轻型管状扭转梁的材料及退火工艺研究

轻型管状扭转梁的材料及退火工艺研究
周澍;陈荣;徐沛瑶
【摘要】目的针对某自主品牌高性能管状扭转梁的开发需求,确定最佳的扭力梁选材和相应的退火工艺方案.方法采用两种不同的超高强钢材料完成了扭转梁的制管、预成形和液压成形等过程,并对成形零件进行了不同的退火工艺尝试,分析了焊管、
成形件和退火件的显微组织、硬度及力学性能特征,并完成了扭转疲劳性能测试,最
后对疲劳失效零件进行了失效原因分析.结果相较于STAM690进口材料,采用国产CP800材料的扭转梁,通过退火工艺调节,在保持显微组织不变的情况下可得到最佳的综合性能,屈服和抗拉强度均达到800 MPa以上,且其伸长率达到17％以上,同时,疲劳耐久性能可达10万次以上.结论推荐CP800材料作为高性能管状扭力梁的选材,相应的退火工艺为550℃,保温25 min.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2019(011)002
【总页数】6页(P81-86)
【关键词】扭转梁;贝氏体;超高强钢;液压成形
【作者】周澍;陈荣;徐沛瑶
【作者单位】上海汇众汽车制造有限公司技术中心,上海 200122;上海汇众汽车制
造有限公司技术中心,上海 200122;上海汇众汽车制造有限公司技术中心,上海200122
【正文语种】中文
【中图分类】TG142.1
扭转梁式悬架是汽车底盘的核心部件之一，其主要作用是平衡车轮的上下跳动，减少车辆晃动，保证车辆的稳定，因其结构简单、节省空间、制造成本低廉、维护容易，特别适合应用在紧凑级乘用车上，因此，近年受到越来越多整车厂的青睐。

扭转梁通常有两种形式[1—2]：V型或U型结构的开口梁设计和管结构的封闭梁设计。

前者主要通过采用厚度为5~10 mm的钢板进行冲压成形得到，部分开口梁还会带有稳定杆以满足不同强度、刚度及疲劳耐久要求。

后者则通过将壁厚为2~4 mm的钢管进行冷冲压和液压成形或者热成形得到。

由于截面形状和周长可变且为空心，管结构的封闭梁的刚度可调节且轻量化效果显著，因此，在保证零件整体服役性能的同时，后者具备更好的减重效果。

通常情况下，采用高强钢焊管结合液压成形技术获得的轻型管状扭转梁较开口梁减重效果可达15%~25%，材料利用率提高20%~30%[3—4]，也正是由于管状扭转梁在轻量化方面的优势，国内外汽车厂纷纷加强对此类零件的开发与应用[5—7]。

为满足管状扭转梁轻量化和服役性能的要求，需要使用高强钢乃至超高强钢。

国外量产的冷成形管状扭转梁的强度已经普遍达到500~800 MPa，而热成形的管状扭转梁强度可达1500 MPa以上。

国内管状扭转梁的开发相对滞后，采用的成形工艺为冷冲压或液压成形，材料抗拉强度的强度级别为500~700 MPa，仍具有较大的轻量化潜力，因此，针对某自主品牌管状扭转梁的开发需求，文中尝试采用两种780 MPa级的超高强钢进行制管，并通过预成形、液压成形以及去应力退火等工艺获得扭转梁成品。

随后，对焊管、成形件、退火件的显微组织和力学性能进行了分析，并完成了扭转疲劳性能测试以及疲劳试样的失效分析，最终明确了管状扭转梁横梁的选材和热处理工艺方案。

分别选用了两种超高强钢材料，一种为进口材料，牌号为STAM690，主要应用在日系车型的管状扭转梁上，而另一种为国内某钢厂开发的CP800，两种材料的化
学成分见表1，STAM690和CP800焊接碳当量（Pcm）分别为0.279和0.216，Pcm=C+Si/30+ (Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

从化学成分上看，STAM690具有较高的C含量，并添加了Nb, V, Cr, Mo等强碳化物析出元素，通过析出强化的作用进一步提高材料的强度，而CP800的C含量较低，Mn含量偏高，且为保证材料的高强度，CP800同样添加了强碳化物析出元素。

相比之下，
尽管CP800的微合金元素添加更多，但其焊接碳当量更低，焊接性能更佳。

扭转梁示意图见图1，其生产流程为：板材通过辊压成形和高频焊接成焊管，并按照零件尺寸锯切成要求长度。

随后，焊管通过冷冲压预成形和液压成形得到成形件。

之后，通过连续退火炉进行退火处理，最后通过激光切割获得要求形状的成品。

为考察不同退火工艺对扭转梁最终性能的影响，退火温度采用500~600 ℃，保温时间采用25~50 min，冷却方式为空冷。

沿焊管的长度方向取JIS 12B弧状拉伸样，并从成形件和退火件中部沿零件长度方向取JIS 5板状拉伸样，在Zwick拉伸试验机上测试力学性能，对比不同工序下材料性能的变化。

同时，分别在焊管上以及横梁成形件和退火件中部的圆角处取样，经研磨和抛光后，采用LEICA显微维式硬度计进行维氏硬度测试，载荷为200 g。

随后，样品经体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，在ZEISS扫描电镜上对几种状态材料的微观组织形貌进行观察。

