn)中，偶有穿過(guò)鉚釘孔的開(kāi)裂情況（圖1）出現(xiàn)，導(dǎo)致臺(tái)架壽命不能滿足可靠性、耐久性要求。進(jìn)一步分析表明，裂紋起源于鉚釘孔內(nèi)壁沖裁分層形成的舌狀區(qū)域（圖2）。

圖1 車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn)中裂紋穿過(guò)鉚釘孔

圖2 疲勞源位于沖裁孔表層分層裂紋

舌狀區(qū)域優(yōu)先于沖孔毛刺側(cè)開(kāi)裂，降低了沖裁孔的疲勞強(qiáng)度。

從圖1 縱梁上截取縱向拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料的拉伸和冷彎性能良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（表1）。

表1 縱梁用鋼板拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)查生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在初始相對(duì)間隙（間隙與板厚的比值）為10%時(shí)，厚度為8 mm 的700L鋼板90% 以上的沖裁孔有分層（圖3b）或掉塊（圖3a）現(xiàn)象，而厚度為8 mm 的510L、590L 鋼板的沖裁孔表面完整，無(wú)分層、掉塊情況出現(xiàn)。

圖3 8 mm厚700L鋼板掉塊、沖孔分層現(xiàn)象

截取包括沖裁孔的矩形疲勞試樣進(jìn)行軸向拉壓疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋起源于撕裂帶的分層、掉塊處或粗糙表面上（圖3b），與車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn)鉚釘孔疲勞開(kāi)裂模式相同。與鉸制孔疲勞試樣相比，沖裁孔試樣的疲勞強(qiáng)度低56%，存在分層掉塊現(xiàn)象的沖裁孔的疲勞強(qiáng)度更低。

3 導(dǎo)致沖裁孔分層的材料因素和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

3.1 微觀組織均勻性與分層裂紋的關(guān)系

截取圖1 中開(kāi)裂鉚釘孔及其周邊7 個(gè)沖裁孔的軸向截面進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)分層情況不同程度地普遍存在。分層裂紋截面典型形貌如圖4a 所示，分層裂紋位于靠近剪切帶一側(cè)的撕裂帶開(kāi)始部位，撕裂帶主裂紋在剪切帶末端起源，擴(kuò)展至第一條分層裂紋后中止，后續(xù)斷口呈鋸齒狀，表現(xiàn)出已經(jīng)分層的纖維束各自斷裂后相互連接、形成撕裂帶的過(guò)程。

圖4 沖裁孔分層、掉塊形貌與存在的區(qū)域

硝酸酒精腐蝕后觀察，發(fā)現(xiàn)有些分層裂紋如文獻(xiàn)[1]所述，沿珠光體條帶擴(kuò)展（圖4b），有些裂紋沿形變流線形成，但其周?chē)捌溲由炀€上并無(wú)珠光體條帶（圖4c），高倍組織為鐵素體基體上分布著少量的點(diǎn)狀析出物或珠光體（圖4d）。

對(duì)圖4a 所示分層、掉塊區(qū)域進(jìn)一步放大倍率觀察，發(fā)現(xiàn)在分層裂紋的末端延長(zhǎng)線上（圖5a）或裂紋側(cè)面臨近區(qū)域（圖5b）存在斷續(xù)分布的微裂紋，且呈即將相互連接趨勢(shì)。硝酸酒精侵蝕后，圖5a 微裂紋的形貌如圖6a 所示，纖維組織斷裂后形成裂紋，裂紋繼續(xù)沿纖維組織方向擴(kuò)展；在裂紋的末端（圖6b），可見(jiàn)點(diǎn)狀珠光體形成孔洞及其對(duì)裂紋擴(kuò)展的導(dǎo)引作用。

圖5 分層裂紋末端和側(cè)壁的微裂紋和孔洞

圖6 纖維組織斷裂形成的微裂紋及其擴(kuò)展方向

在另一組組織為鐵素體和點(diǎn)狀均勻分布的珠光體（圖7a）的700 MPa 級(jí)大梁板的沖裁孔軸向截面上，同樣觀察到了點(diǎn)狀珠光體（←）和液析氮化鈦（→）形成孔洞并進(jìn)一步擴(kuò)展為微裂紋的現(xiàn)象（圖7b）。在該組試樣截面上觀察到，分層在剪切帶末端已經(jīng)形成了，但此時(shí)分層裂紋平行于纖維方向和孔表面，有些分層裂紋并未在撕裂帶上露頭。

