汽車薄板拉-壓高周疲勞試樣的形狀和尺寸選取

蘇洪英， 劉仁東， 蘆延鵬， 丁庶煒， 李蕭彤， 張 南

(鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 鞍山 114009)

疲勞破壞為汽車結(jié)構(gòu)和部件失效的主要形式之一，汽車在日常行駛過程中，受氣流、路況等外界因素的影響往往會(huì)在車身上產(chǎn)生循環(huán)載荷，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的作用車身部件就會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生疲勞斷裂。車身耐久性已成為當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)必須考慮的性能指標(biāo)之一。

大多數(shù)情況下汽車板主要承受拉伸載荷作用，因此拉-拉疲勞性能(應(yīng)力比R>0)是考核的主要指標(biāo)，研究者們也為此作了大量工作[1-6]。但在實(shí)際應(yīng)用中，汽車薄板也常處于拉-壓應(yīng)力狀態(tài)，為避免壓縮載荷引起薄板疲勞試樣彎曲失穩(wěn)、打彎而導(dǎo)致瞬間失穩(wěn)[1-2]，從而測(cè)不到試樣的真實(shí)疲勞壽命和疲勞斷口，使得試驗(yàn)失效，很多研究者們?cè)诶?壓疲勞試驗(yàn)過程中安裝了防屈曲變形的裝置。GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》給出了抗屈曲約束裝置，但同時(shí)也強(qiáng)調(diào)不鼓勵(lì)使用抗屈曲約束裝置。為此，筆者在不安裝防屈曲裝置的情況下，針對(duì)不同厚度、不同強(qiáng)度級(jí)別的薄板，設(shè)計(jì)不同試驗(yàn)段寬度、不同平行長(zhǎng)度、不同圓弧半徑的疲勞試樣，進(jìn)行應(yīng)力比R=-1的疲勞試驗(yàn)，在試樣不發(fā)生屈曲的條件下，通過相同應(yīng)力水平下不同疲勞試樣尺寸的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，設(shè)計(jì)合適的疲勞試樣形狀和尺寸，避免了安裝防屈曲裝置引入的摩擦力導(dǎo)致試驗(yàn)偏差，以及因試樣發(fā)熱、試驗(yàn)頻率過低而導(dǎo)致的試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)、試驗(yàn)效率過低等問題。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)段寬度b是影響疲勞試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)之一，寬度選擇的條件是保證試樣上的所有點(diǎn)為單軸應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)寬度b≥6a(a為試樣厚度)時(shí)，在試樣的中心產(chǎn)生橫向力矩，并將出現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)。處于平面應(yīng)變狀態(tài)的試樣受三向拉應(yīng)力作用，材料會(huì)變脆，試樣極易斷裂。當(dāng)試樣寬度增加時(shí)，各危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的性質(zhì)不同，將導(dǎo)致在相同材料中和相同條件下一些試樣的破壞從中心開始，而另一些試樣的破壞從邊緣開始[8]。因此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)段寬度b≤6a進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

為避免薄板在拉-壓疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生屈曲，應(yīng)使設(shè)計(jì)的疲勞試樣剛度盡可能大。對(duì)于單軸應(yīng)力狀態(tài)試樣，其軸向剛度k的計(jì)算式如下：

(1)

式中:A為試樣的面積；E為試樣的彈性模量；Lc為試樣的平行長(zhǎng)度。

為使剛度k盡可能大，在試樣厚度a和彈性模量E不變的情況下，應(yīng)使b/Lc盡可能大。試驗(yàn)時(shí)上下夾頭完全夾緊，夾持段材料的流動(dòng)完全被夾頭限制。如果試樣比較寬，即b/Lc足夠大時(shí)，寬試樣的兩邊為自由邊，在寬度方向上沒有限制，處于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。從寬試樣兩邊到寬試樣中心部位，材料在寬度方向上受到兩邊材料的限制逐漸加強(qiáng)，在正中心處寬度方向受到的限制最強(qiáng)，沿試樣寬度方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，這部分材料處于平面應(yīng)變的受力狀態(tài)[7-8]。為保證試樣上的所有點(diǎn)受單軸應(yīng)力作用，設(shè)計(jì)試驗(yàn)段寬度b≤10a進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為避免平行長(zhǎng)度太長(zhǎng)而降低試樣剛度，設(shè)計(jì)試樣b≤Lc≤5b進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)方案