对扭转梁进行扭转疲劳性能测试。

测试过程中，采用位移控制，位移要求为±43 mm，频率为2 Hz，疲劳要求为10万次，零件上无肉眼可见裂纹。

待零件失效后，记录循环次数，并在LEICA体式显微镜上对失效样件进行断口形貌分析，确定疲
劳裂纹源。

通常情况下，由于板材在制管过程中变形量相对较小，因此，文中测试了焊管的力学性能和显微组织，并未对板材进行测试。

两种超高强钢焊管的力学性能结果见表2。

其中，在屈强比接近的情况下，CP800焊管的抗拉强度接近850 MPa，而
STAM690焊管的抗拉强度仅为750 MPa左右，较CP800焊管低近 100 MPa。

而两种焊管的伸长率接近，均在15%左右，即在具有高强度的同时，两种焊管均
具有良好的成形性。

从焊管上取样进行显微组织观察，结果见图2。

由图2可知，两种焊管的显微组织特征相似，均含有铁素体、贝氏体及少量碳化物。

其中，STAM690焊管中铁素体的含量稍多，组织晶粒稍大，这可能是其强度较低的主要原因。

在液压成形后采用退火工艺的主要目的是在保证扭转梁的显微组织和性能不显著变化的前提下，最大程度上消除其在成形过程中产生的应力，从而改善扭转疲劳性能。

不同退火工艺下的显微组织见图3。

结合图2对比可知，不同退火工艺下，扭转梁的显微组织变化并不显著，仍以铁素体和贝氏体为主，但随着退火温度升高，保温时间变长，其晶粒有长大的趋势，且CP800晶粒长大速度稍快于STAM690。

测试了焊管、成形件和退火件在管壁厚方向的硬度变化趋势，结果见图4。

焊管状态下，壁厚方向的硬度相对均匀，STAM690的硬度在HV220~HV240左右，
CP800的硬度在HV230~HV260左右。

成形后，管内外表面由于变形产生加工硬化，硬度迅速提高，而壁厚中心处的硬度基本不变。

退火后，两种材料硬度均未发生显著下降，即未发生回火软化，由此推测，Nb, V, Cr, Mo等强碳化物析出元素的添加，使得退火过程中碳化物大
量析出，其析出强化作用弥补了材料的回火软化现象，即STAM690和
CP800具有较好的抗回火性能。

通常情况下，零件在热处理过程中的退火效果可以用回火参数λ[7]来表示，与退
火温度T（热力学温度，K）和保温时间t（h）之间的关系可以用式（1）表示。

λ越大，说明零件上的应力消除效果越好。

两种UHSS扭转梁的力学性能随回火参数的变化情况见图5。

由图5可知，焊管成形后，其强度基本保持不变，但伸长率以及加工硬化指数（n值）均显著下降。

退火过程中，随着λ增大，各项性能指标
均上升，屈服强度提高80~100 MPa，断后伸长率提高至17%，而n值则增至退火前的2倍以上。

此外，相同的退火工艺下，在成形性相近的情况下，CP800较STAM690显示出更高屈服和抗拉强度。

综上考虑，建议量产的退火工艺方案为：退火温度为550~600 ℃，保温时间为
25~50 min。

经该退火工艺后，扭转梁的力学性能达到最优，STAM690的抗拉
强度达到780 MPa，屈服强度达到700 MPa，n值达到0.13~0.15，CP800的
抗拉强度达到830 MPa，屈服强度达到800 MPa，n值达到0.09左右，而两种
材料的断后伸长率接近，均达到17%。

选择不同退火工艺的扭转梁进行扭转疲劳测试，结果见图6。

对比发现，相同退火工艺下，CP800扭转梁的扭转疲劳性能普遍优于STAM690，达到了10万次以上，满足设计要求，推测其主要原因为在伸长率接近的情况下，CP800扭转梁具有更
高的屈服和抗拉强度。

当材料选用CP800时，在退火温度选择550 ℃，保温温
度选择25 min时，零件显示出最优的扭转疲劳性能，循环次数可达12万次以上。

扭转疲劳测试件的失效原因分析见图7。

在疲劳测试过程中发现，所有的扭转梁失效特征几乎一致，如图7a所示，裂纹均出现在梁两端过渡区的内侧圆角下方，且裂纹沿扭转梁长度方向扩展。

对疲劳试验过程的应力情况进行仿真分析，结果见图7b。

由图7可知，开裂位置对应高应力区（箭头处），而测试过程中该位置的应
力集中是导致扭转梁疲劳失效的主要原因。

针对某自主品牌管状扭转梁的开发需求，对其扭转梁材料以及退火工艺进行了研究，主要结论如下。

1）在断后伸长率接近的情况下，CP800焊管的抗拉强度可达850 MPa，而STAM690仅为750 MPa左右。

两种焊管的显微组织特征相同，均为铁素体、贝
氏体及少量碳化物。

2）退火后，两种UHSS扭转梁的显微组织和硬度未发生显著变化，STAM690和
CP800的抗拉强度为780和830 MPa，屈服强度为700和800 MPa，n值为0.13和0.09，断后伸长率接近17%。

相同退火工艺下，CP800较STAM690具有更高的抗拉强度和屈服强度。

3）当退火温度为550 ℃，保温时间为25 min时，CP800扭转梁显示出最优的扭转疲劳性能，循环次数可达12万次以上。

综上，某自主品牌管状扭转梁的建议选材为CP800，退火温度采用550 ℃，保温时间为25 min。

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