預壓縮對DP590汽車鋼板疲勞性能影響研究*

王青峽，王光耀，趙奕炳，范培耕，趙 巖

（1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，重慶 401331； 2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

前言

DP590鋼是將低碳鋼或低碳合金鋼經過臨界區熱處理或控制軋制工藝后得到的細小鐵素體基體上分布有硬化相的雙相高強鋼。其中鐵素體和軟相為鋼板提供良好的成型性能，而馬氏體或貝氏體組織則確保材料具有較高的強度。DP590雙相鋼具有低的屈強比（σs／σb）、高的加工硬化指數、優良的抗疲勞性能和應力腐蝕性能，廣泛應用在汽車B柱、輪轂、縱梁和內外覆蓋件上［1］。

作為新一代汽車輕量化發展的替代材料，目前對DP590汽車鋼板常規力學性能的研究較為普遍［2］。但由于汽車用鋼在工作狀態下往往承受較大的脈動拉壓載荷和沖擊彎曲載荷，疲勞破壞是其重要的失效形式之一。而對DP590汽車鋼板疲勞性能的研究，尤其是壓縮變形后的疲勞性能變化研究卻鮮有報道。本文中基于此針對600 MPa抗拉強度級別的DP590鋼壓縮變形后的疲勞性能進行了研究，并對其斷口形貌和失效方式進行詳細的分析。為后續優化車身設計結構、豐富汽車用鋼選型奠定試驗基礎。

1 試樣制備與試驗方案

試驗材料選用抗拉強度600 MPa級，厚度為5.3 mm的汽車用DP雙相鋼板，其化學成分見表1。該試驗分別對熱軋原始態和施加10%的壓縮變形后的兩種試樣進行疲勞性能和斷口形貌分析研究，DP590汽車鋼板熱軋原始態和壓縮變形后的力學性能見表2，微觀金相組織見圖1。

表1 DP590汽車鋼板化學成分質量分數 %

表2 DP590汽車鋼板力學性能

圖1 DP590鋼板顯微金相組織圖

試驗依據材料在不同載荷狀態下循環加載失效規律，采用成組法對同種材料在5個不同載荷應力值下進行疲勞試驗測試。試驗在疲勞壽命104～107次范圍內，每個載荷水平下進行5次試驗，加載頻率0.01～40 Hz，加載模式為拉 壓加載，試驗加載譜為正弦波，載荷比R＝-1。疲勞試驗選用SDN—200電液伺服疲勞試驗機，負荷和位移測量精度為±1%。最大加載應力σmax＝S（施加的拉伸應力載荷），最小加載應力σmin＝-S（施加的壓縮應力載荷），疲勞失效判定依據為試樣任意側出現裂紋或者斷裂。采用日立S-3700N掃描電子顯微鏡進行斷口形貌觀察。參照金屬軸向疲勞試驗方法國家標準（GB／T 3075—2008）開展試樣壓縮和交變載荷疲勞試驗。疲勞試驗用試樣形狀尺寸和技術要求見圖2（單位：mm）。

圖2 疲勞試樣圖示

2 結果與分析

2.1 疲勞強度

疲勞極限反映材料對周期應力的承受能力，材料所承受的循環載荷應力幅越小，到發生疲勞斷裂時所經歷的應力循環次數越長。該試驗依據材料在不同載荷狀態下循環加載失效規律，采用成組法對同種材料在5個載荷應力值下進行疲勞試驗測試，考慮到試驗結果的離散性，實際測試應力值時的試樣數量大于5根。初始應力載荷選取約為S≈0.5σb。兩種試樣疲勞壽命測試數據見表3。

表3 疲勞試樣斷裂失效數據

圖3為DP590熱軋原始態和壓縮10%后試樣的疲勞試驗S-N曲線，橫坐標表示應力循環次數N，縱坐標表示試樣承受的最大應力S。對于鋼和鑄鐵材料，當循環次數N達到2×106～2×107次時，曲線接近水平［3］。因此，疲勞試驗得出DP590熱軋原始試樣的疲勞極限約為282 MPa，即疲勞強度σ-1＝0.43σb，壓縮10%后試樣的疲勞極限約為312 MPa，疲勞強度σ-1＝0.46σb。DP590汽車鋼板施加10%壓縮變形后材料的疲勞極限提升10.6%。