常見矩形橫截面疲勞試樣形狀分為圓弧形和等截面形疲勞試樣兩種，如圖1所示。

圖1 疲勞試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of fatigue specimens: a) the uniform-gage fatigue specimen; b) the hour-glass fatigue specimen

分別選取厚度較薄、強(qiáng)度較低的0.8 mm厚的210P1高強(qiáng)度無(wú)間隙原子鋼和厚度較厚、強(qiáng)度較高的1.4 mm厚的DP780雙相鋼，在圓弧半徑相同的情況下，制備出不同試驗(yàn)段寬度、不同平行長(zhǎng)度的疲勞試樣，進(jìn)行不同應(yīng)力水平、R=-1的疲勞試驗(yàn)。在試驗(yàn)頻率相同的情況下，通過相同應(yīng)力幅應(yīng)力水平下不同尺寸試樣的疲勞壽命，確定合適的試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度。疲勞試樣試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度確定后，設(shè)計(jì)不同圓弧半徑的疲勞試樣，同樣進(jìn)行不同應(yīng)力水平、R=-1的疲勞試驗(yàn)，在相同的應(yīng)力循環(huán)形式下，即比對(duì)不同圓弧半徑試樣的疲勞壽命，即相同應(yīng)力水平下不同圓弧半徑試樣的循環(huán)次數(shù)，確定合適的圓弧半徑。表1為210P1鋼和DP780鋼的拉伸性能。

表1 210P1鋼和DP780鋼的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of 210P1 steel and DP780 steel MPa

1.2.1 試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度的確定

在圓弧r=7a的情況下，等截面試樣設(shè)計(jì)8組不同疲勞試樣尺寸，共計(jì)24種疲勞試樣尺寸，即第1組：b=a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第2組：b=2a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第3組：b=3a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第4組：b=4a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第5組：b=5a，Lc=b；第6組：b=6a，Lc=b；第7組：b=8a，Lc=b；第8組：b=10a，Lc=b。通過相同應(yīng)力水平下不同尺寸試樣的循環(huán)次數(shù)，確定合適的疲勞試驗(yàn)段寬度b和平行長(zhǎng)度Lc。

X考慮到圓弧形試樣剛度小，正中心處寬度部分的材料處于平面應(yīng)變狀態(tài)，僅驗(yàn)證一種試樣形狀和尺寸，b=10 mm，r=60 mm。

1.2.2 圓弧半徑的確定

疲勞試樣試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度確定后，考慮到圓弧半徑太小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)r=3a、7a、10a、15a，通過相同應(yīng)力水平下不同圓弧半徑試樣的循環(huán)次數(shù)，確定合適的圓弧半徑。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試樣試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 厚度為0.8 mm的210P1鋼

厚度為0.8 mm的210P1鋼，應(yīng)力幅選取從升降法的低應(yīng)力水平到成組法的高應(yīng)力水平，不同尺寸疲勞試樣試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 210P1鋼不同尺寸疲勞試樣在不同應(yīng)力下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Fatigue test results of different sizes fatigue specimens of 210P1 steel under different stresses 次

表2中循環(huán)次數(shù)后加*是表示試樣斷后翹曲，翹曲試樣如圖2所示。由表2可知，當(dāng)應(yīng)力幅為180 MPa時(shí)，8a×b、10a×b等截面試樣斷后翹曲，圓弧形試樣屈曲，主要原因是試樣過寬，正中心處寬度部分的材料處于平面應(yīng)變狀態(tài)，因此試樣很快斷裂并翹曲。因此,圓弧形試樣不適用于應(yīng)力比R=-1的疲勞試驗(yàn)。4a×5b等截面試樣也出現(xiàn)斷后翹曲，一方面是試樣的平行長(zhǎng)度過長(zhǎng)，導(dǎo)致試樣剛度降低，另一方面則是試樣稍寬。5a×b和6a×b試樣未到規(guī)定次數(shù)斷裂，主要原因是試樣稍寬，但因?yàn)槠叫虚L(zhǎng)度Lc短，試樣剛度好，因此循環(huán)次數(shù)高于8a×b、10a×b試樣的。其余尺寸的疲勞試樣均未斷裂。

