摘要：本文研究了幾種熱鍍鋅鋼板在使用中出現(xiàn)的不同開裂模式，包括翻邊開裂、折彎開裂、疲勞開裂和頸縮開裂。因基板材質(zhì)的差異，開裂的機(jī)理各有不同。翻邊開裂一般出現(xiàn)在高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件的加工過程中，提高材料的擴(kuò)孔性能是解決問題的關(guān)鍵，從材質(zhì)機(jī)理上講就是要獲得較細(xì)小的晶粒和均勻的組織，減少帶狀組織，并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分，從而提高材料擴(kuò)孔率。當(dāng)材料需要180度折彎時(shí)，采用高延伸率的沖壓用鋼可能會出現(xiàn)開裂情況，而晶粒較細(xì)小、碳化物分散的CQ鋼才是即經(jīng)濟(jì)又好用的選擇。熱鍍鋅鋼板疲勞開裂不僅僅是材料性能本身的問題，還與整機(jī)零件設(shè)計(jì)、材料的服役條件、使用環(huán)境息息相關(guān)。鋅鐵合金鋼板表面鍍層的鐵含量往往會成為鋼板開裂的影響因素。
關(guān)鍵詞：熱鍍鋅鋼板，開裂，翻邊，折彎，疲勞，頸縮
寶鋼熱鍍鋅鋼板
1前言
通過熱浸鍍鋅工藝生產(chǎn)的鋼板是目前使用最廣泛的鍍層鋼板，按鍍層結(jié)構(gòu)劃分可分為熱鍍純鋅及合金化鋼板。根據(jù)基板強(qiáng)度級別可分為：普通強(qiáng)度級和高強(qiáng)度級，按沖壓等級的不同，可分為商用級（CQ）、普通沖壓級（DQ）、深沖壓級（DDQ）和超深沖壓級（EDDQ）[1]。熱鍍鋅鋼板因其良好的耐蝕性和美觀度在汽車、家電、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在加工使用過程中不同強(qiáng)度級別的熱鍍鋅鋼板常常會出現(xiàn)因用戶選材、加工方式、材質(zhì)缺陷等原因?qū)е碌拈_裂問題。因基板材質(zhì)的差異，開裂的機(jī)理各有不同。因此，本文將對幾種常見的加工開裂問題，就其機(jī)理進(jìn)行討論。
2案例
2.1翻邊開裂
隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)度汽車板的使用量在快速增加。翻邊開裂是高強(qiáng)鋼一種常見的成型失效模式。汽車車身的結(jié)構(gòu)件零件中如前后縱梁、風(fēng)窗擋板、中通道加強(qiáng)板、中盤柱等要求材料既具有一定的強(qiáng)度還要具備良好的加工翻邊性能。用戶對材料的強(qiáng)度和斷裂延伸率有明確的要求，尤其認(rèn)為斷裂延伸率越高翻邊的開裂情況發(fā)生概率越小。其實(shí)，較高的擴(kuò)孔率才是材料具有良好的曲面翻邊性能的關(guān)鍵。
如圖1為某品牌汽車中通道加強(qiáng)板零件。該零件成形共走四道工序，第一道切邊沖孔、第二道翻邊拉延、第三道彎曲、第四道沖孔。部分材料在第二道翻邊拉延時(shí)產(chǎn)生邊部開裂。
圖1某品牌汽車中通道加強(qiáng)板零件
中通道加強(qiáng)件零件設(shè)計(jì)選材多采用碳錳強(qiáng)化的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼板具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的延展性能。因零件在加工中需要翻邊，不同材質(zhì)的材料翻邊性能差異很大。如表1所示，三類不同成分和工藝的材料（材料A、材料B、材料C)其力學(xué)性能接圖3(a)材料A微觀形貌近且均滿足用戶的設(shè)計(jì)要求，但不同材料的擴(kuò)孔率差異卻很大，材料A的擴(kuò)孔率最高為82%，開裂率0%，材料C的擴(kuò)孔率最低，開裂率100%。
