摘要:某QSTETM钢零件在冲压过程中发生折弯开裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜和能谱分析等方法对零件的开裂原因进行分析。结果表明:零件中的硫元素和锰元素含量较高,以及锰元素的偏析是钢中产生带状组织的主要原因;带状组织中分布着非金属夹杂物,夹杂物与基体界面的结合力弱,使零件在变形时产生裂纹;试样中的硫化锰使零件形成了多个小裂纹源,在冲压变形时造成零件折弯开裂。
关键词:QSTETM钢;非金属夹杂物;冲压变形;折弯开裂
中图分类号:TB31;TG.5文献标志码:B文章编号:-()02--04
随着经济的发展,对板材的需求不断提高。在高端汽车行业,高强度、高性能的热轧酸洗板得到广泛应用。热轧酸洗板的表面质量接近于冷轧板,同时又具有热轧板的力学性能,强度高、冲压成形性能好,主要用于汽车底盘、座椅滑轨等高强度结构件[1-3]。
QSTETM钢是一种冷成型热轧酸洗汽车结构钢材料,是汽车业需要的新钢种,具有较好的表面质量、厚度公差和加工性能,可用于车身覆盖件及冷轧板生产的汽车零部件,原材料成本可降低约10%。某QSTETM钢零件在冲压过程中出现折弯开裂,笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对零件的开裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。
1理化检验
1.1宏观观察
零件的开裂位置相对固定,在折弯后单侧或两侧出现不同程度的开裂。折弯开裂零件的宏观形貌如图1所示,折弯处4个角的外弧均发生开裂。1#,2#位置的开裂较大,3#,4#位置出现轻微开裂。
1.2化学成分分析
QSTETM钢的强度是通过在低碳钢的基础上添加微合金元素,并结合控轧控冷工艺来保证的。碳元素用于形成强化相,以保证钢的强度和良好的冷成型性能。碳元素的质量分数要控制在0.09%以下;硅元素和锰元素具有固溶强化作用,可以提高板材的强度和延伸率;磷元素和硫元素是杂质元素,含量越少越好;适量的铌元素和钛元素可细化晶粒。
在开裂零件上截取试样,采用QSN-Ⅱ型直读光谱仪对开裂试样进行化学成分分析,同时截取其他厂家生产的同牌号材料试样,并进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:两个试样只有硫元素的质量分数有较大异常,其他元素质量分数相差不大。两个试样的化学成分分析结果均符合标准要求。
1.3力学性能测试
采用ZWICKZ型双立柱万能材料试验机对上述两个试样分别进行力学性能测试,结果如表2所示。开裂试样的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合GB/T.1—《金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》的标准要求。与其他厂家生产的同牌号材料相比,力学性能无明显差异。
1.4扩孔试验
在板材成形过程中,翻边成形工艺是一种常见的成形工艺,这种工艺具有增加成形件的刚性,连接焊接搭头和延长管颈深度的作用。扩孔试验是一种模拟试验,能直接表征在汽车专用板材上扩孔时,孔边的翻边成形能力[4]。
按照GB/T.4—《金属薄板成形性能与试验方法第4部分:扩孔试验》规定,采用HET型扩孔试验机进行扩孔试验,结果如表3所示,发现开裂零件材料的扩孔率比其他厂家同牌号材料低40%。
1.5断口分析
利用SEM对开裂零件1#,2#位置的断口进行观察,结果如图2,3所示。1#,2#位置断口均存在大量韧窝,属于韧性断裂,韧窝大小较均匀。同时断口处分布较多的暗色沟槽,这些沟槽的宽度、长度均不同,沟槽底部均较平滑,且在大部分沟槽底部存在非金属夹杂物。这些非金属夹杂物尺寸不等、形状各异,且呈条带状分布在沟槽底部。对断口处存在的夹杂物进行能谱分析,确定为硫化物夹杂(见图4)。对裂纹横截面进行磨抛、腐蚀后,其微观形貌如图5~6所示。可见横截面上存在裂纹,在裂纹处残存着灰色夹杂物,对夹杂物进行能谱分析,确定为MnS夹杂。
1.6金相检验
对开裂零件和其他厂家同牌号材料进行取样,采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液对试样进行腐蚀,利用MA型光学显微镜观察试样的横截面和表面,结果如图7~8所示。由图7~8可知:两个试样的显微组织均由大量铁素体和极少量珠光体组成,珠光体主要分布在铁素体晶界上。根据GB/T-《金属平均晶粒度测定方法》对铁素体晶粒度进行评定,平均晶粒度分别为12.5,13.5级。开裂试样横截面上的带状组织级别为1.0级,其他厂家试样带状组织级别为0.5级,但是由于带状组织级别较低,不足以影响试样的使用性能。
2综合分析
从化学成分上看,开裂试样主要通过添加铌元素和钛元素来进行强化,其他厂家同牌号材料试样是通过添加铌元素进行强化。
两个试样的铌元素含量有差异,但铁素体晶粒度无明显差异,这主要是因为开裂试样仍含有质量分数为0.%的铌元素,细晶强化效果仍比较明显,同时QSTETM钢板采用的是低温轧制及轧后快冷工艺,能有效促进铁素体形核,并抑制相变之后铁素体晶粒长大,弥补铌元素含量降低对细晶强化的不利影响。
对零件冲压开裂处进行分析,在开裂断口部位的较大沟槽里发现MnS夹杂物。实际开裂零件中硫元素含量显著大于其他厂家材料。开裂试样中的锰元素含量较高,锰元素的偏析是钢中产生带状组织的主要原因。带状组织中分布着MnS等非金属夹杂物,夹杂物与基体界面的结合力弱,易在变形时产生裂纹。
3结语
(1)该批次QSTETM钢材料的硫元素含量明显较高,存在大量的MnS夹杂物,易形成多个小裂纹源,在冲压变形时造成零件开裂。应在炼钢过程中控制好硫元素的质量分数。
(2)建议对折弯类产品采用两段冷却方式,得到铁素体+贝氏体组织,有利于提高材料的折弯性能。在设计时,要针对成品特点制定合理的材料成分和制造工艺。
(3)综合利用多种试验方法对产品开裂原因进行分析,并确定了开裂原因,为提高产品质量提供了有力的数据支撑。
参考文献:
[1]李文远,郭子峰,惠亚军,等.锰、铌含量对热轧酸洗QSTETM钢板组织和性能的影响[J].机械工程材料,,41(12):80-84.
[2]于洋,王畅,郭子峰,等.热轧酸洗板表面斑状色差产生机理及控制措施[J].轧钢,,32(2):22-26.
[3]郭子峰,冯军,白永立,等.首钢汽车结构用热轧酸洗带钢SAPH的开发[J].锻压技术,,40(2):60-64.
[4]刘桂江,程丽杰,谷强,等.对非金属夹杂物检验标准GB/T—的探讨[J].理化检验(物理分册),,57(1):15-18.
文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册59卷2期(pp:47-50)