3種汽車(chē)大梁鋼軸向加載低周疲勞性能的比較

(河鋼集團(tuán)唐鋼公司, 唐山 063000)

隨著人民生活水平的提高，汽車(chē)的使用越來(lái)越普遍，人們對(duì)汽車(chē)的使用性能也提出了更高的要求。耐久性作為汽車(chē)使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)受到汽車(chē)設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注，因此制造商在選用汽車(chē)制造材料時(shí)都會(huì)要求其供應(yīng)商提供相應(yīng)的疲勞性能數(shù)據(jù)。車(chē)架作為汽車(chē)重要的承載部件，其耐久性對(duì)于汽車(chē)的使用壽命和行車(chē)安全至關(guān)重要，車(chē)架的橫縱梁通常選用大梁鋼來(lái)制造，而大梁鋼的疲勞性能數(shù)據(jù)對(duì)于分析車(chē)架的耐久性具有重要意義[1-4]。目前對(duì)大梁鋼疲勞性能的研究主要集中在高周疲勞方面，而對(duì)其低周疲勞性能的研究報(bào)道較少[5-6]。為研究汽車(chē)大梁鋼的軸向加載低周疲勞性能，筆者選取TCX420L，TCX510L，TCX610L 3種不同強(qiáng)度的大梁鋼進(jìn)行軸向加載低周疲勞性能測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析求得材料的應(yīng)變-壽命曲線、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及疲勞參數(shù)，并對(duì)材料的循環(huán)材料特性、Masing特性及過(guò)渡疲勞壽命進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法及試樣制備

根據(jù)GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，在室溫(25 ℃)環(huán)境下使用INSTRON 8801型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。采用應(yīng)變控制方式，對(duì)每種大梁鋼選取總應(yīng)變幅為0.8%，0.7%，0.6%，0.5%，0.4%，0.3%，0.2%的7個(gè)應(yīng)變水平進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)應(yīng)變水平取3個(gè)有效試樣進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變比為-1，應(yīng)變控制的加載頻率為0.4 Hz，試樣的失效判據(jù)為位移變化±1 mm或加載力值下降10%。

從車(chē)間成品庫(kù)取樣，在板寬的1/4處，沿板材的軋制方向采用線切割加工出試樣形狀，并留出一定的加工余量，然后采用磨拋裝置加工到標(biāo)準(zhǔn)要求的尺寸和精度。3種大梁鋼采用相同尺寸的試樣，其名義厚度均為3 mm，如圖1所示。

圖1 試樣尺寸示意圖Fig.1 Diagram of sample size

2 靜態(tài)拉伸性能

材料的靜態(tài)拉伸性能與其疲勞性能有一定的相關(guān)性[7]，因此首先測(cè)試每種材料的靜態(tài)拉伸性能,用于汽車(chē)大梁鋼循環(huán)材料特性的估計(jì)。根據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求沿板材的軋制方向截取試樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。靜態(tài)拉伸性能的測(cè)試結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)3種汽車(chē)大梁鋼中強(qiáng)度級(jí)別越高，其斷后伸長(zhǎng)率越低。

表1 3種大梁鋼靜態(tài)拉伸性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of static tensile properties of three frame steels

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)變-壽命曲線、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及疲勞參數(shù)

(1)

式中：σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；E為材料的彈性模量；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

(2)

式中：ε′f為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)。

(3)

(4)

式中：K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

對(duì)公式(1)，(2)，(4)兩邊取對(duì)數(shù)(以10為底的對(duì)數(shù))，將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，即可求得相應(yīng)的截距和斜率，然后通過(guò)截距和斜率即可求得疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ′f，疲勞強(qiáng)度指數(shù)b，疲勞延性系數(shù)ε′f，疲勞延性指數(shù)c，循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)K′和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′等6個(gè)低周疲勞性能參數(shù)。

3種汽車(chē)大梁鋼的低周疲勞性能參數(shù)如表2所示，相應(yīng)的應(yīng)變-壽命曲線和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2～7所示。

表2 3種汽車(chē)大梁鋼軸向加載低周疲勞性能參數(shù)Tab.2 Low cycle fatigue property parameters of three automobile frame steels under axial loading

圖2 TCX420L鋼的應(yīng)變-壽命曲線Fig.2 Strain-life curve of TCX420L steel

圖3 TCX420L鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Cyclic stress-strain curve of TCX420L steel

圖4 TCX510L鋼的應(yīng)變-壽命曲線Fig.4 Strain-life curve of TCX510L steel

圖5 TCX510L鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Cyclic stress-strain curve of TCX510L steel

圖6 TCX610L鋼的應(yīng)變-壽命曲線Fig.6 Strain-life curve of TCX610L steel

圖7 TCX610L鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Cyclic stress-strain curve of TCX610L steel

3.2 循環(huán)材料特性

材料的瞬態(tài)循環(huán)響應(yīng)反映了材料在循環(huán)載荷作用下抵抗變形的變化過(guò)程。如果一種材料受到對(duì)稱循環(huán)應(yīng)變控制的載荷作用，就會(huì)以下面的一種方式作出響應(yīng)：周期性硬化、周期性軟化、保持穩(wěn)定或是以上幾種響應(yīng)方式的組合。

