800 MPa级别DP钢冲裂失效机理分析

供稿|胡洋，杨天一，海超 / HU Yang, YANG Tian-yi, HAI Chao

内容导读

文章通过对800 MPa级别的DP钢冲裂零件进行网格分析，依据冲压时受力状态及应变情况，确定模具状态及定位尺寸对冲压过程的影响。分析结果表明：由于模具润滑条件及定位尺寸不精确，导致零件的变形部位产生应力集中，突破了成形极限导致零件破裂。另外，通过对裂纹扩展处进行扫描电镜分析，确定了导致失效产生裂纹的机理：800 MPa级别的DP钢裂纹的扩展一般都沿着马氏体和铁素体相的界面，正常级别的夹杂物并不是裂纹的扩展的主要原因。

随着保护环境和节约能源越来越受关注，消费市场激励汽车制造商使用轻质材料，而且要求这种材料具有一个更高的抗拉强度和更好的延展性。这样可以通过减少汽车的重量从而减少燃料消耗以及二氧化碳排放量。采用先进的高强钢板，特别是兼顾良好碰撞吸能和成形性能的双相钢，在保证车身安全性能的同时，能够显著降低车身重量[1-2]。因此在车身骨架件的A柱加强板、B柱加强板和纵梁等零件上得到广泛应用。在欧洲“超轻钢车体——先进车概念”项目所设计的车身结构中，抗拉强度为1000 MPa的双相钢约占汽车车身重量的29%～30%[3]。

国内市场的DP钢用量也非常大，800 MPa级别DP钢属于可以成形加工的较高级别钢种。但是DP钢在客户使用的过程中出现了冲裂的情况。本文通过对冲压过程的网格分析，确定了工件的受力过程，解决了模具使用不当导致的工件冲压开裂问题。同时，对冲裂部位进行扫描电镜分析，剖析了DP钢的断裂机理。

开裂宏观形貌

实验使用的800 MPa级别DP钢冲压结构件形貌见图1。从图1可以看出冲压零件为对称形状。从零件表面摩擦痕迹状态及裂口大小可以看出，材料冲压过程中左右流动状态不一致，零件摩擦痕迹明显的材料流动较好侧表现为不开裂或细小隐裂，而另一侧则开裂明显。裂纹出现在零件弯曲最大处，且并非对称分布。

网格分析

图1 DP钢冲压结构件的宏观形貌

对零件进行冲压网格分析：采用电化学腐蚀的方法在坯料上印制网格，冲压成形后，从部件表面上看，零件存在严重的破裂缺陷。为研究零件破裂原因，将零件成形后应变分布云图与冲压材料实验测试的成形极限曲线相比较，见图2。

图2 DP钢的成形极限图

图2中第二根曲线为实验室测得板料800 MPa级DP钢的成形极限曲线。按照10%相对安全裕度生成安全区间[4]，变形在最下方曲线以下为安全位置，材料一般不会产生破裂缺陷；当变形超出最上方曲线为破裂危险区域，很容易产生破裂缺陷。从图2可以看出有一部分应力点已经出现在最上方曲线，说明有些地方可能出现破裂。

图3 DP钢冲压结构件的主应变图

从图3中可以看到材料有部分变形已达到破裂危险区域，因此在这些变形位置很容易产生破裂缺陷。对照主应变图最大变形出现位置(图2中阶段点0处，主应变为35.951%)和DP钢冲压结构件实物图破裂位置，可以看出与实际情况是相符的。

DP钢冲压结构零件的厚度减薄图见图4，通过变形最大位置截面，可以看到零件截面上主应变和厚度减薄的分布情况。在变形最大位置，厚度减薄也接近最大值。同时，由图4可以看出，在最大变形同一截面对称的位置，变形和厚度减薄并不一致，存在变形集中。冲压件两边的减薄量是不相同的。

图4 DP钢冲压结构件的厚度减薄分布图

由于冲压件形状是对称的，如果两边的压边力和和摩擦条件相同时，两边减薄量应该是一样的，因此可以推论，DP钢冲压件由于对称形状两边的压边圈的压边力不均，导致了流动不均，从而厚度方向减薄不一致，发生了颈缩，出现裂纹。

