汽車用鋼QStE340TM 低周疲勞性能

供稿|韓丹，孟慶剛 /

作者單位：本鋼技術(shù)研究院, 遼寧 本溪 117000

隨著汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)輕量化要求的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，各汽車廠采用高強(qiáng)鋼來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，目前高強(qiáng)鋼被廣泛使用在大部分汽車零部件上。然而，汽車在行駛過(guò)程中，長(zhǎng)期處在動(dòng)態(tài)服役條件下，受到交變載荷的作用，會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生甚至破壞，降低汽車的使用壽命[1-3]。因此疲勞性能是汽車選材、沖壓成形過(guò)程中的重要指標(biāo)，直接涉及車體的使用性能和安全性能。

QStE340TM 以其較高的強(qiáng)度、良好的沖壓成形性能和焊接性能，廣泛應(yīng)用于成形加工性能良好的汽車構(gòu)架、車輪等汽車結(jié)構(gòu)件[4]。目前對(duì)QStE340TM的研究多為成形性能和點(diǎn)焊性能。彭?yè)P(yáng)文對(duì)汽車用鋼QStE340TM 進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，研究了不同焊接電流及壓力對(duì)QStE340TM 電阻點(diǎn)焊接頭性能的影響等[5]。楊泰波等人建立了反映焊縫、熱影響區(qū)和母材3 部分結(jié)構(gòu)的焊管有限元模型，采用應(yīng)變?cè)隽勘茸鳛閿?shù)值仿真中的頸縮判據(jù)，計(jì)算出液壓成形條件下QSTE340TM 焊管的成形極限曲線，并利用數(shù)值仿真的工藝路徑完成了QSTE340TM 焊管成形極限的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[6]。

因此，本文以汽車常用規(guī)格的QStE340TM 板料為研究對(duì)象，采用軸向應(yīng)變控制進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn)。參照材料力學(xué)性能參數(shù)，研究了在應(yīng)變比R=-1 狀態(tài)下QStE340TM 的滯回曲線、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)變-壽命曲線，并對(duì)疲勞斷口形貌進(jìn)行分析，為QStE340TM 在汽車結(jié)構(gòu)件的壽命估算和抗疲勞設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為厚度為2.5mm 的QStE340TM 板料，化學(xué)成分見表1。圖1 是根據(jù)GB/T15248—2008“金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)方法”設(shè)計(jì)的低周疲勞試樣[7]，平行段長(zhǎng)度為15 mm，試樣在線切割機(jī)上進(jìn)行加工。

表1 QStE340TM 的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 疲勞試樣尺寸

實(shí)驗(yàn)方法

QStE340TM 板料力學(xué)性能在Zwick Z100 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣尺寸如圖2 所示。測(cè)定材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，為疲勞性能實(shí)驗(yàn)選取合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)提供依據(jù)。力學(xué)性能如表2 所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

表2 QStE340TM 力學(xué)性能

低周疲勞實(shí)驗(yàn)在MTS landmark 疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照“ASTM E 606-92 Standard Practice for Strain-controlled Fatigue Testing”[8]，采用應(yīng)變控制，在低周情況下，三角波測(cè)試頻率為2 Hz，應(yīng)變比為R=-1；按照GB/T 15248—2008 “金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)方法”，一般需要20 根試樣；按照GB/T 26077—2010“金屬材料疲勞實(shí)驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法”[9]，得到的疲勞應(yīng)變-壽命曲線在循環(huán)周次上最少應(yīng)覆蓋3 個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)以峰值載荷下降25%或者試樣斷裂為失效判據(jù)，最終獲得Manson-Coffin 方程并繪制QStE340TM 的應(yīng)變-壽命曲線。

由于試樣厚度較薄，在拉壓加載循環(huán)實(shí)驗(yàn)中容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用防屈曲裝置，防止板料發(fā)生壓向失穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 為QStE340TM 鋼在不同應(yīng)變幅條件下的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線。遲滯回線所包圍的面積代表材料塑性變形時(shí)外力所做的功，也表示材料抵抗循環(huán)變形的能力。由圖3 可以看出，應(yīng)變幅為0.25%的遲滯回線所包圍的面積最小，而應(yīng)變幅為1.0%的遲滯回線所包圍的面積最大。隨著應(yīng)變幅的增加，遲滯回線的面積也越大，說(shuō)明QStE340TM 鋼在塑性變形時(shí)，吸收的塑性應(yīng)變能就越大，抵抗循環(huán)變形的能力增強(qiáng)，可以防止材料突然發(fā)生斷裂。

