CP800鋼的低周疲勞特性研究

甘 露 金 一 張 梅

(1.上海匯眾汽車制造有限公司技術中心，上海 200122; 2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

汽車車身用材料的輕量化是實現汽車輕量化的有效途徑之一，因此需研究開發汽車用高強度和超高強度鋼板[1]。

CP800鋼是第一代先進高強度鋼，其組織為鐵素體和貝氏體，具有高強度和較高的塑性，多用于汽車構件。汽車構件的疲勞壽命對于汽車的安全行駛起關鍵作用，因此有必要研究材料的疲勞性能。目前對CP800復相鋼疲勞特性的研究較少，本文通過拉-壓循環加載的疲勞試驗研究了CP800鋼的低周疲勞特性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為量產的CP800鋼板，厚3.5 mm，化學成分及力學性能見表1、表2，顯微組織為鐵素體和貝氏體，晶粒細小。用拉伸法得到彈性段的應力幅σ和應變幅ε，根據σ=Eε計算得出彈性模量E為2.30×105MPa。

表1 研究用CP800鋼的化學成分(質量分數)

表2 研究用CP800鋼的力學性能

1.2 試驗方法與試樣

低周拉-壓疲勞試驗在MTS 730.02型電液伺服疲勞試驗系統上按GB/T 15248—1994進行，加載波形為三角波，加載頻率恒定，為1 Hz。

疲勞試樣尺寸如圖1所示。試驗為軸向等幅拉-壓，拉-壓方向垂直于軋制方向，采用標距為10 mm的引伸計。采用M205C體視顯微鏡和掃描電鏡觀察分析疲勞試驗試樣的斷口形貌和失效機制。

圖1 低周疲勞試樣尺寸

2 結果與討論

2.1 試驗數據

圖2 滯后回線示意圖

(1)

2.2 E-N曲線擬合

疲勞行為遵循Basquin公式(1)和Coffin-Manson公式(2)。采用式(1)、式(2)對應變數據進行擬合,獲得應變疲勞參數。

(1)

(2)

對式(1)和式(2)進行對數處理,獲得式(3)、式(4)。對式(3)、式(4)進行線性擬合，再根據擬合直線的斜率與截距得到疲勞延性系數εf′、疲勞延性指數c、疲勞強度系數σf′、疲勞強度指數b。

(3)

(4)

塑性應變幅、彈性應變幅與壽命反復數對數之間線性擬合結果見圖3、圖4。計算得到：εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107。根據式(1～3)可得式(5)，即預測構件低周疲勞循環次數的公式:

(5)

圖關系曲線

圖關系曲線

將擬合計算得到的疲勞參數代入式(5)，得到循環次數Nf與總應變Δεt之間的關系，即預測CP800鋼低周疲勞壽命與壽命反復數對數之間的關系式(6)。繪制總應變幅、彈性應變幅和塑性應變幅曲線，如圖5所示。過渡壽命Nt值(圖5中兩條擬合虛線交點的壽命)為材料從彈性變形向塑性變形轉變的次數，CP800鋼的過渡壽命為592次。

圖5 log(Δεt)、log(Δεe)、log(Δεp)和log(2Nf)之間的關系

(6)

2.3 斷口分析

圖6為CP800鋼疲勞試樣斷口的宏觀形貌，圖7為斷口的掃描電鏡照片。

圖6表明，疲勞試樣斷口有明顯的裂紋源A、擴展區B和瞬斷區C。圖6中A處的掃描電鏡觀察發現有多個裂紋源，如圖7(a)和7(d)所示；圖6中B區有許多“海灘狀”的細小條紋從裂紋源處向外擴展，放大可見疲勞輝紋，如圖7(b)和7(e)所示；圖6中C區(深色區)存在明顯的塑性變形，局部放大后的形貌見圖7(c)和7(f)，為瞬斷區，有大量深淺不一的韌窩。

圖6 以0.6%和0.8%的應變幅疲勞試驗后試樣斷口的宏觀形貌

總體來看，試樣均為多源疲勞失效。在裂紋擴展區可以觀察到疲勞輝紋，并且隨著應變幅的增大而增多，疲勞條帶間距增大。這是由于平均應力與應變幅成正比關系，應變幅增大使平均應力增大，導致裂紋擴展速率增大[3]。

隨著應變幅的增大，裂紋的擴展速率增大，如圖7(b)所示，應變幅為0.6%時，試樣斷口的疲勞輝紋細密；相反，如圖7(e)所示，以0.8%的應變幅疲勞試驗的試樣，疲勞輝紋間距變寬。在疲勞試驗過程中，試樣受到反復的拉-壓載荷，裂紋萌生并擴展。隨著裂紋擴展的加劇，試樣的實際有效受力面積不斷減小，導致其局部經受的真實應力增大，裂紋擴展速率也增大。真實應力增大到一定程度時，試樣斷裂，形成與擴展區形貌截然不同的瞬斷區。微觀形貌為：靠近疲勞源的裂紋擴展區輝紋密集，而近瞬斷區的裂紋擴展區輝紋間隔較寬。宏觀上，瞬斷區面積較大，且用掃描電鏡可觀察到深淺不一的韌窩，表明塑性良好。

圖7 以0.6%和0.8%的應變幅疲勞試驗后試樣斷口裂紋源(a，d)、裂紋擴展區(b，e)和瞬斷區(c，f)的掃描電鏡圖

2.4 循環應力

圖8為以0.8%的應變幅疲勞試驗不同周次后試樣的滯后回線。圖8表明，CP800鋼的疲勞循環應力變化總體上是穩定的，開始至穩定階段，應力稍有上升，后期則下降。

圖8 以0.8%應變幅疲勞試驗時循環硬化和軟化現象的滯后回線和滯后回線的最大應力

在疲勞試驗的初期，試樣中較軟的鐵素體首先形變，在拉-壓載荷的作用下鐵素體內的位錯密度增大[4]，位錯環阻礙位錯運動，且位錯運動受到鐵素體-貝氏體晶界的阻礙，導致在循環的開始階段發生硬化。但在鐵素體硬化達到峰值時，隨后較硬的貝氏體在外力的作用下開始變形，導致原兩相邊界塞積的位錯開始重新運動，從而發生軟化。此外，貝氏體也提高了材料的硬化速率[5]。有關鐵素體-貝氏體鋼力學性能的研究發現，在外加載荷的作用下，硬相貝氏體在低周疲勞中僅發生彈性變形而不發生塑性變形，發生變形的鐵素體由于應變協調作用，會在貝氏體和鐵素體界面產生大量的應變協調位錯，產生加工硬化[6]。由圖8可知，以0.8%應變幅疲勞試驗至第800次循環時，應力幅顯著減小，表明材料明顯軟化。

有關鐵素體-馬氏體雙相鋼循環形變的研究表明[7]，材料會出現先硬化后軟化的循環變化，并且當應變幅較大(Δε≥0.6%)時，軟化出現的越早，軟化程度越大；而小應變幅的應變不足以使馬氏體完全變形，不會出現兩相界面較顯著的位錯運動，因此不會明顯軟化。

3 結論

(1)CP800鋼以-1的應力比(R)進行低周拉-壓疲勞試驗時，疲勞參數值分別為εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107，循環次數與應變的關系式為:

(2)CP800鋼疲勞試樣斷口有多個裂紋源，裂紋擴展區有明顯的疲勞輝紋。

(3)CP800鋼循環力學行為總體穩定，循環響應為前半個壽命期逐漸輕微硬化，隨后迅速軟化。