甘 露 金 一 張 梅

(1.上海匯眾汽車制造有限公司技術(shù)中心，上海 200122; 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

汽車車身用材料的輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一，因此需研究開發(fā)汽車用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板[1]。

CP800鋼是第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，其組織為鐵素體和貝氏體，具有高強(qiáng)度和較高的塑性，多用于汽車構(gòu)件。汽車構(gòu)件的疲勞壽命對(duì)于汽車的安全行駛起關(guān)鍵作用，因此有必要研究材料的疲勞性能。目前對(duì)CP800復(fù)相鋼疲勞特性的研究較少，本文通過拉-壓循環(huán)加載的疲勞試驗(yàn)研究了CP800鋼的低周疲勞特性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為量產(chǎn)的CP800鋼板，厚3.5 mm，化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2，顯微組織為鐵素體和貝氏體，晶粒細(xì)小。用拉伸法得到彈性段的應(yīng)力幅σ和應(yīng)變幅ε，根據(jù)σ=Eε計(jì)算得出彈性模量E為2.30×105MPa。

表1 研究用CP800鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 研究用CP800鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法與試樣

低周拉-壓疲勞試驗(yàn)在MTS 730.02型電液伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上按GB/T 15248—1994進(jìn)行，加載波形為三角波，加載頻率恒定，為1 Hz。

疲勞試樣尺寸如圖1所示。試驗(yàn)為軸向等幅拉-壓，拉-壓方向垂直于軋制方向，采用標(biāo)距為10 mm的引伸計(jì)。采用M205C體視顯微鏡和掃描電鏡觀察分析疲勞試驗(yàn)試樣的斷口形貌和失效機(jī)制。

圖1 低周疲勞試樣尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 滯后回線示意圖

(1)

2.2 E-N曲線擬合

疲勞行為遵循Basquin公式(1)和Coffin-Manson公式(2)。采用式(1)、式(2)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得應(yīng)變疲勞參數(shù)。

(1)

(2)

對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行對(duì)數(shù)處理,獲得式(3)、式(4)。對(duì)式(3)、式(4)進(jìn)行線性擬合，再根據(jù)擬合直線的斜率與截距得到疲勞延性系數(shù)εf′、疲勞延性指數(shù)c、疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b。

(3)

(4)

塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與壽命反復(fù)數(shù)對(duì)數(shù)之間線性擬合結(jié)果見圖3、圖4。計(jì)算得到：εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107。根據(jù)式(1～3)可得式(5)，即預(yù)測構(gòu)件低周疲勞循環(huán)次數(shù)的公式:

(5)

圖關(guān)系曲線

圖關(guān)系曲線

將擬合計(jì)算得到的疲勞參數(shù)代入式(5)，得到循環(huán)次數(shù)Nf與總應(yīng)變?chǔ)う舤之間的關(guān)系，即預(yù)測CP800鋼低周疲勞壽命與壽命反復(fù)數(shù)對(duì)數(shù)之間的關(guān)系式(6)。繪制總應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅曲線，如圖5所示。過渡壽命Nt值(圖5中兩條擬合虛線交點(diǎn)的壽命)為材料從彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變的次數(shù)，CP800鋼的過渡壽命為592次。

圖5 log(Δεt)、log(Δεe)、log(Δεp)和log(2Nf)之間的關(guān)系

(6)

2.3 斷口分析

圖6為CP800鋼疲勞試樣斷口的宏觀形貌，圖7為斷口的掃描電鏡照片。

圖6表明，疲勞試樣斷口有明顯的裂紋源A、擴(kuò)展區(qū)B和瞬斷區(qū)C。圖6中A處的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)有多個(gè)裂紋源，如圖7(a)和7(d)所示；圖6中B區(qū)有許多“海灘狀”的細(xì)小條紋從裂紋源處向外擴(kuò)展，放大可見疲勞輝紋，如圖7(b)和7(e)所示；圖6中C區(qū)(深色區(qū))存在明顯的塑性變形，局部放大后的形貌見圖7(c)和7(f)，為瞬斷區(qū)，有大量深淺不一的韌窩。

