600 MPa級汽車大梁鋼疲勞極限確定和疲勞斷裂原因分析

盧軍輝， 劉家琪， 仇圣桃， 干 勇

(鋼鐵研究總院連鑄技術國家工程研究中心, 北京 100081)

中國汽車行業對鋼材的消費量2016年為5 995萬噸,2017年為5 884×104t,2018年為5 625×104t。汽車用鋼消費構成大致包括三大部分:車體的白車身及覆蓋件用熱軋、冷軋薄板，滾型車輪用熱軋板帶，底盤及懸掛件用高強度熱軋鋼板。而大梁鋼多數用于載重車(貨車)的底盤行駛系統,包括車架和從動車橋、驅動車橋，即縱梁(大梁)和橫梁(副梁)。大梁使用高強度中厚板,副梁一般用普碳鋼和優碳鋼。大、中型客車的骨架結構主要使用熱軋中厚板,少量輕型客車使用熱軋薄板和冷彎型鋼。目前中國載重車、大客車和常用運輸車的縱、橫梁所用的大梁鋼規格在2.8～12 mm,主要牌號有T52L、P510L、P600L、B510L、B600L、W510L、W600L、A510L及09SiVL等。強度510 MPa級大梁鋼,強度來源主要靠合金添加,中國生產成熟,可以滿足供應。而采用薄板坯連鑄連軋(flexible thin slab rolling,FTSR)短流程生產600 MPa大梁鋼,依靠熱機械軋制(thermo mechanical control process,TMCP)提高強度,可以批量供應的廠家還不多,該工藝由于流程短,能夠節約能源,減少排放,同時由于減少合金添加可以降低生產成本,在市場上有較大的競爭力,又加上強度的提升,可以采用更薄的材質來生產,有利于汽車減量化。

外國典型的汽車大梁板的牌號有日新制鋼的HSH 52D、HSH 52T、NSH 52N,川崎制鐵的RHA50F,日本鋼管的GA-NKHA-52,德國赫施的NSM380,美國VAN-60,意大利Feer420,這些基本上是Nb系或Ti系板,極個別為含V鋼,本次開發鋼采用Nb-Ti復合強化的方式,通過合理控制(Nb,Ti)(C,N)析出來提高強度。

汽車大梁鋼作為汽車結構用重要承重部件,成型制造工藝復雜,材質要求具有較高的強韌性匹配、低屈強比、較好的冷彎成型性能和疲勞性能。由于疲勞一般不發生明顯的塑性變形,難以檢測和預防,但失效后極易造成事故和經濟損失。因此了解疲勞極限,分析疲勞斷裂的性質,找出疲勞斷裂發生的原因,研究斷裂機理,防止斷裂事故發生很有必要。

為滿足市場需求,充分發揮FTSR生產線高速、近終形的特點,開發600 MPa級汽車大梁用鋼。在裝車試用前,對其疲勞極限進行測試,對疲勞斷口進行觀察和分析,以確定開發鋼是否能滿足裝車要求,掌握開發鋼的疲勞性能,進一步提高開發鋼的疲勞極限。

1 試驗材料

疲勞試驗材料從FTSR生產線生產的1 500 mm×8.0 mm熱軋板卷上截取[1],該板卷生產的工藝流程為:鐵水預處理→頂底復吹轉爐→精煉→薄板坯連鑄機→加熱爐→2機架粗軋+5機架精軋→層流冷卻→卷取。熱軋板成分如表1所示,力學性能(垂直于軋制方向取樣)如表2所示,金相組織如圖1所示。由圖1可知,材料組織為鐵素體+少量貝氏體,依GB/T 6394進行晶粒度評級為12級,180°D(彎心直徑)=a(試驗厚度)冷彎試樣(垂直于軋制方向取樣)如圖2所示,無可見裂紋,板卷的成分、性能、組織狀態和冷彎性能均滿足GB/T 3273—2015要求。

表1 熱軋板卷化學成分Table 1 Chemical composition of hot rolled coil

表2 熱軋板卷力學性能Table 2 Mechanical properties of hot rolled coil

注：Rm為抗拉強度；Rel為屈服強度；A為延伸率；AKv-40 ℃為-40 ℃時試樣沖擊功

圖2 180°冷彎性能(D=a)Fig.2 Cold bending performance at 180° (D=a)

2 疲勞試驗過程

將熱軋板卷垂直于軋制方向取樣并加工,按GB/T 3075—2008準備疲勞試樣,加工圖如圖3所示,加工面的表面粗糙度不低于Ra0.2,工作部分的棱邊應光滑且有一適當的小圓角,試樣原厚度磨削加工至厚度為7.40 mm。疲勞試驗采用低周疲勞試驗,試驗方法采用升降法。試驗設備為德國Zwick公司150-HFP5100高頻疲勞試驗機,試驗溫度室溫,循環基數為5×106,試驗結果見表3。其中應力比R=-1,此時為對稱交變加載; 當應力比R=0,此時為零拉疲勞,試驗頻率均為15 Hz。