估計(jì)材料在對(duì)稱循環(huán)加載時(shí)的響應(yīng)方式有一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)方式。如果Rm/ReL>1.4，材料表現(xiàn)為循環(huán)硬化；如果Rm/ReL<1.2，材料表現(xiàn)為循環(huán)軟化；當(dāng)Rm/ReL的比值處于1.2～1.4時(shí)，材料可能表現(xiàn)為循環(huán)硬化，也可能表現(xiàn)為循環(huán)軟化，或者兩者兼而有之[8]。根據(jù)表1中材料的靜態(tài)拉伸測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)于TCX420L鋼，Rm/ReL=450/341=1.32，處于1.2～1.4，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法估計(jì)材料可能表現(xiàn)為循環(huán)硬化，也可能表現(xiàn)為循環(huán)軟化，或者兼而有之；對(duì)于TCX510L鋼，Rm/ReL=558/473=1.18，小于1.2，估計(jì)其瞬態(tài)材料特性應(yīng)該表現(xiàn)為循環(huán)軟化；對(duì)于TCX610L鋼，Rm/ReL=656/575=1.14，小于1.2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法判斷其瞬態(tài)材料特性應(yīng)該表現(xiàn)為循環(huán)軟化。分別選取TCX420L鋼在0.5%總應(yīng)變幅，TCX510L鋼和TCX610L鋼在0.6%總應(yīng)變幅水平試驗(yàn)時(shí)一組循環(huán)次數(shù)-應(yīng)力值曲線，如圖8～10所示。

圖8 TCX420L鋼總應(yīng)變幅為0.5%的循環(huán)次數(shù)-應(yīng)力值曲線Fig.8 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.5% for TCX420L steel

圖9 TCX510L鋼總應(yīng)變幅為0.6%的循環(huán)次數(shù)-應(yīng)力值曲線Fig.9 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.6% for TCX510L steel

圖10 TCX610L鋼總應(yīng)變幅為0.6%的循環(huán)次數(shù)-應(yīng)力值曲線Fig.10 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.6% for TCX610L steel

可知在應(yīng)變控制的循環(huán)加載條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，TCX420L鋼的應(yīng)力峰(最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力)值先減小后增大，也就是先表現(xiàn)為循環(huán)軟化，后表現(xiàn)為循環(huán)硬化，符合經(jīng)驗(yàn)公式的估計(jì)結(jié)果，軟、硬化兼而有之。TCX510L鋼的應(yīng)力峰值先減小后增大再減小，循環(huán)特性表現(xiàn)為先軟化再硬化再軟化，與經(jīng)驗(yàn)公式的估計(jì)結(jié)果有差異，但硬化段循環(huán)次數(shù)較少，整體呈軟化趨勢(shì)。TCX610L鋼的應(yīng)力峰值隨循環(huán)次數(shù)增加呈一直下降的趨勢(shì)，即表現(xiàn)為循環(huán)軟化，與經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)結(jié)果相同。通過(guò)3種大梁鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)來(lái)看，實(shí)際測(cè)試的循環(huán)材料特性與經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)的材料特性比較一致。

3.3 Masing特性

將不同應(yīng)變幅下應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線的最低點(diǎn)平移到與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，如果各遲滯回線的上行段軌跡相吻合，則稱該材料為Masing材料，具有Masing特性；反之則不具有Masing特性，稱為非Masing材料[9-10]。

選取每種汽車(chē)大梁鋼不同應(yīng)變幅下的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線，將其最低點(diǎn)平移到坐標(biāo)原點(diǎn)，得到相應(yīng)材料的Masing特性或非Masing特性曲線，如圖11～13所示。

圖11 TCX420L鋼的非Masing特性曲線Fig.11 Non-Masing curve of TCX420L steel

圖12 TCX510L鋼的非Masing特性曲線Fig.12 Non-Masing curve of TCX510L steel

圖13 TCX610L鋼的Masing特性曲線Fig.13 Masing curve of TCX610L steel

從圖中可以看出TCX420L鋼和TCX510L鋼的各應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線上行段不重合而TCX610L鋼的各應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線上行段基本重合，因此TCX420L鋼和TCX510L鋼為非Masing材料，TCX610L鋼為Masing材料。TCX420L鋼各條遲滯回線間距較大，TCX510L鋼各條遲滯回線間距相比TCX420L鋼的較小，TCX610L鋼的遲滯回線則基本重合，TCX420L鋼和TCX510L鋼有由非Masing特性材料向Masing特性材料過(guò)渡的傾向。

3.4 過(guò)渡疲勞壽命

過(guò)渡疲勞壽命是指塑性應(yīng)變幅等于彈性應(yīng)變幅時(shí)的疲勞壽命。如圖2,4,6所示，過(guò)渡疲勞壽命2NT是彈性應(yīng)變-壽命曲線和塑性應(yīng)變-壽命曲線的交叉點(diǎn)。在該點(diǎn)的左側(cè)，疲勞壽命小于過(guò)渡疲勞壽命的區(qū)域塑性應(yīng)變起主要作用，即是低周疲勞區(qū)域，交叉點(diǎn)的右側(cè)，疲勞壽命高于過(guò)渡疲勞壽命區(qū)域彈性應(yīng)變起主要作用，稱為高周疲勞區(qū)域[11]。

4 結(jié)論

(1) 循環(huán)加載條件下，TCX420L鋼的材料特性表現(xiàn)為先軟化后硬化，TCX510L鋼表現(xiàn)為先軟化再硬化再軟化，TCX610L鋼表現(xiàn)為持續(xù)軟化。與經(jīng)驗(yàn)公式法估計(jì)的循環(huán)材料特性比較一致。

(2) TCX420L鋼和TCX510L鋼為非Masing材料，而TCX610L鋼為Masing材料，且TCX420L鋼和TCX510L鋼有由非Masing材料向Masing材料過(guò)渡的趨勢(shì)。

(3) 3種大梁鋼中抗拉強(qiáng)度越高，其過(guò)渡疲勞壽命就越低。