圖2 疲勞試樣斷后翹曲宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of warpage after fracture of the fatigue specimens: a) the hour-glass fatigue specimen; b) the uniform-gage fatigue specimen with 10a×b

應(yīng)力幅為190 MPa時(shí)，a×b、a×2b、2a×b、2a×2b、3a×b、3a×2b、4a×b試樣均未斷裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b試樣斷后翹曲，其余尺寸試樣均斷裂，且在試樣寬度相同的情況下，隨平行長(zhǎng)度的增加循環(huán)次數(shù)減少，原因是試樣剛度降低。

應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，由于載荷增加，所有試樣均斷裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b試樣斷后翹曲，且在試樣寬度相同的情況下，隨平行長(zhǎng)度的增加循環(huán)次數(shù)減少。

應(yīng)力幅為210 MPa時(shí)，所有試樣均斷裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b試樣在載荷較低時(shí)就斷后翹曲。4a×2b、5a×b、6a×b試樣斷后翹曲，主要原因是試樣過寬，處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

應(yīng)力幅為220 MPa時(shí)，所有試樣均斷裂。2a×4b、a×b、4a×2b試樣循環(huán)次數(shù)顯著降低，主要原因是試樣過寬和平行長(zhǎng)度過長(zhǎng)。

2.2.2 厚度為1.4 mm的DP780鋼

依據(jù)210P1鋼的試驗(yàn)結(jié)果，等截面試樣DP780鋼僅驗(yàn)證如下9種試樣尺寸。第1組：b=a，Lc=b、2b、3b；第2組：b=2a，Lc=b、2b、3b；第3組：b=3a，Lc=b、2b、3b；第4組：b=4a，Lc=b、2b、3b。圓弧形試樣尺寸同210P1鋼。應(yīng)力幅選取從升降法的低應(yīng)力水平到成組法的高應(yīng)力水平，DP780鋼不同尺寸疲勞試樣試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 DP780鋼不同尺寸疲勞試樣在不同應(yīng)力下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Fatigue test results of different sizes fatigue specimens of DP780 steel under different stresses 次

由表3可知，應(yīng)力幅為270 MPa時(shí)，等截面試樣均未斷裂，圓弧形試樣斷后翹曲，循環(huán)次數(shù)分別為96和23次。

應(yīng)力幅為290 MPa時(shí)，a×b、a×2b、a×3b、2a×b、2a×2b、2a×3b、3a×b、3a×2b、3a×3b、4a×b、4a×2b等截面試樣循環(huán)次數(shù)大致相當(dāng)；4a×3b循環(huán)次數(shù)顯著降低，主要原因是試樣稍寬。

應(yīng)力幅為350 MPa時(shí)，a×b、a×2b、a×3b、2a×b、2a×2b、2a×3b、3a×b、3a×2b、3a×3b、4a×b等截面試樣循環(huán)次數(shù)大致相當(dāng)；4a×2b、4a×3b循環(huán)次數(shù)顯著降低，主要原因也是試樣稍寬。

2.2 圓弧半徑的驗(yàn)證

210P1鋼等截面疲勞試樣，設(shè)計(jì)b=1.6 mm，Lc=2.0 mm；DP780鋼等截面疲勞試樣，設(shè)計(jì)b=3.0 mm，Lc=4.0 mm。圓弧半徑分別設(shè)計(jì)r=3a、7a、10a、12a、15a，進(jìn)行相同應(yīng)力循環(huán)形式下的R=-1疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。210P1鋼及DP780鋼的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，對(duì)于210P1鋼和DP780鋼，當(dāng)10a

表4 210P1鋼及DP780鋼的不同圓弧半徑試樣的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test results of different arc radius specimens of 210P1 steel and DP780 steel 次

3 結(jié)論

對(duì)于厚度為0.8～3 mm的汽車薄板，為避免汽車薄板在拉-壓疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的屈曲問題，應(yīng)使設(shè)計(jì)的疲勞試樣剛度盡可能大。在圓弧半徑相同的情況下，當(dāng)試驗(yàn)段寬度b>3a、試樣平行長(zhǎng)度Lc>3b時(shí)，在相同的應(yīng)力循環(huán)下疲勞壽命顯著降低；在試驗(yàn)段寬度和平行長(zhǎng)度相同的情況下，當(dāng)10a