圖3 疲勞試樣加工圖Fig.3 Processing of fatigue test of specimen

試樣編號試驗應力S/MPa循環數N備注13305 000 000通過2330179 415斷裂3350167 198斷裂4340930 772斷裂5340338 245斷裂6340424 294斷裂73305 000 000通過83305 000 000通過9320500 010斷裂10320798 548斷裂113102 803 619斷裂123005 000 000通過13310221 281斷裂143205 000 000通過153305 000 000通過

3 數據分析

3.1 開發鋼S-N曲線

材料的疲勞性能一般以單軸應力-循環次數的形式表示,即S-N曲線。S-N曲線直接反映金屬材料的耐疲勞性能,它有多種表達形式,多年來,研究出多種S-N模型來描述中長壽命區的S-N關系[2-10]。本研究首先選用經典冪函數模型來表示應力S和疲勞壽命N的關系,見式(1)。將(1)式兩邊取對數并作相應變換得到式(2),式(2)表明對數應力lgS和對數疲勞壽命lgN之間呈線性關系。

SmN=C

(1)

式(1)中:S為試驗應力,MPa；N為疲勞壽命,次數；m和C為常數,由試驗確定。

式(1)兩邊取對數得mlgS+lgN=lgC，即

lgN=-mlgS+lgC

(2)

依據式(1)采用MATLAB軟件對數值進行擬合,如圖4所示,得到擬合方程[式(3)],其中95%置信區間時曲線方程為

S=327.3N-0.010 49

(3)

該曲線的擬合度為SSE: 2 216；R-square: 0.125 2；AdjustedR-square: 0.057 88；RMSE: 13.06。SSE數值偏大,可見擬合效果一般。直接用試驗應力S和疲勞壽命N作圖不能很好地表示出二者的關系。

圖4 試驗應力S與循環次數N的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of test stress S and cycle number N

根據式(2)進行擬合,如圖5所示,得到式(4),其中95%置信區間時擬合度:SSE: 0.003 993；R-square: 0.120 8；AdjustedR-square: 0.053 19；RMSE: 0.017 53。SSE基本接近0,擬合度尚可。

lgN=-0.010 38lgS+2.577

(4)

式(4)斜率較小,原因是:①材料具有較好的疲勞性能；②試驗過程采用的應力較大。

圖5 對數應力lgS與對數循環次數lgN的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of logarithmic stress lgS and logarithmic cycle number lgN

3.2 開發鋼的P-S-N曲線

由于疲勞試驗數據的離散性,試樣的疲勞壽命與應力水平間的關系并不是一一對應的單值關系,而是與存活率P有密切聯系。通常,金屬材料的疲勞壽命服從對數正態分布[2],則對數疲勞壽命Xp與存活率P(ξ>Xp)之間存在一一對應關系,其中ξ為作為隨機變量的對數疲勞壽命。薛鴻祥等[11]采用模糊法處理小子樣疲勞數據,但把離散性小的變量視為了確定值；王自力[12]采用貝葉斯法編程處理小樣本下疲勞數據,但對試驗循環負荷要求控制在常用負荷區域；蘇彥江[13]采用極大似然法求出了球墨鑄鐵在中等壽命區的P-S-N曲線,前提是壽命服從Weibull分布；李洪雙等[14]采用加權最小二乘法和Bootstrap方法考慮了數據分散性對擬合結果的影響,這幾種方法均只能用于成組法的實驗數據擬合。傅惠民等[15]采用升降法試驗數據用常規最小二乘法獲得P-S-N曲線,沒有考慮不同試驗點的樣本容量和數據分散性。結合實驗數據分布,本實驗采用高鎮同等[16]提出的標準正態偏量處理疲勞極限的方法。

對數疲勞壽命x正態分布的概率分布密度函數為

(5)

式(5)中:μ為對數疲勞壽命母體均值；σ為對數疲勞壽命母體標準差。則存活率P(ξ>Xp)可表示為

(6)

(7)

將式(5)代入式(7)中可得

(8)

采用變量置換方法,令

(9)

將式(9)兩端同時積分,得

dx=σdμ

(10)

將式(9)和式(10)代入式(8)得

(11)

根據式(9)做積分變量變換,當x=μ時,μ=0；當x=Xp時,相應μ為

(12)