圖3 S-N曲線對比圖

2.2 疲勞斷口分析

疲勞斷口經超聲波清洗后進行掃描電鏡觀察，分析疲勞裂紋的起源區、擴展區和瞬斷區的形貌特征［4-5］。圖4為熱軋原始試樣在330 MPa應力載荷下進行疲勞試驗斷裂后的低倍宏觀斷口照片。可以觀察到斷裂發生在試樣的中部，斷口呈明顯的三區特征。

圖4 斷裂后的試樣與宏觀斷口形貌

表4為裂紋起源區EDS能譜分析元素含量。由表可知，裂紋起源區除C，O，Si和少量Al與Mn元素外，并無其它特別元素的存在，疲勞裂紋的起源傾向于應力加載過程中循環滑移導致表面產生微裂紋并逐步擴展所致。

表4 裂紋起源區EDS能譜分析元素含量

圖5（a）為裂紋起源區與裂紋擴展區前期的顯微形貌。疲勞初始裂紋首先在試樣表面的缺陷或雜質處形核，顯微照片可清楚地觀察到微裂紋從右下角呈扇形趨勢向左上方擴散，附近存在較多放射形與人字形條紋，此處即為疲勞裂紋的起源區。圖5（b）和圖5（c）為裂紋擴展區?？梢钥闯?，放射性條紋與其相鄰的條紋之間存在一些微小的解理臺階，并伴有一些疲勞條帶在其內部清晰可見。在疲勞裂紋擴展的早期階段，即微裂紋擴展區，裂紋擴展主要呈現為脆性解理斷裂，其裂紋擴展的速率相對較高。然而，在解理斷裂面上存在早期寬度較小的疲勞條帶，表明放射性條紋解理面經歷的疲勞周次較多，裂紋擴展速率有減緩趨勢。在疲勞起源區向疲勞擴展區的過渡區斷裂表面，可以觀察到河流花樣、解理臺階、塑性亮痕。這表明在短裂紋向長裂紋過渡區，材料疲勞斷裂表面呈現出脆性斷裂和延性斷裂的混合斷裂形貌特征［6］。圖5（d）為瞬時斷裂區，微觀形貌屬于典型的塑形斷裂特征，存在較多大小均勻的等軸狀韌窩，材料組織分布較均勻。但韌窩深度較淺，呈現撕裂狀斷口，表明斷裂的發生是在短時間內完成的。裂紋擴展后期，第2階段擴展區斷面逐漸趨于平整，疲勞輝紋明顯增多，輝紋間距增大。

圖5 熱軋原始試樣300 MPa應力值斷口形貌

圖6 為試樣壓縮10%后在360 MPa應力水平下的疲勞斷口形貌。圖6（a）清晰地顯示疲勞裂紋起始源于試樣的角部，并迅速向著斷面的左下方擴展。從圖6（b）和圖5（c）可以觀察裂紋擴展的路徑，擴展區斷面形貌較粗糙，條紋可見，由眾多解理面與大小不一的凹坑構成，局部區域可觀察到二次裂紋，疲勞輝紋與二次裂紋擴展方向垂直。圖6（d）為瞬斷區，存在大量等軸韌窩，深度相對較深，呈現撕裂狀斷口?？梢钥闯鰯嗔押笃谑撬查g被撕裂的，并且由于斷裂瞬間承受較大的局部應力載荷，斷口處可見多條長度不等的顯微裂紋存在。

圖6 壓縮10%試樣360 MPa應力值斷口形貌

對比圖5和圖6的各階段形貌可以看出，壓縮10%試樣的裂紋擴展區粗糙度明顯減小，這主要是由于預變形增大了材料的屈服強度和抗拉強度。但同時材料的塑韌性有所降低，表現出加工硬化的現象。預壓縮會抑制材料的疲勞裂紋擴展，提高材料的疲勞極限和使用壽命。