圖3 QStE340TM 疲勞遲滯回線

應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線

循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線與靜態(tài)拉伸曲線進(jìn)行比較，是判斷QStE340TM 這一鋼種發(fā)生循環(huán)硬化或循環(huán)軟化的標(biāo)志。圖4 為QStE340TM 在不同應(yīng)變幅條件下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。由圖4 可知，在應(yīng)變幅為0.8%，QStE340TM 表現(xiàn)為循環(huán)軟化，隨著循環(huán)周次的增加，發(fā)生循環(huán)軟化。這是由于在循環(huán)變形初期位錯(cuò)密度增加，隨著循環(huán)變形的繼續(xù)，位錯(cuò)密度逐漸降低，使得位錯(cuò)間的相互制約作用減弱，宏觀上表現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)力的降低。在應(yīng)變幅大于0.8%以上，QStE340TM 表現(xiàn)為循環(huán)硬化。

圖4 QStE340TM 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

圖5 給出了QStE340TM 總應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅與疲勞壽命關(guān)系曲線。由圖5 可以看出，QStE340TM 低周疲勞壽命隨應(yīng)變幅范圍的增大而逐漸降低，而且塑性應(yīng)變幅-壽命曲線和彈性應(yīng)變幅-壽命曲線相交于一點(diǎn)，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的低周疲勞壽命被稱為過(guò)渡疲勞壽命NT，當(dāng)疲勞壽命＞NT時(shí)，彈性應(yīng)變對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)大于塑性應(yīng)變，即材料的強(qiáng)度對(duì)疲勞抗力起主要作用；當(dāng)疲勞壽命＜NT時(shí)，塑性應(yīng)變對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)大于彈性應(yīng)變。

圖5 QStE340TM 應(yīng)變-壽命曲線

應(yīng)變-壽命曲線

對(duì)于總應(yīng)變控制的低周疲勞循環(huán)變形，材料的應(yīng)變疲勞壽命常用Coffin-Manson 公式(1) 來(lái)表達(dá)，即：

按照ASTM E606，擬合疲勞壽命曲線采用計(jì)算彈性應(yīng)變幅值和塑性應(yīng)變幅值。試件的總應(yīng)變幅值和彈性應(yīng)變幅可由機(jī)器實(shí)時(shí)測(cè)得。通過(guò)公式(2)可計(jì)算出塑性應(yīng)變幅值。

斷口分析

為了研究QStE340TM 的疲勞破壞規(guī)律，利用掃描電鏡對(duì)疲勞斷口形貌進(jìn)行分析。圖6 為QStE340TM在應(yīng)變幅為0.4%的斷口形貌。圖6(a)為斷口宏觀形貌，可以看出斷口分為3 個(gè)區(qū)域，分別為裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)瞬斷區(qū)。裂紋在試樣的表面萌生并向外擴(kuò)展。圖6(b)是裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌，裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口表面比較光滑，這是由于在裂紋萌生初期，試樣裂紋兩面在交變應(yīng)力作用下發(fā)生擠壓，形成光滑區(qū)。該區(qū)可以明顯觀察到有近似平行的疲勞輝紋。圖6(c)是瞬斷區(qū)形貌，這一區(qū)域均勻分布了大量韌窩，顯現(xiàn)出韌性斷裂的微觀特征，形成這一特征的原因是材料經(jīng)過(guò)塑性變形產(chǎn)生空洞，經(jīng)形核、長(zhǎng)大和聚集，最終相互連接，達(dá)到強(qiáng)度極限后發(fā)生斷裂，這表明QStE340TM 在經(jīng)歷疲勞變形后，最終的斷裂為韌性斷裂。

圖6 QStE340TM 低周疲勞微觀斷口形貌

QStE340TM 這一材料的疲勞破壞是由于在試樣表面出現(xiàn)小裂紋，造成應(yīng)力集中，在循環(huán)應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋越來(lái)越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，最終QStE340TM 試樣發(fā)生破壞。

結(jié)束語(yǔ)

(1)本文研究了QStE340TM 板材在等幅應(yīng)變控制方式下的的低周疲勞性能，通過(guò)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線和循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線的研究發(fā)現(xiàn)QStE340TM 具有較好的塑形變形能力，可以有效預(yù)防瞬間斷裂，并且QStE340TM 材料在小于應(yīng)變幅0.8%條件下表現(xiàn)為循環(huán)軟化，大于應(yīng)變幅0.8%表現(xiàn)為循環(huán)硬化。

(2)通過(guò)對(duì)Manson-Coffin 方程的曲線擬合，獲得了QStE340TM 疲勞壽命預(yù)測(cè)公式，為高強(qiáng)鋼的疲勞性能分析和壽命預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。

(3)QStE340TM 試樣疲勞斷口在試樣表面出現(xiàn)裂紋源，且發(fā)生擴(kuò)展；斷裂方式為韌性斷裂。QStE340TM的微觀分析，有助于對(duì)QStE340TM 斷裂機(jī)理深入理解，對(duì)新鋼種的研發(fā)和應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。