應(yīng)力比及寬厚比對(duì)CP800復(fù)相鋼疲勞性能的影響

崔浩誠 周 偉 陳 卓 霍慶輝 王 荃 汪宏斌

(上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

由于節(jié)能和環(huán)保的需要，輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。鋼材在汽車總質(zhì)量中所占比例超過70%[1]。汽車質(zhì)量每減低10%，燃油消耗可降低8%左右，尾氣排放可降低約4%[2]。為了在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化，汽車車身需采用高強(qiáng)度鋼板，如雙相(dual phase, DP)鋼、相變誘發(fā)塑形鋼(transformation induced plasticity, TRIP)、復(fù)相鋼(complex phase, CP)和馬氏體鋼(martensitic steel, MS)[3-5]。其中復(fù)相鋼因具有較高的屈服強(qiáng)度和高的能量吸收性能，通常用于制造要求良好抗沖擊性能的零件，如汽車的防撞梁、保險(xiǎn)杠和B立柱。

CP800鋼是一種汽車用800 MPa級(jí)復(fù)相鋼，常用于制造汽車扭力梁。在汽車行駛過程中，扭力梁承受循環(huán)載荷的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因疲勞而失效的零件約占總失效零件的80%[6]。因此，作為汽車輕量化替代材料的CP800鋼必須具備良好的疲勞性能才可能有更廣泛的應(yīng)用前景。

在CP800復(fù)相鋼的疲勞試驗(yàn)中，試樣的加載方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很大，需根據(jù)不同的試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)定。文獻(xiàn)[7- 9]證實(shí)應(yīng)力比R對(duì)材料的疲勞性能有一定影響。當(dāng)加載方式為拉壓疲勞(R<0)時(shí)，隨著R值的增大，疲勞壽命也隨之增加[7- 8]；當(dāng)加載方式為拉拉疲勞(R>0)時(shí)，隨著R值的增大，裂紋擴(kuò)展速率增大，疲勞壽命降低[9]。

設(shè)計(jì)試樣尺寸時(shí)需考慮尺寸效應(yīng)。不同尺寸試樣測得的疲勞數(shù)據(jù)有明顯差異。本文對(duì)兩種不同寬厚比的CP800鋼試樣分別進(jìn)行了應(yīng)力比為-1的拉壓疲勞試驗(yàn)和應(yīng)力比為0.1的拉拉疲勞試驗(yàn)，研究了試樣尺寸和加載方式對(duì)CP800鋼疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為某鋼廠生產(chǎn)的CP800熱軋鋼板，板厚為2 mm。CP800復(fù)相鋼的化學(xué)成分如表1所示，其組織主要為貝氏體，還有一定量的鐵素體、馬氏體、殘留奧氏體及各種析出物；屈服強(qiáng)度為619 MPa，抗拉強(qiáng)度為797 MPa，彈性模量為2.27×105MPa。

表1 CP800復(fù)相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of CP800 complex phase steel (mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方法與試樣尺寸

疲勞試驗(yàn)在Landmark MTS653型電液伺服測試系統(tǒng)上進(jìn)行，加載波形為正弦波。兩組試驗(yàn)應(yīng)力比分別為-1和0.1。

分別使用超景深三維顯微鏡和SIGMA- 500型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣疲勞斷口的宏觀和微觀形貌。

由于軋制板材的各向異性，CP800鋼板在平行軋向上的塑性和韌性均優(yōu)于垂直軋向上的，因此沿平行于軋向分別取寬厚比為2.5和8.75的兩種尺寸疲勞試樣(下文分別簡稱為小試樣和大試樣)，如圖1所示。試樣表面粗糙度為0.15 μm。

圖1 大(a)和小(b)疲勞試樣的尺寸Fig.1 Size of the large(a) and small (b) fatigue specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力比為-1的拉壓疲勞試驗(yàn)

應(yīng)力比為-1的拉壓疲勞試驗(yàn)應(yīng)力條件(最大應(yīng)力/最小應(yīng)力)設(shè)定為500/-500 MPa、450/-450 MPa、400/-400 MPa、350/-350 MPa，加載頻率為5 Hz，每種條件下進(jìn)行5次試驗(yàn)，得到兩種試樣的疲勞數(shù)據(jù)分別如表2和表3所示。

表2 小試樣的拉壓疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Tension and compression fatigue test data of the small specimens

表3 大試樣的拉壓疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Tension and compression fatigue test data of the large specimens

試樣在不同應(yīng)力幅下疲勞壽命的離散度為：

(1)

