汽車用高強(qiáng)度鋼高周疲勞斷裂失效機(jī)理研究

唐秀麗

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132012）

1 概述

TRIP鋼是由于能保持高強(qiáng)度，所以作為一種高強(qiáng)度汽車鋼板。同時(shí)具有獨(dú)特的高強(qiáng)度效果、高的加工硬化指數(shù)和較強(qiáng)的熱硬化特性。TRIP鋼生產(chǎn)工藝主要是熱軋和冷軋。熱軋TRIP鋼生產(chǎn)采用冷卻后的最終軋制控制和低溫卷曲方法。首先在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)中，將其加熱到溫度保持一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到A1附近，以保持一定體積的鐵素體。達(dá)到一定體積的組織后，很快冷卻到貝氏體形成區(qū)。開始改變卷取溫度，保持溫度，然后慢慢冷卻到室溫?？色@得鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體三相結(jié)構(gòu)TRIP鋼。

TRIP鋼冷軋工藝中第一次冷卻是在溫度升高到Ah+α兩相區(qū)的臨界溫度（Ac3~Ac1）退火之后。然后在貝氏體形成區(qū)等溫淬火，得到TRIP鋼。嚴(yán)格控制等溫溫度和等溫時(shí)間是TRIP鋼冷軋生產(chǎn)獲得穩(wěn)定殘余奧氏體的重要條件。

汽車的重量是汽車工業(yè)研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)。對于許多汽車軸承結(jié)構(gòu)來說，良好的疲勞性能是必要的。TRIP鋼必須具有良好的疲勞性能，才有更廣闊的應(yīng)用前景。但到目前為止，國內(nèi)外對低碳硅錳TRIP鋼疲勞性能的研究很少。因此，本文研究了強(qiáng)度為600 MPa的TRIP鋼的疲勞性能。

2 樣品制備和實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為冷軋TRIP600汽車鋼板。其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1和表2所示。

表1 TRIP 600 MPa鋼的化學(xué)成分（重量百分比）

表2 TRIP 600 MPa鋼的力學(xué)性能

試驗(yàn)設(shè)備為電液伺服動靜疲勞試驗(yàn)機(jī)，型號為：EHFUM100K(SHIMADZU)。最大試驗(yàn)力：動態(tài)±100KN，靜態(tài)±為150KN。壓力加載誤差是±0.5%。應(yīng)變測量誤差是±0.5%。加載頻率是0~50Hz，電源380V。用JSM-5500LV掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂處進(jìn)行分析。通過恒定振幅交替載荷疲勞試驗(yàn)，采用試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞樣品圖

3 討論與分析

3.1 繪制TRIP600疲勞S-N曲線

TRIP600鋼板承受不同的應(yīng)力值。每個(gè)應(yīng)力值對應(yīng)于一個(gè)疲勞循環(huán)。TRIP600拉伸曲線的75%是第一應(yīng)力加載值。其余的應(yīng)力值依次減小。

圖2 TRIP600的S-N曲線

根據(jù)使用Origin軟件得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制S-N曲線。垂直軸，對數(shù)壽命x＝lgNi的橫坐標(biāo)，以產(chǎn)生S-N曲線，如圖2所示。TRIP600鋼板的疲勞極限為460MPa，采用單點(diǎn)法。與低碳鋼相同的拉伸強(qiáng)度相比，TRIP600鋼板的疲勞強(qiáng)度更高。抗疲勞性能較好。TRIP鋼超載疲勞斷裂線也高于普通低碳鋼50～60 MPa。（貝氏體、鐵素體+殘余奧氏體）[F+BSUP（BF+AR）]，這主要是TRIP鋼板的多相組織所致。和殘余奧氏體相變的TRIP效果是在疲勞應(yīng)變期間，TRIP效應(yīng)有助于提高高強(qiáng)度鋼的疲勞特性。

3.2 疲勞經(jīng)驗(yàn)公式擬合分析

在汽車結(jié)構(gòu)和抗疲勞設(shè)計(jì)中，應(yīng)為TRIP600鋼板提供簡單準(zhǔn)確的依據(jù)。采用最小二乘法對S-N曲線的左分支線性方程進(jìn)行擬合，作為鋼板疲勞的經(jīng)驗(yàn)公式。最小二乘法可用于確定疲勞曲線的最佳擬合直線。S-N曲線左分支線的擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 TRIP600起源于S-N曲線

3.3 TRIP600鋼板恒應(yīng)變疲勞性能分析

TRIP600鋼板的疲勞強(qiáng)度為560 MPa。我們發(fā)現(xiàn)試樣在拉-拉循環(huán)中發(fā)生縱向塑性變形作用。這種疲勞應(yīng)是高頻應(yīng)變疲勞。TRIP鋼疲勞強(qiáng)度接近屈服強(qiáng)度。它比屈服強(qiáng)度高。為了探索這種現(xiàn)象，對TRIP600恒應(yīng)變進(jìn)行高疲勞疲勞試驗(yàn)。對應(yīng)于選定的TRIP600鋼板的90%的位移值為第一載荷值。疲勞試驗(yàn)測得的第一位移值為0.2mm。隨后的位移荷載值依次減小。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：①循環(huán)基數(shù)為1000萬次②負(fù)荷頻率為8Hz③循環(huán)應(yīng)變率④正弦曲線應(yīng)力加載路徑。在TRIP600鋼板的恒應(yīng)變疲勞試驗(yàn)過程中，獲得了不同的位移值，得到了相應(yīng)的疲勞壽命值NF。

3.4 位移壽命曲線

根據(jù)用原點(diǎn)映射軟件得到的橫坐標(biāo)的對數(shù)疲勞壽命X=lgNi如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著應(yīng)變振幅的減小，循環(huán)次數(shù)增加。當(dāng)NF＝1×107個(gè)循環(huán)時(shí)，在加載頻率為8Hz時(shí)，TRIP600鋼板的R＝0。從兩條曲線對比可以看出，對應(yīng)于兩條曲線的循環(huán)應(yīng)力降在循環(huán)次數(shù)N=1×105時(shí)明顯不同。對于曲線，在循環(huán)軟化的最后階段，當(dāng)循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力變化幅度較小。逐漸穩(wěn)定，試樣不會斷裂。經(jīng)分析，TRIP600鋼板表現(xiàn)出整體循環(huán)硬化。

圖4 TRIP600ε-N曲線

4 結(jié)論

在循環(huán)載荷作用下，TRIP600鋼板具有軟化的特點(diǎn)。經(jīng)過初次淬火后，兩鋼板的塑性變形、強(qiáng)化、應(yīng)力降低等工藝特點(diǎn)產(chǎn)生了較高的抗疲勞斷裂性能。從表面應(yīng)力集中來看，疲勞源以疲勞裂紋源中的韌性斷裂為特征。伸展斷裂帶和瞬變斷裂帶以脆性斷裂為特征。結(jié)果表明，TRIP600鋼板的疲勞應(yīng)力極限為460MPa。采用鋼板公式疲勞試驗(yàn)的行程鋼板疲勞極限位移為600MPa。