表1不同材料的性能及開裂統(tǒng)計(jì)
高擴(kuò)孔鋼要具有較細(xì)小的晶粒和均勻的組織，不能有帶狀組織，并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分。
以開裂率最低的材料A和開裂率最高的材料C為例。如圖2、3，分表為兩種材料的S的含量的均值圖和截面微觀形貌?？梢钥闯霾牧螩的帶狀組織和S含量都明顯多于材料A。所以對于這種有翻邊要求的零件，在選材上要特別關(guān)注擴(kuò)孔性能。
圖2 S含量均值圖
圖3(a)材料A微觀形貌圖 3(b)材料C微觀形貌
2.2折彎開裂
在金屬零件加工方式中折彎是比較普遍的形式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以分為180度、90度、45度等折彎角度。熱鍍鋅鋼板折彎后要求材料表面無裂紋、無鋅層脫落等缺陷。
有些用戶認(rèn)為僅折彎成型的零件對材料要求不高，只要鋅層附著性良好，一般的CQ或DQ鋼均可滿足要求。其實(shí)事實(shí)并非如此。尤其是180度折彎材料有時(shí)會出現(xiàn)折彎后基板開裂的情況。
如圖4為某汽車零部件廠生產(chǎn)的汽車玻璃升降器部件，經(jīng)過7個(gè)道次完成180度（0T）成型，在0T折彎頂部，目視基體微裂、鋅層無脫鋅，但鋅層表面全程皸裂，有輕微手感（如圖5）。
圖4(a)開裂部位示意圖圖 4(b)開裂部位實(shí)物圖
圖5開裂部位微觀組織
這種較大晶粒的組織形貌適用于較深沖壓用途零件。當(dāng)用于折彎要求高的零件時(shí)，局部變形極大，大晶粒形貌對這種不均勻變形的抗力較低，且少量的碳化物在晶界處也會加劇這種劣勢，結(jié)果可能會導(dǎo)致基板“撕裂”
此類問題的解決方案是選用晶粒較細(xì)小、碳化物分散的CQ鋼。如圖6為改進(jìn)前后鋼板微觀組織形貌，表2為改進(jìn)前后力學(xué)性能與晶粒度評級。改進(jìn)后晶粒明顯細(xì)小，碳化物細(xì)小并彌散的均勻分布。改進(jìn)后材料強(qiáng)度上升，晶粒度級別12。通過實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)后材料不再出現(xiàn)折彎開裂問題。
圖6(a)改進(jìn)前 圖6(b)改進(jìn)后
表2改進(jìn)前后材料的性能
2.3疲勞開裂
熱鍍鋅DDQ級別的鋼板經(jīng)常裸用于家電背板。如某家電生產(chǎn)廠用高強(qiáng)IF鋼做滾筒洗衣機(jī)背蓋板。該新型洗衣機(jī)批量投產(chǎn)前需要對樣機(jī)進(jìn)行震動跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T4857.23（包裝運(yùn)輸包裝件隨機(jī)振動試驗(yàn)方法）。樣機(jī)在不同溫度條件下，不規(guī)則振幅上下、左右震動后進(jìn)行多次跌落。然后檢查洗衣機(jī)表面情況。
樣機(jī)背蓋板的四個(gè)“跑道”凹臺通過自鉚接的方式加裝了加強(qiáng)片（如圖7)，此部位的沖孔處將擰入塑料加強(qiáng)件在運(yùn)輸中起到固定洗衣機(jī)箱體的作用，洗衣機(jī)運(yùn)達(dá)最終客戶處后塑料件拆除。在樣機(jī)震動跌落試驗(yàn)中，背蓋板四個(gè)“跑道”凹臺中有兩個(gè)發(fā)生加強(qiáng)片脫落和基材開裂（如圖8）。
圖7“跑道”凹臺示意圖 圖8基材開裂示意圖