2.3 殘余應力

2.3.1 殘余壓縮應力對疲勞性能的影響

殘余應力通常是由不均勻的塑性變形引起的。施加于構件的外加載荷將引入與外加載荷和構件形狀相對應的應力分布［3，7-8］。為了更有效地分析殘余壓縮應力對疲勞性能的影響，須引入應力強度因子的概念。應力強度因子是表征外加載荷作用下裂紋尖端附近應力分布強度的參量，針對軸向力控制疲勞試驗，應力強度因子表達式如下：

式中：β為與試樣幾何和零件相關的因子；S為遠端施加的應力；α為微裂紋長度。

疲勞試驗小規模屈服條件下的裂紋擴展速率dα／d N可表示為應力強度因子的函數［3］：

其中ΔKI＝KImax-KImin

式中KImax和KImin分別是載荷循環應力的最大值和最小值相對應的應力強度因子。

軸向力疲勞試驗時，裂紋尖端附近的應力場由外加載荷與殘余應力共同組成。外加載荷包括應力幅值Sa和平均應力Sm，而殘余應力是永久存在的，它不影響應力幅值，只改變平均應力。當殘余應力為壓縮應力時，依據式（1）將降低平均應力Sm和應力強度因子，進而減緩裂紋的擴展速率，提高材料的疲勞壽命。壓縮變形產生的殘余應力較大時，應力峰值可能很低甚至轉變為壓縮應力，導致微裂紋將難以擴展。由于殘余應力不影響應力幅值，材料表面的循環滑移仍然得以進行，從而可能出現微裂紋形核，但只要微裂紋在應力峰值下無法張開，微裂紋將不會發生擴展。如果包含了殘余壓縮應力的應力峰值為拉伸應力，微裂紋仍然可能擴展，但其擴展速率會因較低的應力峰值而減?。?-10］。

2.3.2 殘余應力的利用

根據應力強度因子理論，降低裂紋尖端的應力強度因子，對材料的疲勞性能有利。而施加殘余壓縮應力是顯著降低裂紋尖端應力強度因子的有效手段。本試驗分析DP590鋼壓縮變形后對疲勞性能的影響，試驗結果與理論分析相吻合。分析推斷，針對大多數承受交變載荷的汽車用鋼，施加有效的殘余壓縮應力，可降低材料疲勞失效的風險。在汽車工業中，可通過多種方式提高材料的殘余壓縮應力。例如：對表面疲勞性能要求較高的材料，可通過噴丸強化的方式提高表面的殘余壓縮應力；對缺口孔洞類車身材料，可通過小孔脹成大孔的方式增加孔洞周圍材料的殘余壓縮應力；對部分軸對稱類汽車零件，可通過熱處理方式獲得外壓內拉的殘余應力；此外，有效的裝配工藝、不均勻的塑形變形和特殊的加工工藝等技術都可對材料施加一定的殘余壓縮應力，最終提高材料的疲勞性能。

3 結論

（1）對DP590汽車用鋼板兩種狀態下的疲勞性能進行測試，熱軋原始態σ-1＝282 MPa，壓縮10%預變形σ-1＝312 MPa，壓縮變形后疲勞極限提升10.5%。

（2）觀察熱軋原始態和壓縮10%預變形疲勞斷口形貌，呈現明顯的三區特征。起始區均源自試樣的角部，呈放射狀。擴展區主要為脆性解理斷裂，可觀察到河流花樣、解理臺階和塑性亮痕。瞬斷區存在大量等軸韌窩，呈現撕裂狀特征，并可觀察到長度不等的微裂紋。

（3）有效的殘余壓縮應力可降低裂紋尖端應力場的應力強度因子，減緩裂紋擴展速率或抑制疲勞裂紋擴展，提高材料的疲勞極限和使用壽命。