隨著國產自主品牌汽車的崛起，汽車外觀設計日益復雜，對汽車外板的沖壓性能要求不斷提高。沖壓開裂是汽車板常見的沖壓缺陷之一[1-2]。鋼中存在非金屬夾雜物、模具與材料不匹配、潤滑不良等因素均會導致汽車板發生沖壓開裂[3-6]。某汽車廠沖壓車間生產側圍外板時發生汽車板開裂情況，汽車板材料為CR3鋼，鍍層為純鋅鍍層，基板厚度為0.7 mm，對應鑄坯厚度為230 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析汽車板開裂的原因，以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

汽車板裂口長度約為7 mm，裂口位置存在片狀脫落物。鑄坯厚度為230 mm，成品厚度為0.7 mm，壓下率為99.7%，結合體積不變原理，忽略寬展，成品帶鋼的長度約為鑄坯長度的328倍。而脫落物的長寬比約為2∶1，可排除該脫落物為鑄坯階段引入的。 

1.2   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電鏡對汽車板裂口處進行觀察，結果如圖1所示。由圖1可知：脫落物位于裂口位置，且與基體分離，裂口長度約為7 mm，寬度約為2.7 mm；脫落物長度約為2.8 mm，寬度約為1.3 mm，脫落物表面呈明顯碾壓劃蹭形貌，部分區域光整印完好。光整印為鍍鋅后光整輥形貌復制到鍍層上的紋路。說明脫落物趨向于與帶鋼一體，而并非是沖壓過程中引入的。 

圖  1  汽車板裂口處SEM形貌

在脫落物靠近表面一側取樣，對試樣進行能譜分析，結果如圖2所示。由圖2可知：該處試樣存在鋅層，可以確定該脫落物來自帶鋼表面，并非沖壓加工過程中外來物引入。 

圖  2  脫落物靠近表面一側能譜分析結果

在開裂汽車板與脫落物直接接觸的區域取樣，對試樣進行能譜分析，結果如圖3所示。由圖3可知：試樣表面存在氧化鐵。由于氧化鐵的產生條件為高溫及有氧環境，因此推測該缺陷產生于熱軋或熱軋之前。 

圖  3  開裂汽車板與脫落物直接接觸區域的能譜分析結果

在基體及脫落物的截面處分別取樣，對試樣進行SEM分析，結果如圖4所示。由圖4可知：開裂位置裂口截面處存在尖端，說明基體厚度發生了明顯減薄，基體內無氧化近圓形顆粒物或夾雜物；脫落物厚度約為250 µm，一側存在鍍層，為帶鋼表面，整個截面內部存在大量均勻分布的近圓形顆粒物。 

圖  4  基體及脫落物的截面處SEM形貌

在脫落物靠近心部一側取樣，對試樣進行能譜分析，結果如圖5所示。由圖5可知：試樣表面存在氧化鐵。 

圖  5  脫落物靠近心部一側能譜分析結果

在脫落物內部取樣，對試樣進行能譜分析，結果如圖6所示。由圖6可知：試樣存在大量的近圓形顆粒物，其主要成分為Fe、O、Mn、Si等元素，較大的近圓形顆粒物尺寸（直徑）約為10 µm，脫落物的基體成分為Fe元素。 

圖  6  脫落物內部能譜分析結果

雖然近圓形顆粒物的形貌及成分和氧化近圓形顆粒物相似，但是仍存在一定差別。在目前的連鑄及熱軋工藝條件下，產生的氧化近圓形顆粒物層厚度一般約為20 µm，單個氧化近圓形顆粒物尺寸（直徑）不大于1 µm。該脫落物內部近圓形顆粒物在整個厚度250 µm范圍內均勻分布，并且單個近圓形顆粒物尺寸過大，初步判斷脫落物中的近圓形顆粒物不是鋼基體內典型的氧化近圓形顆粒物。 

對生產現場進行調查，發現熱軋產線在生產該卷產品前存在檢修，并在精軋階段進行了焊接作業。初步懷疑異物有可能為焊接作業產生的焊瘤。模擬當時情況進行焊接作業，并對焊接產生的焊瘤進行能譜分析，結果如圖7所示。由圖7可知：焊瘤內部同樣存在近圓形顆粒物，同時其形貌、尺寸、成分均與脫落物一致。 

圖  7  焊瘤截面能譜分析結果

1.3   金相檢驗

在汽車板基體和脫落物的截面處取金相試樣，利用光學顯微鏡對試樣進行觀察，結果如圖8所示。由圖8可知：裂口端部組織存在明顯變形，基體與脫落物接觸區域的晶粒明顯偏小，說明在該區域因與脫落物接觸，在軋制變形過程中儲存了更多的畸變能，在熱軋及冷軋退火過程中對晶粒的恢復及再結晶起促進作用，導致該區域晶粒細小；脫落物的晶粒形貌與基體明顯不同，進一步說明該脫落物并非來自帶鋼本身，而是來自外部異物。 

圖  8  汽車板基體和脫落物的顯微組織形貌

2.   綜合分析

由鑄坯與成品帶鋼的壓下率及伸長率可知，脫落物不是在鑄坯階段引入的。汽車板裂口位置存在脫落物，根據其形貌、成分、顯微組織可以確定脫落物來自帶鋼本身，不是在運輸或沖壓過程中引入的。脫落物與基體接觸區域存在氧化鐵，可以判斷脫落物是在熱軋及熱軋之前引入的。脫落物內部存在大量近圓形顆粒物，在整個脫落物250 µm厚度范圍內均勻分布，單個近圓形顆粒物尺寸（直徑）可達10 µm。對焊瘤進行能譜分析，可知焊瘤內近圓形顆粒物的形貌、尺寸、成分與脫落物一致，說明脫落物是焊瘤引入的。 

焊接金屬在高溫環境停留時間較長，導致奧氏體晶粒顯著粗化。氧化物冶金技術通過合適的脫氧工藝在焊絲鋼中形成細小、彌散分布的高熔點氧化物顆粒，這些氧化物顆粒在焊接過程中不會熔解，而是以“釘軋”的形式阻礙奧氏體晶界遷移，阻止奧氏體晶粒粗化，且在冷卻相變過程中增加了鐵素體形核的質點，通過細化晶粒來改善焊縫的性能。由此可以判斷導致沖壓開裂的脫落物是焊瘤引入的。 

3.   結論與建議

熱軋工序過程帶鋼表面產生焊瘤，并產生脫落物，脫落物經過軋制嵌入帶鋼表面，最終導致汽車板發生沖壓開裂。 

建議在生產過程中加強清潔工作，特別是在焊接檢修后，徹底清掃焊接區域附近，以避免產生脫落物。

文章來源——材料與測試網