該基材為熱鍍鋅高強(qiáng)IF鋼（厚度1.0mm)，加強(qiáng)片為其它種類材料(厚度1.25mm）。每個(gè)凹臺有三個(gè)鉚接點(diǎn)，加工時(shí)從基材向加強(qiáng)件方向沖壓鉚接。對斷口微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)開裂處呈較典型的疲勞輝紋形貌特征，且存在較多二次裂紋（如圖9所示）。
圖9基材端口形貌
從上述現(xiàn)象可以推斷，“跑道”凹臺基材沖孔部位是在反復(fù)震動和跌落過程中受強(qiáng)烈的外力，加強(qiáng)片與基材脫離，基材沖孔部位材料發(fā)生疲勞斷裂。對基材與加強(qiáng)片的力學(xué)性能分析（如表3），基材的強(qiáng)度高于加強(qiáng)片的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度相差近60MPa。加強(qiáng)片的強(qiáng)度低于基材強(qiáng)度，并沒有起到很好的加強(qiáng)作用。同時(shí)也從用戶處獲悉該零件鉚接設(shè)計(jì)時(shí)對基材和加強(qiáng)片的強(qiáng)度搭配是有要求的，但用戶在實(shí)際生產(chǎn)中并沒有嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行。導(dǎo)致加強(qiáng)片提早脫落，基材受力開裂。
表3基材與加強(qiáng)片力學(xué)性能
對于該問題的解決辦法是更換加強(qiáng)片材料，重新進(jìn)行鉚接剝離力評價(jià)。經(jīng)過改進(jìn)后，開裂情況明顯減少。
2.4頸縮開裂
在熱鍍鋅IF鋼的使用中頸縮開裂是一個(gè)比較常見的問題。如某汽車廠在用鋅鐵合金IF鋼生產(chǎn)一款轎車的前蓋內(nèi)板時(shí)，拉延后在局部分出現(xiàn)了頸縮和開裂（如圖10）。
圖10拉延后頸縮(a)和開裂(b)
對于開裂料和正常料進(jìn)行性能、粗糙度及鍍層鐵含量測量等試驗(yàn)，結(jié)果見表4、表5。可見，開裂料在力學(xué)性能上與正常料相當(dāng)，粗糙度值比正常料要高，而且鐵含量要低。
表4力學(xué)性能
表5粗糙度及鐵含量
對于合金化熱鍍鋅板，鍍層中的鐵含量是影響沖壓成形質(zhì)量的一個(gè)很重要的因素。鐵含量過高，則容易出現(xiàn)粉化；鐵含量偏低，則增大成形中的摩擦，不利于材料流動，容易引起開裂。對于正常料和開裂料分別進(jìn)行表面掃描，觀察得到的圖11，不難看出，異議料表面欠合金化。
圖11正常料（a)和開裂料(b)表面掃描
3結(jié)論
（1）有擴(kuò)孔鋼要求的高強(qiáng)鋼要具有細(xì)小晶粒和均勻的組織，不能有帶狀組織，并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分。
（2）對于180度折彎要求的零件，選擇材料不應(yīng)關(guān)注延展性，而要盡量選擇晶粒細(xì)小的鋼板。
（3）零件主要材料的選擇固然重要，但諸如加強(qiáng)件等輔材的搭配選用也是非常關(guān)鍵的。在開裂問題的調(diào)查中，不僅要關(guān)注材料性能本身，還要對材料的服役條件、使用環(huán)境進(jìn)行綜合分析。
（4）鋅鐵合金鋼板表面鍍層的鐵含量往往會成為鋼板開裂的影響因素。
參考文獻(xiàn)
[1] 康永林,現(xiàn)代汽車板的質(zhì)量控制與成形性[M]，冶金工業(yè)出版社，1999.6.
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作成：2021年8月20日
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