式中：D為離散度；s為疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)差，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：Ni為第i次重復(fù)試樣的疲勞壽命；Nave為平均疲勞壽命；n=5為重復(fù)試樣數(shù)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大試樣在應(yīng)力比為-1的拉壓疲勞試驗(yàn)過程中易發(fā)生彎曲失效，因此大試樣試驗(yàn)時(shí)必須采用防屈曲裝置。大試樣平行段的寬厚比為8.75，小試樣為2.5，試樣的寬厚比越接近1越不容易彎曲失效。

滯后回線反映試樣在一個(gè)循環(huán)周次中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，應(yīng)力增加，應(yīng)變也增大。圖2為兩種不同寬厚比試樣拉壓疲勞壽命中值的滯后回線。從圖2可以看出，小試樣的滯后回線較大試樣的明顯左移，且當(dāng)壓應(yīng)力為-500 MPa時(shí)，小試樣的應(yīng)變達(dá)到了-0.31%，而大試樣的應(yīng)變只有-0.19%。原因是大試樣裝有防屈曲裝置，工字鋼限制了試樣在壓縮時(shí)產(chǎn)生彎曲，應(yīng)變量僅為晶粒間的擠壓；而小試樣未安裝防屈曲裝置，在壓縮時(shí)產(chǎn)生了微小彎曲，但不至于失效。小試樣在循環(huán)拉壓載荷下，剛出現(xiàn)微小的彎曲就能被拉回，因此小試樣的壓縮應(yīng)變量大于大試樣。隨著加載應(yīng)力的減小，兩種試樣的滯后回線越來越接近，當(dāng)加載應(yīng)力為350 MPa時(shí)，滯后回線基本吻合，如圖2(d)所示。

圖2 不同應(yīng)力條件下兩種不同寬厚比試樣的拉壓疲勞滯后回線Fig.2 Tension and compression fatigue hysteresis loops of the two specimens of different width- to- thickness ratios under different stress levels

對(duì)比兩種不同寬厚比試樣的拉壓疲勞壽命，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)在相同加載方式下，大試樣的疲勞壽命普遍高于小試樣，各應(yīng)力幅下分別高出27.2%、28.5%、21.0%和16.4%。原因是大試樣安裝了防屈曲裝置，壓縮應(yīng)變量小、晶粒擠壓小、裂紋擴(kuò)展時(shí)間長，而小試樣在拉壓中產(chǎn)生的微小彎曲對(duì)疲勞壽命有負(fù)面影響，因此在設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)的試樣時(shí)需考慮尺寸效應(yīng)的影響。

圖3 兩種不同寬厚比試樣的拉壓疲勞壽命對(duì)比Fig.3 Comparison of tension and compression fatigue lifes of the two specimens of different width- to- thickness ratios

2.2 應(yīng)力比為0.1的拉拉疲勞試驗(yàn)

應(yīng)力比為0.1的拉拉疲勞試驗(yàn)應(yīng)力條件(最大應(yīng)力/最小應(yīng)力)設(shè)定為740/74 MPa、700/70 MPa、650/65 MPa、600/60 MPa，加載頻率為10 Hz。應(yīng)力比大于0時(shí)可以不安裝防屈曲裝置。每種應(yīng)力條件下進(jìn)行5次試驗(yàn)，得到兩種試樣的疲勞數(shù)據(jù)分別如表4和表5所示。

分析表2和表4、表3和表5得出，應(yīng)力比為0.1的拉拉疲勞壽命高于應(yīng)力比為-1的拉壓疲勞，這說明CP800鋼承受拉拉載荷的能力比承受拉壓載荷的能力強(qiáng)，該材料適合循環(huán)載荷以拉應(yīng)力為主的工況。繪制兩種不同寬厚比試樣的拉拉疲勞壽命數(shù)據(jù)，如圖4所示。

表4 小試樣的拉拉疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Tension- tension fatigue test data of the small specimens

表5 大試樣的拉拉疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Tension- tension fatigue test data of the large specimens

從圖4可以看出，在相同應(yīng)力幅下，兩種試樣的疲勞循環(huán)周次相差不大，說明試樣的尺寸對(duì)拉拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果影響不大，稍有區(qū)別的是大試樣在萌生疲勞裂紋時(shí)不會(huì)立刻斷裂，裂紋擴(kuò)展時(shí)間較長。

圖4 兩種不同寬厚比試樣的拉拉疲勞壽命對(duì)比Fig.4 Comparison of tension and tension fatigue lifes of the two specimens of different width- to- thickness ratios

2.3 疲勞斷口形貌分析

金屬材料疲勞過程主要包括裂紋萌生、擴(kuò)展及最終斷裂3個(gè)階段。大寬厚比試樣的疲勞斷口能較明顯地顯示這3個(gè)區(qū)域。圖5所示為疲勞斷口中裂紋源A、裂紋擴(kuò)展區(qū)B和瞬斷區(qū)C的宏觀形貌，斷口1和2為同一塊試樣的斷口。

