汽車用SPHC熱軋薄鋼板的低周疲勞特性

孫曉冉,宋 月，谷秀銳，白麗娟，趙秀娟

(1.河鋼集團鋼研總院理化檢測中心，石家莊 052160；2.河北工業職業技術學院材料工程系，石家莊 050091)

0 引 言

SPHC鋼具有良好的塑韌性、熱加工成形性、焊接性能，是優質的冷軋基料[1]，多作為沖壓和面板成形等深加工用材[2]，其產品廣泛應用于汽車、家電等行業。汽車制造業的發展不僅要求材料具有良好的靜態力學性能，還需要具有優異的動態疲勞性能。模擬設計和成形仿真技術的蓬勃發展使得汽車零部件的設計越來越傾向于優先進行模擬仿真，相應地對材料變形過程中動態力學性能指標的要求也越來越詳細。因此，掌握材料的動態力學特性對材料的成形設計和仿真模擬格外重要，對汽車結構件的安全設計也具有重要意義。目前，有關SPHC鋼低周疲勞特性的研究較少，從而影響了SPHC鋼汽車零部件的設計分析。因此，作者以河鋼某鋼廠所產汽車用SPHC熱軋薄鋼板為研究對象，對其開展靜態拉伸試驗、循環應變低周疲勞試驗，得到SPHC鋼的應力與應變關系和應變與壽命關系，并對斷口形貌進行觀察，分析該鋼的低周疲勞特性，為模擬分析和仿真設計提供數據基礎。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用河鋼某鋼廠生產的2.0 mm厚汽車用SPHC熱軋薄鋼板，其化學成分(質量分數/%)為0.12C,0.6Mn,0.5Si,≤0.035P,≤0.035S。按照GB/T 26077-2010[3]，在試驗鋼上截取3個等截面啞鈴形板狀拉伸試樣，分別標記為試樣1、試樣2、試樣3，試樣平行段寬度為15 mm，標距為50 mm，采用Zwick100 KN型電子式拉伸試驗機進行軸向靜態拉伸試驗，采用應變速率控制模式。按照GB/T 15248-2008[4]，在試驗鋼上截取如圖1所示的疲勞試樣，采用MTS landmark 370.25型電液伺服疲勞試驗機進行拉-壓低周疲勞試驗，采用恒應變速率控制模式，加載波形為三角波，應力比R為-1，循環頻率為0.5 Hz，選用標距為10 mm的632.13F-23型引伸計實時測量應變；由于試樣較薄，在拉-壓循環過程中使用防屈曲裝置以防止試樣出現屈曲變形而發生失穩破壞。疲勞試驗結束后，采用ZEISS Ultra55型場發射掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

圖1 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue specimen

2 試驗結果與討論

2.1 靜態應力與應變關系

由拉伸試驗得到的靜態應力-應變曲線如圖2所示，試驗鋼的屈服強度測試值分別為262，267,267 MPa，抗拉強度測試值分別為342,343,342 MPa，斷后伸長率測試值分別為39%，40%，41%，平均屈服強度、平均抗拉強度、平均斷后伸長率分別為265 MPa，342 MPa，40%。

圖2 試驗鋼的靜態工程應力-工程應變曲線Fig.2 Static engineering stress-engineering strain curve of test steel

采用Remberg-Osgood彈塑性應力應變關系[5]對應力、應變數據進行擬合，其表達式為

ε=σ/E+(σ/K)1/n

(1)

式中：ε為工程應變；σ為工程應力；E為彈性模量；K為強度系數；n為靜態應變硬化指數。

式(1)中第一部分σ/E表征彈性應變階段，第二部分(σ/K)1/n表征塑性應變階段。經擬合計算得到，SPHC鋼的靜態強度系數為286，應變硬化指數為0.133。該數據可為該材料低周疲勞試驗和零部件設計提供基礎參數。

2.2 動態循環應力與應變關系

在恒應變控制的低周疲勞試驗初期的循環階段會出現循環硬化或軟化現象，該階段一般占整個疲勞壽命Nf的1/10～1/2，之后進入穩定循環狀態，即應力與應變關系穩定。穩定循環狀態下的應力-應變曲線呈滯回環形狀，選取不同應變幅下系列滯回環線的最高數據點，按最小二乘法進行擬合后，即可得到循環應力-應變曲線。選擇1/2Nf處穩定循環應力-應變滯回環的應力和塑性應變進行擬合[3-4]，擬合曲線如圖3所示，擬合公式為

Δσ/2=K′(Δεp/2)n′

(2)

式中：Δεp/2為塑性應變幅；Δσ/2為1/2Nf處的應力幅；K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數。