此時的μp稱為“標準正態偏量”。

應用數值積分方法,可以得到各個存活率P和μp的對應關系,如表4所示。此處定義存活率P的對立面“破壞概率”Pf,顯見P+Pf=1。

表4 不同存活率P對應的μpTable 4 Different survival rate P vs μp ralue

利用對數正態分布求出不同應力水平下的P-N曲線后,將不同存活率下的數據點分別相連,即可得出一組S-N曲線,每一條曲線分別代表當前存活率下的應力-壽命關系,稱為P-S-N曲線。本實驗分別做出了50%、90%、95%和99.9%存活率下的P-S-N曲線,見圖6。由于汽車大梁鋼設定疲勞試驗周期為500萬次,則橫坐標大于6.698 97即可認為滿足要求,根據圖6作出趨勢線,橫坐標即為該鋼的疲勞極限Sp,如表5所示,此法確定疲勞極限應力簡單直觀,缺點是不精確。

圖6 不同存活率下P-S-N曲線及其疲勞極限應力Fig.6 P-S-N curves and its fatigue limit stress under different survival rates

P/%50909599.9Sp/MPa310303301294

3.3 疲勞極限的計算確定

材料的疲勞極限是材料本身所固有的性質,受循環特征、試件變形的形式和材料所處的環境影響,需通過疲勞試驗確定,該指標表明一種材料對周期應力的承受能力,下面通過計算得到。

由式(12)變換可得

Xp=μ+μpσ

(13)

則疲勞極限為

Sp=lg-1Xp

(14)

結合表4和式(14)計算得到不同存活率下的疲勞極限應力,詳見表6。當存活率為95%時,疲勞極限Sp為304.9 MPa,當存活率為99.9%時,疲勞極限為287.1 MPa,與抗拉強度比值為0.461～0.489,此數值與從P-S-N曲線得到的極限強度相比稍低,偏低2.4%。

3.4 疲勞試樣斷口分析

將斷裂的疲勞試樣表面采用超聲波清洗后,在日立4300掃描電鏡下觀察斷口情況,見圖7。圖7(a)所示為疲勞斷口表面,在其中可明顯地觀察到裂紋源和大量的疲勞輝紋,其放大形貌如圖7(b)和圖7(c)。疲勞輝紋是每一次疲勞載荷作用于疲勞裂紋擴展的方向留下的痕跡,是材料抵抗斷裂留下的痕跡。觀察斷口發現,疲勞裂紋擴展面積達到了總面積的2/3以上,且有不同形狀的疲勞條帶,依據“韌性好的材料容易產生疲勞輝紋”判斷該材料具有較好的斷裂韌性。在圖7(c)和圖7(d)中還觀察到二次裂紋,它垂直于疲勞輝紋,對其中存在的球狀夾雜物進行能譜分析,可知其為CaS、MnS和Al的氧化物形成的復合夾雜物,能譜見圖7(e)。

圖7 疲勞試樣斷口形貌SEM分析Fig.7 Fracture morphology of fatigue specimens by SEM

從宏觀斷口看出,裂紋擴展至瞬斷區前斷口均平整光滑,到疲勞輝紋處表面逐漸粗糙,從微觀能觀察到二次裂紋,因此可以推斷,在夾雜物附近首先形成了開放性的小孔,隨著應力的逐步加載,小孔進行了擴展、聯合,變為了較大的裂紋,應力繼續加載后裂紋擴展并聯合,造成材料的疲勞斷裂。

從圖7(d)可以清晰地看出該斷裂為韌性斷裂,材料的裂紋源是夾雜物, 要想提高材料的疲勞極限,努力減少鋼中夾雜物[17]是一條可行的途徑。

4 實際應用

將開發鋼制成大梁,其工藝流程為：開平裁剪→碾軋→剪切→修整→檢查→包裝,依據板卷寬度,共計生產了3種規格的產品:5 670 mm×150 mm×130 mm(30根)、6 070 mm×150 mm×130 mm(88根)和7 270 mm×150 mm×130 mm(18根),生產過程如圖8所示。經現場檢驗產成品沒有材質缺陷,如裂紋、節疤、分層等缺陷,隨后已裝車試用,目前使用良好。

圖8 大梁生產過程和成品Fig.8 Production process of automobile frame and finished products

5 結論

對FTSR生產的600 MPa級汽車大梁鋼采用升降法進行了疲勞性能研究,得到如下結論。

(1)采用lgS-lgN進行擬合,得到lgN=-0.010 38 lgS+2.577,該等式要優于直接采用S-N曲線擬合。

(2)作出了不同存活率下的P-S-N曲線,作圖得到99.9%存活率下疲勞極限強度為294 MPa,通過精確計算,得到該存活率下疲勞極限強度為287.1 MPa。

(3)疲勞斷裂為韌性斷裂,夾雜物為裂紋源的起源。

(4)FTSR生產線開發的600 MPa級汽車大梁鋼各項指標滿足GB/T 3273—2015的要求,疲勞性能滿足裝車使用要求。