圖5 大試樣疲勞斷口的宏觀形貌(R=0.1)Fig.5 Macroscopic appearances of fatigue fracture of the large sample (R=0.1)

觀察CP800鋼疲勞試樣斷口的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，裂紋A起源于試樣厚度面，該面為線切割加工面，經(jīng)手工打磨，可能存在輕微擦傷，造成應(yīng)力集中。比較600和700 MPa應(yīng)力下的疲勞斷口，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越大，裂紋擴(kuò)展區(qū)B的占比越小，瞬斷區(qū)C的占比最大且有頸縮現(xiàn)象，這是疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度后剪切力所致。

疲勞試樣斷口的微觀形貌如圖6所示?？梢娏鸭y源呈放射狀，萌生于試樣表面，這是由于表面缺陷易引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋。表面光潔度對(duì)材料疲勞性能的影響很大，尤其是高強(qiáng)鋼，應(yīng)盡可能減少試樣磨痕、擦傷等表面缺陷。裂紋擴(kuò)展區(qū)呈臺(tái)階狀，如圖6(b，e)所示，應(yīng)力越大，臺(tái)階越明顯，且疲勞輝紋間距越大。瞬斷區(qū)中可見一些細(xì)小韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂特征。

圖6 大試樣疲勞斷口的微觀形貌(R=0.1)Fig.6 Micrographs of fatigue fracture of the large sample (R=0.1)

3 討論

3.1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比的設(shè)定

應(yīng)力比-1≤R<0為拉壓疲勞，0≤R≤1為拉拉疲勞，應(yīng)力比對(duì)材料的裂紋擴(kuò)展速率也有影響[10]。疲勞曲線(S-N曲線)通常是采用光滑試樣(試樣平均表面粗糙度小于0.2 μm)、在應(yīng)力比為-1的情況下測得的。然而在實(shí)際工況下，零件表面不可能絕對(duì)光滑，而且應(yīng)力比也不會(huì)在-1固定不變，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)力比進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。對(duì)于試驗(yàn)中易彎曲的試樣，建議采用拉拉疲勞試驗(yàn)。

3.2 疲勞試驗(yàn)試樣寬厚比的設(shè)計(jì)

拉壓疲勞試驗(yàn)應(yīng)優(yōu)先選擇圓柱狀試樣，因?yàn)閳A形截面各向同性，在壓縮過程中不易彎曲失效。有研究表明，圓形截面越小越好，因?yàn)閳A形截面越小，出現(xiàn)疲勞源的概率降低[11]，不易發(fā)生疲勞斷裂。如果是薄板試樣，疲勞裂紋易在厚度面上產(chǎn)生，而厚度面一般為線切割加工面，需進(jìn)行磨拋處理，應(yīng)盡可能減少表面磨痕和擦傷。

試樣在拉壓中都會(huì)彎曲，寬厚比小的試樣彎曲不明顯，只發(fā)生微小的彎曲，且能被迅速拉直；而寬厚比大的試樣極易彎曲，在較大的壓應(yīng)力下彎曲嚴(yán)重，導(dǎo)致試驗(yàn)無效。在板厚固定的情況下，拉壓疲勞試驗(yàn)應(yīng)設(shè)計(jì)寬厚比小的試樣，必要時(shí)安裝防屈曲裝置。

3.3 防屈曲裝置

針對(duì)拉壓疲勞試驗(yàn)中薄板試樣彎曲失效的現(xiàn)象，需采用防屈曲裝置。防屈曲裝置一般采用工字鋼。疲勞試驗(yàn)對(duì)工字鋼的硬度要求較高，硬度越高越不容易變形，可以對(duì)工字鋼進(jìn)行淬火回火處理。為了提高試驗(yàn)精度，工字鋼對(duì)合面應(yīng)進(jìn)行打磨拋光，也可以在試樣和防屈曲裝置間加聚四氟乙烯薄膜。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)力比對(duì)CP800復(fù)相鋼的疲勞壽命有顯著影響，其拉壓疲勞試驗(yàn)(R=-1)的疲勞壽命低于拉拉疲勞試驗(yàn)(R=0.1)，因此該材料適合循環(huán)載荷以拉應(yīng)力為主的工況。

(2)對(duì)于薄板試樣的拉壓疲勞試驗(yàn)(R=-1)，尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。寬厚比大的試樣易發(fā)生彎曲失效，需安裝防屈曲裝置。板厚一定的情況下，寬厚比大的試樣疲勞壽命較高。

(3)對(duì)于薄板試樣的拉拉疲勞試驗(yàn)(R=0.1)，尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。CP800復(fù)相鋼的疲勞斷口呈韌性斷裂特征，疲勞起源于試樣加工面，由磨痕或擦傷等表面缺陷引起。