通过检查发现，DP钢冲压结构模具的定位卡槽发生偏移，压边力不均。另外，由于从图1可看出工件表面的摩擦痕也比较重，说明模具表面的润滑条件也不是很好。通过对模具表面状态检查发现，由于模具老化，倒角发生变形，从而导致摩擦条件改变，导致了裂纹的产生。通过减慢冲压速度，以及添加润滑油改变表面摩擦状态，问题得到解决。

材料性能

DP钢冲压结构材料的的性能如表1。材料的力学性能都满足标准要求，并无异常情况。

表1 DP钢冲压结构材料的力学性能

组织分析

取5个DP钢冲压件冲裂金相试样进行组织分析，典型金相组织如图5。5个试样的金相组织均为铁素体(F)+马氏体(M)+少量贝氏体(B)，其中马氏体(M)所占体积分数约为24%，铁素体所占体积分数为69%，晶粒度为11.4级，组织控制正常，全部满足组织要求，夹杂物评级正常(表2)。

图5 冲压件典型金相组织

选择冲压开裂侧变形较大部位(实际为裂纹扩展处)进行SEM分析。扫描电镜结果见图6。可以看出：灰白色凸起为马氏体，而灰色凹区为铁素体。铁素体包围马氏体岛，或马氏体间隔分布，双相钢破坏机理起源于马氏体的断裂和马氏体/铁素体截面的断裂，以及马氏体附近铁素体的断裂，从而形成空洞成为裂纹的起源。在低马氏体体积分数下，空洞是由于马氏体和铁素体界面发生分裂导致，理裂纹两个轮廓是可以重合的。图中箭头处所示，正是处于马氏体和铁素相界面之间，并且在裂纹停止处也出现了原型的微孔，完全符合上述情况。因此，裂纹萌生于由应力产生的马氏体和铁素体界面形成的微孔，并扩展裂纹至马氏体铁素体交界的整个界面，最终导致整个基体发生断裂，使零件失效。究其原因：马氏体与铁素体两相塑性应变不相容，导致了马氏体与铁素体交界面上产生了裂纹核，并以解理方式向铁素体扩展，这完全符合双相钢的断裂机理[5]。

表2 非金属夹杂物评级

裂纹萌生于铁素体和马氏体，扩展至内部，直至断裂。在没有夹杂物的情况下，裂纹在马氏体和铁素体界面扩展。有夹杂物的情况下，裂纹并没有向夹杂处扩展，而是优先在马氏体和铁素体界面发生开裂。因此，DP钢冲压件冲裂属于正常断裂，夹杂物不是导致裂纹产生的直接原因。

结束语

1) 通过DP钢冲压开裂的网格分析，用改变模具状态和冲压条件的方式解决了开裂问题。

2) 材料性能分析表明DP钢冲压开裂并不完全是由于冲压钢种自身性能不合格导致的。

3) 800 MPa级别DP钢冲裂机理是：裂纹萌生于由应力产生的马氏体和铁素体界面形成的微孔，并扩展裂纹至马氏体铁素体交界的整个界面，最终导致整个基体发生断裂，使零件失效。

4) DP钢存在正常级别的非金属夹杂物并不会导致裂纹的萌生，夹杂物也不是引起DP钢断裂的主要原因。

图6 冲压开裂侧变形较大部位裂纹SEM图像

[1] 蒋浩民，陈新平，石磊，等.先进高强度钢板的冲压成形特性及其应用.塑性工程学报，2009，16(4)：183

[2] 马鸣图，Shi M F.先进的高强度钢及其在汽车工业中的应用.钢铁，2004，39(7)：68

[3] Mori K，Akita K ，Abe Y. Springback behavior in bending of ultrahigh-strength steel sheets using CNC servo press. Int J Mach Tools Manufact，2007(47)：321

[4] 陈新平，蒋浩民.汽车钢板胀形区成形极限图的预测与验证.金属成形工艺，2003，21(6)：86

[5] 马鸣图，汪德根，吴宝榕.双相钢变形与断裂特性的研究.钢铁，1983，3(3)：437