圖6 以0.6%和0.8%的應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)后試樣斷口的宏觀形貌

總體來看，試樣均為多源疲勞失效。在裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到疲勞輝紋，并且隨著應(yīng)變幅的增大而增多，疲勞條帶間距增大。這是由于平均應(yīng)力與應(yīng)變幅成正比關(guān)系，應(yīng)變幅增大使平均應(yīng)力增大，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率增大[3]。

隨著應(yīng)變幅的增大，裂紋的擴(kuò)展速率增大，如圖7(b)所示，應(yīng)變幅為0.6%時(shí)，試樣斷口的疲勞輝紋細(xì)密；相反，如圖7(e)所示，以0.8%的應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)的試樣，疲勞輝紋間距變寬。在疲勞試驗(yàn)過程中，試樣受到反復(fù)的拉-壓載荷，裂紋萌生并擴(kuò)展。隨著裂紋擴(kuò)展的加劇，試樣的實(shí)際有效受力面積不斷減小，導(dǎo)致其局部經(jīng)受的真實(shí)應(yīng)力增大，裂紋擴(kuò)展速率也增大。真實(shí)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，試樣斷裂，形成與擴(kuò)展區(qū)形貌截然不同的瞬斷區(qū)。微觀形貌為：靠近疲勞源的裂紋擴(kuò)展區(qū)輝紋密集，而近瞬斷區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)輝紋間隔較寬。宏觀上，瞬斷區(qū)面積較大，且用掃描電鏡可觀察到深淺不一的韌窩，表明塑性良好。

圖7 以0.6%和0.8%的應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)后試樣斷口裂紋源(a，d)、裂紋擴(kuò)展區(qū)(b，e)和瞬斷區(qū)(c，f)的掃描電鏡圖

2.4 循環(huán)應(yīng)力

圖8為以0.8%的應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)不同周次后試樣的滯后回線。圖8表明，CP800鋼的疲勞循環(huán)應(yīng)力變化總體上是穩(wěn)定的，開始至穩(wěn)定階段，應(yīng)力稍有上升，后期則下降。

圖8 以0.8%應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)時(shí)循環(huán)硬化和軟化現(xiàn)象的滯后回線和滯后回線的最大應(yīng)力

在疲勞試驗(yàn)的初期，試樣中較軟的鐵素體首先形變，在拉-壓載荷的作用下鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)密度增大[4]，位錯(cuò)環(huán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到鐵素體-貝氏體晶界的阻礙，導(dǎo)致在循環(huán)的開始階段發(fā)生硬化。但在鐵素體硬化達(dá)到峰值時(shí)，隨后較硬的貝氏體在外力的作用下開始變形，導(dǎo)致原兩相邊界塞積的位錯(cuò)開始重新運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生軟化。此外，貝氏體也提高了材料的硬化速率[5]。有關(guān)鐵素體-貝氏體鋼力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，在外加載荷的作用下，硬相貝氏體在低周疲勞中僅發(fā)生彈性變形而不發(fā)生塑性變形，發(fā)生變形的鐵素體由于應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，會(huì)在貝氏體和鐵素體界面產(chǎn)生大量的應(yīng)變協(xié)調(diào)位錯(cuò)，產(chǎn)生加工硬化[6]。由圖8可知，以0.8%應(yīng)變幅疲勞試驗(yàn)至第800次循環(huán)時(shí)，應(yīng)力幅顯著減小，表明材料明顯軟化。

有關(guān)鐵素體-馬氏體雙相鋼循環(huán)形變的研究表明[7]，材料會(huì)出現(xiàn)先硬化后軟化的循環(huán)變化，并且當(dāng)應(yīng)變幅較大(Δε≥0.6%)時(shí)，軟化出現(xiàn)的越早，軟化程度越大；而小應(yīng)變幅的應(yīng)變不足以使馬氏體完全變形，不會(huì)出現(xiàn)兩相界面較顯著的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)明顯軟化。

3 結(jié)論

(1)CP800鋼以-1的應(yīng)力比(R)進(jìn)行低周拉-壓疲勞試驗(yàn)時(shí)，疲勞參數(shù)值分別為εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107，循環(huán)次數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系式為:

(2)CP800鋼疲勞試樣斷口有多個(gè)裂紋源，裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋。

(3)CP800鋼循環(huán)力學(xué)行為總體穩(wěn)定，循環(huán)響應(yīng)為前半個(gè)壽命期逐漸輕微硬化，隨后迅速軟化。