圖7 700 MPa 級(jí)大梁板基體組織與剪切帶次表層的纖維組織分層情況

采用掃描電鏡觀察撕裂帶分層掉塊斷口（圖4a）的微觀形貌（圖8），發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域斷口雖然都為韌窩斷口，斷口上均未見(jiàn)大量的夾雜物，但存在較大區(qū)別，反應(yīng)了斷口形成時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。圖4a的Ⅰ號(hào)箭頭所指為正常的撕裂帶斷口，表現(xiàn)為剪應(yīng)力-正應(yīng)力韌窩；Ⅱ號(hào)箭頭所指為分層斷口，表現(xiàn)為扁平的剪應(yīng)力韌窩；Ⅲ好箭頭為纖維拉斷斷口，表現(xiàn)為正應(yīng)力韌窩。

圖8 分層、掉塊斷口微觀形貌

綜上，對(duì)高強(qiáng)鋼沖裁孔分層、掉塊產(chǎn)生的原因，做如下分析。

沖裁工藝中，在剪切帶形成的過(guò)程中，在以凸、凹模刃口連線為軸線的橢圓形區(qū)域，存在劇烈的剪切變形，由于變形的累積，在剪切帶末端和撕裂帶開(kāi)始段變形最為嚴(yán)重，導(dǎo)致了組織的纖維化。顯然，在剪切帶（主剪切裂紋）末端，不僅僅在剪切帶上，剪切帶兩側(cè)同樣出現(xiàn)了次生剪切裂紋（圖7b），嚴(yán)重纖維化組織平行于纖維方向的剪切開(kāi)裂。纖維化組織中的珠光體條帶、點(diǎn)狀均勻分布的珠光體、液析氮化鈦或粗大的碳氮化物的存在，均將導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，對(duì)纖維組織分層、斷裂有明顯的促進(jìn)作用。但從圖4c 看出，即便組織中不存在上述珠光體、碳化物，纖維組織自己的斷裂或纖維束之間的分離依然會(huì)導(dǎo)致纖維組織的分層。

3.2 組織纖維化與斷裂競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

剪切帶和撕裂帶裂紋是正間隙沖裁工藝追求的結(jié)果，撕裂帶分層裂紋是同一工藝條件下的意外結(jié)果。進(jìn)一步分析這3 種裂紋產(chǎn)生的機(jī)制和順序是改善正間隙沖裁工藝質(zhì)量的必要措施。

正間隙沖裁工藝中，同時(shí)存在2 個(gè)平行發(fā)展的開(kāi)裂過(guò)程。其一是沖裁孔的形成過(guò)程中，彈性變形、塑性變形形成塌角和剪切帶后，裂紋在凹模刃口和凸模刃口形成和裂紋快速擴(kuò)展、連接形成撕裂帶的過(guò)程；其二是在塌角和剪切帶形成的同時(shí)，劇烈的塑性變形導(dǎo)致鋼板組織的高度纖維化以后，纖維組織縱向開(kāi)裂、橫向斷裂形成分層和掉塊的過(guò)程。

纖維組織的分層和斷裂與撕裂帶主裂紋的形成和擴(kuò)展構(gòu)成了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

a.如果在撕裂帶主裂紋形成、擴(kuò)展之前，纖維組織沒(méi)有分層，或者分層裂紋還未擴(kuò)展至撕裂帶主裂紋擴(kuò)展途徑上，則沖裁孔表面完整、平整。

b.如果在撕裂帶主裂紋形成、擴(kuò)展之前，纖維組織已經(jīng)分層，沖裁孔則出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖4a、圖9a 所示，此時(shí)，如果分層纖維沒(méi)有斷裂，凸模刃口起源的裂紋會(huì)截?cái)嘁呀?jīng)分層的纖維組織繼續(xù)擴(kuò)展，凹模刃口起源的裂紋擴(kuò)展至分層裂紋時(shí)，將會(huì)接續(xù)分層裂紋擴(kuò)展，分層裂紋加深；如果分層纖維已經(jīng)斷裂，且斷裂部位位于主裂紋的擴(kuò)展路徑上，則纖維的斷口將成為撕裂帶的一部分，呈鋸齒狀斷口，也可以理解為撕裂帶主裂紋以纖維斷裂的方式擴(kuò)展。

c.凸模刃口和凹模刃口處的主裂紋也可能通過(guò)纖維斷裂起源，并繼續(xù)擴(kuò)展成主裂紋（圖9b），裂紋擴(kuò)展也可能繼續(xù)以纖維斷裂方式進(jìn)行，此時(shí)臨近剪切帶的撕裂帶起始部位呈鋸齒狀，粗糙度增加，但沒(méi)有分層現(xiàn)象。