圖3 試驗鋼的循環應力-塑性應變擬合曲線Fig.3 Cyclic stress-plastic strain fitting curve of test steel

經擬合計算得到，循環強度系數為284，循環應變硬化指數為0.128。

將不同應變幅穩定循環狀態下的滯回環曲線通過坐標平移，使其最低點與原點重合，結果如圖4所示，圖中Δεt/2為總應變幅。由圖4可以看出，滯回環上行線的前半段基本重合，后半段隨應變的增大出現分離現象，各滯回環上最高數據點的連線未與每個滯回線環的上行線重合，可知SPHC鋼在試驗范圍內具有非Masing效應[6]。研究表明，材料是否具備Masing效應與材料的種類、狀態以及試驗參數、環境有關[7]；Masing效應反映材料在疲勞損傷時微觀結構的穩定性，具有均勻分散相或低層錯能的單相金屬更易表現Masing循環響應行為，而具有較高層錯能金屬的循環響應不易具有Masing效應[8]。具備Masing效應的材料在高應變穩定循環狀態下的微觀結構與低應變下的微觀結構相適應，說明可以用高應變穩定循環關系來表征材料的循環本構關系，而這些規律對于非Masing效應材料均不適用。因此，不能簡單地采用最大應變幅的單調滯回環應力與應變關系來描述或預測SPHC鋼的循環本構關系。

圖4 平移后不同應變幅穩定循環狀態下的滯回環曲線Fig.4 Hysteresis loop curve under stable cyclic state at different strain amplitudes after translation

2.3 應變與壽命關系

按照GB/T 15248-2008中附錄A和GB/T 26077-2010中8.3.3條款，在應變控制的低循環疲勞加載條件下，總應變幅為彈性應變幅和塑性應變幅之和，其關系可采用Manson-Coffin方程進行描述[3]，表達式為

(3)

式中：Δεe/2為彈性應變幅；f為疲勞強度系數；b為疲勞強度指數；f為疲勞延性系數；c為疲勞延性指數。

基于試驗獲取的數據通過式(3)計算并擬合后，分別得到彈性應變幅、塑性應變福、總應變幅與疲勞壽命的關系，如圖5所示，圖中Δε/2為應變幅。由此獲得SPHC鋼的疲勞強度系數為467 MPa，疲勞強度指數為-0.078，疲勞延性系數為0.323，疲勞延性指數為-0.609，上述數據可作為汽車板成型設計和仿真分析的基礎數據。

圖5 試驗鋼的應變-疲勞壽命擬合曲線Fig.5 Strain-fatigue life fitting curve of test steel

2.4 疲勞斷口形貌

疲勞斷裂過程分為疲勞裂紋萌生、擴展以及瞬時斷裂3個階段。SPHC鋼的疲勞斷口形貌如圖6所示，由裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區組成。由圖6可以看出：裂紋均在試樣表面萌生，裂紋源區較平坦光滑，由于暴露在空氣中時間較長且裂紋擴展速率較慢，斷口出現輕微氧化，顏色偏深；不同方向的疲勞裂紋在擴展過程中發生交匯，形成疲勞臺階，疲勞臺階由表面至內部呈放射狀擴展，是疲勞斷口宏觀形貌的典型特征之一[9]；裂紋擴展區由大量疲勞輝紋組成，說明SPHC鋼具有非常好的延展性；瞬斷區存在大小不一的韌窩，說明SPHC鋼不易發生滑移，具有良好的塑韌性。

圖6 不同總應變幅下試驗鋼的疲勞斷口形貌Fig.6 Fatigue fracture morphology of test steel under different total strain amplitude: (a-b) overall morphology; (c-d) crack growth area and (e-f) transient fracture area

3 結 論

(1) SPHC鋼的平均屈服強度、平均抗拉強度、平均斷后伸長率分別為265 MPa，342 MPa，40%。基于靜態拉伸試驗數據，采用Remberg-Osgood方程擬合得到SPHC鋼的靜態強度系數為286，應變硬化指數為0.133；基于低周疲勞試驗數據，擬合得到SPHC鋼的循環強度系數為284，循環應變硬化指數為0.128；SPHC鋼在試驗范圍內具有非Masing效應。

(2) 基于試驗數據，通過Manson-Coffin方程得到SPHC鋼的彈性應變幅、塑性應變福、總應變幅與壽命的關系，擬合得到疲勞強度系數為467 MPa，疲勞強度指數為-0.078，疲勞延性系數為0.323，疲勞延性指數為-0.609。

(3) SPHC鋼疲勞斷口由裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區組成，裂紋擴展區由大量疲勞輝紋組成，瞬斷區存在大量韌窩，SPHC鋼具有良好的塑韌性。