圖9 撕裂帶分層斷口和鋸齒狀斷口

3.3 材料強(qiáng)度、塑性的影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基體組織同樣為“鐵素體+珠光體”、Ti、Nb 微合金化的510 MPa 級(jí)、590 MPa 級(jí)厚度為8 mm 的熱軋低合金高強(qiáng)鋼縱梁，在同一生產(chǎn)線、同一生產(chǎn)條件下沖孔，沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的分層、掉塊情況。

厚度為8 mm 的510L、590L 熱軋高強(qiáng)鋼典型組織如圖10 所示，對(duì)比圖4d 和圖7a，二者組織中珠光體含量和珠光體帶狀組織級(jí)別均比700L 鋼板的高，組織均勻性更差；另一方面，厚度為8 mm 的510L 鋼板、590L 鋼板橫向拉伸試驗(yàn)延伸率典型值分別為30%、26%，遠(yuǎn)高于厚度為8 mm 的700L 鋼板的18%?？梢?jiàn)，相對(duì)于珠光體含量和分布均勻性，強(qiáng)度和塑性對(duì)沖孔分層的影響更大，塑性好，纖維組織不易開(kāi)裂；強(qiáng)度低，撕裂帶主裂紋提前發(fā)生，阻止了纖維組織的分層和斷裂。

圖10 510 MPa級(jí)和590 MPa級(jí)熱軋大梁板典型組織

另一方面，對(duì)于700L 鋼板，即使采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)=0.06%、w(Mn)=1.5%、w(Nb)=0.045%、w(Ti)=0.1%和w(Al)=0.04%，并通過(guò)熱機(jī)械扎制工藝（Thermo Mechanical Control Process，TMCP）獲得更大的析出強(qiáng)化效應(yīng)和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，最大限度減小珠光體含量，獲得近100%的鐵素體基體組織（圖4d），仍然沒(méi)能阻止圖8b 所示的分層斷口的產(chǎn)生。

近似單一鐵素體組織的700L 鋼板分層斷口產(chǎn)生的機(jī)制是在塑性變形階段末期，劇烈的剪切變形導(dǎo)致劇烈的形變強(qiáng)化和晶粒扁平化，扁平晶粒厚度太薄，無(wú)法繼續(xù)剪應(yīng)變，而在更大剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切開(kāi)裂。

綜上，700L 鋼板沖孔分層的根本原因在于其塑性較低。

4 沖孔間隙和刃口半徑對(duì)沖裁孔分層、掉塊傾向的影響

以上試驗(yàn)分析表明，“劇烈的剪切變形導(dǎo)致組織纖維化、晶粒扁平化導(dǎo)致剪切開(kāi)裂”是高強(qiáng)鋼沖孔分層的正常過(guò)程，因?yàn)槠渌苄杂邢?，即使高?qiáng)鋼組織高度均勻，沒(méi)有珠光體和帶狀組織，只要沖孔過(guò)程形成的剪切帶足夠高，剪切變形足夠大，仍然有發(fā)生纖維組織沿纖維方向剪切斷裂而分層的可能性。

因?yàn)殡y以將700L 鋼板的延伸率從最高20%提高到590L 鋼板的26%水平，單從材料均勻性和純凈度上采取措施難以杜絕高強(qiáng)鋼分層裂紋的產(chǎn)生。

圖11 是在8%初始間隙、刃口半徑r=0.1 mm 時(shí)的沖孔過(guò)程CAE 結(jié)果，可見(jiàn)沖孔完成后，最大等效應(yīng)變區(qū)域（圖11a）位于剪切帶末端和撕裂帶開(kāi)始段，凹模刃口裂紋起源時(shí)，最大等效應(yīng)力分布區(qū)域（圖11b）近似以凸模刃口和凹模刃口連線為長(zhǎng)軸的橢球型區(qū)域，最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力疊加的區(qū)域正是分層或鋸齒狀斷口產(chǎn)生的區(qū)域。

圖11 厚度8 mm的700 L沖孔CAE結(jié)果

在塑性變形末期，該區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)如圖12所示。由于周向變形受到限制，周向應(yīng)變?yōu)?，處于平面應(yīng)變狀態(tài)，不利于塑性變形。在正間隙沖裁時(shí)，該區(qū)域的應(yīng)力球張量為正值σm，如公式（1）所示，間隙越大，垂直于纖維方向的正應(yīng)力分量σ1越大，應(yīng)力球張量越大，同時(shí)降低該部位材料塑性[2]，并促進(jìn)纖維分層。另一方面，增加沖孔間隙是減小剪切帶的有效手段，能減小塑性變形量、減小纖維化程度，對(duì)減小分層傾向有利。

圖12 沖裁變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

式中，σm為應(yīng)力球張量；σ1為徑向正應(yīng)力；σ2為軸向正應(yīng)力。

相反，減小沖孔間隙，將降低危險(xiǎn)部位拉應(yīng)力球張量，改善材料塑性，能夠減小垂直于纖維方向的正應(yīng)力分量，抑制材料分層；但是減小沖孔間隙將導(dǎo)致剪切帶的明顯增加，增加塑性變形量以及組織纖維化程度，增加分層、斷裂的趨勢(shì)。綜上，增加或減小沖裁間隙均可能導(dǎo)致分層加劇或減輕，需要通過(guò)試驗(yàn)確定真實(shí)的結(jié)果。

同樣，增加凸模刃口圓角半徑（刃口磨損）將增加剪切帶長(zhǎng)度，從而增加塑性變形量和組織纖維化的程度，強(qiáng)化組織分層傾向，因此也把凸模圓角半徑擬定為試驗(yàn)變量。沖裁速度由沖孔機(jī)床參數(shù)決定，生產(chǎn)上難以調(diào)整，因此設(shè)為常量，暫不考察其影響。

現(xiàn)生產(chǎn)沖孔的初始相對(duì)間隙為8%，模具刃口圓角半徑為0.1 mm，在此基礎(chǔ)上增加或減小沖孔間隙，調(diào)整刃口半徑（刃口半徑為0.279 mm 是生產(chǎn)中因過(guò)度磨損、接近報(bào)廢的沖頭），形成表2 所示的試驗(yàn)方案，采用圖1 所示車(chē)架同批次厚度為8 mm的700L 進(jìn)行了沖孔對(duì)比試驗(yàn)。

表2 沖孔試驗(yàn)方案 mm

圖13 展示不同工藝條件下的沖裁孔360°表面形貌。沖裁相對(duì)間隙為11.75%，凸模刃口半徑為0.081 mm 時(shí)，孔的單側(cè)分層；沖裁相對(duì)間隙為12.44%，凸模刃口半徑為0.279 mm 時(shí)，孔的單側(cè)分層；沖孔相對(duì)間隙為5.69%、6.38%時(shí)，無(wú)論凸模刃口半徑大小，孔表面均無(wú)分層，但圓角半徑較大時(shí)，剪切帶與撕裂帶界限不再平直。沖孔相對(duì)間隙為5.69%、6.38%時(shí)，僅僅沖裁了26個(gè)孔，沖頭側(cè)面就已經(jīng)嚴(yán)重拉毛（圖14）。

圖13 不同工藝條件下沖裁孔360°展示

圖14 小間隙沖裁26孔后沖頭

試驗(yàn)表明，減小沖孔間隙和刃口半徑，可以有效防止沖孔分層，其中沖孔間隙的影響更大，占主導(dǎo)地位。這說(shuō)明，改善應(yīng)力狀態(tài)和材料塑性、減小垂直于纖維方向的應(yīng)力水平，對(duì)降低纖維分層和斷裂有利。但減小沖孔相對(duì)間隙到5.69%～6.38%時(shí)，凸模壽命大幅縮短。于是，形成了TRIZ 理論的“物理矛盾”，沖孔間隙既要大、又要小。

5 預(yù)應(yīng)力沖孔工藝[3]

綜上，在常用的初始相對(duì)間隙（8%～12.44%）和刃口半徑下，即使保證材料純凈度、均勻性，厚度為8 mm 的700L 鋼板仍然不能防止沖孔分層和鋸齒狀撕裂帶的發(fā)生；而減小沖裁相對(duì)間隙至6.38%～5.69%，雖然能夠防止分層和鋸齒狀撕裂帶的發(fā)生，但卻大幅降低沖頭壽命。

5.1 預(yù)應(yīng)力沖孔工藝和模具設(shè)計(jì)構(gòu)想

為了實(shí)現(xiàn)“沖裁間隙既要大又要小”，采用TRIZ 理論的“位置分離、時(shí)間分離”原則，構(gòu)思了“預(yù)應(yīng)力沖孔工藝和模具（圖15）”，即凸模頭部由直徑不同的2 節(jié)回轉(zhuǎn)體組成，形成臺(tái)階狀；凹模形狀不變。其工藝條件和工作原理如下。

圖15 預(yù)應(yīng)力沖孔沖頭與沖豆

a.凸模頭部第1 節(jié)與凹模形成20%以上的大相對(duì)間隙，第2 節(jié)與凹模形成7%以下小相對(duì)間隙；

b.凸模第1 節(jié)高度有限，先與鋼板接觸，壓入鋼板形成凹坑，但不形成撕裂帶，在凹坑周?chē)纬蓧簯?yīng)力、在凹模側(cè)形成較大張應(yīng)力后，第2 節(jié)壓入鋼板開(kāi)始其沖裁過(guò)程；凹坑周?chē)膲簯?yīng)力區(qū)覆蓋第2 節(jié)形成的沖裁邊的剪切帶和撕裂帶的起始部分，降低這些區(qū)域的拉應(yīng)力球張量水平，改善該區(qū)域塑性，減小分層傾向；

c.由于凸模第1 節(jié)的大間隙提前壓入，在鋼板上形成較大彎矩，即使第2 節(jié)沖裁間隙很小，仍然可以導(dǎo)致凹模刃口裂紋早期產(chǎn)生，并快速擴(kuò)展至凸模刃口附近，從而減小沖裁孔剪切帶寬度，以達(dá)到控制塑性變形量和纖維化程度，減小分層傾向；

d.因?yàn)橥鼓５?、第2 節(jié)形成的剪切帶寬度均得到控制，并且并不同時(shí)產(chǎn)生，不會(huì)導(dǎo)致沖裁力的大幅提高，不會(huì)導(dǎo)致凸模刃口與鋼板間的擠壓和摩擦增加，從而保證了模具壽命；

e.凸模第2 節(jié)與凹模形成的間隙很小，大幅降低撕裂帶垂直于纖維方向主應(yīng)力和球面應(yīng)力水平，防止纖維組織分層。

5.2 預(yù)應(yīng)力沖孔工藝試驗(yàn)

采用圖16 所示的雙臺(tái)階沖頭，配合現(xiàn)生產(chǎn)凹模，在縱梁數(shù)控三面沖機(jī)床上進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力沖孔試驗(yàn)：第1 級(jí)臺(tái)階高度2 mm，沖孔相對(duì)間隙25%，第2 級(jí)臺(tái)階沖孔相對(duì)間隙6.25%，刃口半徑0.1 mm，在厚度為8 mm 的700L 熱軋大梁板上，沖制名義直徑Φ15 mm 的孔。

對(duì)所沖制孔360°環(huán)視（圖16a）未見(jiàn)分層、掉塊現(xiàn)象，剪切帶表面光滑、撕裂帶表面平整；在沿軸向的截面上磨制金相進(jìn)行纖維觀察，在剪切帶末端和撕裂帶起始段，同樣未見(jiàn)分層和鋸齒狀斷口（圖16b）。

圖16 預(yù)應(yīng)力沖孔宏觀和微觀形貌

連續(xù)進(jìn)行160 件支縱梁的沖孔作業(yè)，沖制6 720個(gè)孔后，拆解沖頭觀察，刃口側(cè)面磨損正常，未見(jiàn)拉毛現(xiàn)象，可以繼續(xù)使用。

6 結(jié)論

a.相對(duì)于510L 和590L 鋼板，700L 鋼板的強(qiáng)度顯著增加和塑性顯著降低，是導(dǎo)致正常初始間隙下沖孔分層的主要原因；盡管700L 鋼板中的珠光體含量大幅降低、組織均勻性大幅改善，仍然表現(xiàn)出比510L、590L 鋼板更強(qiáng)的沖孔分層傾向；

b.剪切帶形成中，劇烈的塑性變形導(dǎo)致組織嚴(yán)重的纖維化，是分層的前提條件；正間隙沖孔工藝，在剪切帶末端和撕裂帶上形成的垂直于纖維組織的正應(yīng)力和拉應(yīng)力球張量，對(duì)材料塑性有重大影響，是導(dǎo)致纖維組織分層的決定性因素；

c.預(yù)應(yīng)力沖孔解決了“沖孔間隙既要大、又要小”的物理矛盾，既防止了沖孔分層和撕裂帶鋸齒狀斷口，又保證了沖頭壽命。