蘇洪英 劉仁東 呂 冬 林 利 丁庶煒 張瑞坤

(鞍鋼技術(shù)中心，遼寧 鞍山 114009)

汽車大梁板主要用于制造汽車縱梁、橫梁、前后車橋、保險杠等結(jié)構(gòu)件，要求鋼板具有較高強度的同時，還應(yīng)有良好的成形性能、焊接性能和耐疲勞性能等[1-5]。疲勞斷裂是機械零件和工程構(gòu)件3種主要失效形式(斷裂、磨損、腐蝕)中最危險的一種[6]。汽車在行駛過程中，受氣流、路況等外界因素的影響而承受循環(huán)應(yīng)力，在循環(huán)應(yīng)力重復(fù)作用下，汽車零部件將發(fā)生疲勞破壞，因此耐久性是當(dāng)前汽車設(shè)計必須考慮的性能指標(biāo)之一[7]。雖然采用疲勞試驗?zāi)苊枋霾牧系钠谛袨椋顷P(guān)于汽車大梁鋼疲勞試驗迄今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對試樣的形狀、尺寸未做明確規(guī)定[8]。

GB/T 3075—2008中,對于矩形橫截面試樣推薦兩種形狀，即在平行部位和夾持端之間具有切向過渡圓弧或夾持端間連續(xù)半徑的均勻厚度的矩形橫截面試樣[9]，前者稱為等截面試樣，后者稱為漏斗形試樣[10]。吳海利等[11]選用3種汽輪機葉片材料，對等截面試樣和漏斗形試樣分別進行了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，提出了試樣形狀系數(shù)的概念，并得出由試樣形狀引起的應(yīng)力和撓度的差異是漏斗形試樣的疲勞強度大于圓柱形試樣的主要原因。為了解造成汽車大梁板兩種形狀試樣的軸向疲勞性能差異的原因，本文對等截面試樣和漏斗形試樣進行了不同應(yīng)力比以及不同應(yīng)力水平下的軸向疲勞壽命對比試驗。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為8 mm厚的500L-Z汽車大梁板，其屈服強度為509 MPa，抗拉強度為608 MPa。根據(jù)GB/T 3075—2008，兩種形狀疲勞試樣的試驗段寬度相同，以保證橫截面積相等；同時為保證剛度相同，夾持端長度相同，具體尺寸見圖1。

圖1 疲勞試樣

疲勞試驗依據(jù)GB/T 3075—2008進行，設(shè)備選用美國Instron8802疲勞試驗機，加載頻率為25 Hz，試驗在室溫和空氣介質(zhì)中進行，應(yīng)力控制采用拉-壓(應(yīng)力比R=-1)和拉-拉(應(yīng)力比R=0.1)正弦波兩種加載方式。大量疲勞試驗結(jié)果表明：當(dāng)某一應(yīng)力水平下組內(nèi)各疲勞壽命大部分在106周次以內(nèi)時，可以假定對數(shù)疲勞壽命遵循正態(tài)分布[12]。本文在高、低兩個不同應(yīng)力水平下分別采用母體標(biāo)準(zhǔn)差相同的成組對比試驗的t檢驗法和母體標(biāo)準(zhǔn)差不同的成組對比試驗的t′檢驗法[12]，對汽車大梁板等截面試樣和漏斗形試樣進行疲勞壽命對比試驗，并采用升降法測試了50%存活率的疲勞極限。

采用切割應(yīng)力松弛法測量殘余應(yīng)力，應(yīng)變方向為軸向，兩種形狀試樣各測6個平行試樣。測試時將電阻應(yīng)變片貼在待測試樣表面(見圖2)，電阻應(yīng)變片為封閉型，長3 mm。將貼有應(yīng)變片的部分與試樣逐漸切割隔離(鋸切部位見圖3)，殘余應(yīng)力值由鋸切前后的應(yīng)變差再乘以2.07×105MPa得到。

圖2 應(yīng)變片粘貼位置

圖3 試樣鋸切部位

2 疲勞試驗數(shù)據(jù)處理方法

(1)

(2)

式中：n為試樣數(shù)量；N為疲勞壽命，次；x為對數(shù)疲勞壽命，次。

按式(3)～式(5)計算統(tǒng)計量F值、t值和對應(yīng)的自由度v：

(3)

(4)

按式(6)和式(7)計算統(tǒng)計量t′值和對應(yīng)的自由度v′：

(6)

(7)

采用式(8)和式(9)計算置信上限θU和置信下限θL，式中tγ為對應(yīng)置信度γ的t值，可通過查閱有關(guān)疲勞可靠性資料中的數(shù)據(jù)表得到。式(10)中S12為“組合標(biāo)準(zhǔn)差”，代表了兩組數(shù)據(jù)的分散性。

(8)

(9)

(10)

3 疲勞試驗結(jié)果

3.1 疲勞極限

采用升降法測定材料的疲勞極限，有效試樣不少于13根，取3～5級應(yīng)力水平，每級應(yīng)力增量為預(yù)計疲勞極限的3%～5%，所測50%存活率下的疲勞極限見表1。

表1 兩種形狀試樣的疲勞極限

3.2 應(yīng)力比R=-1條件下疲勞試驗結(jié)果

在應(yīng)力比R=-1，高、低兩個應(yīng)力水平330和250 MPa條件下，兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 應(yīng)力比R=-1條件下兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)

3.3 應(yīng)力比R=0.1條件下疲勞試驗結(jié)果

在應(yīng)力比R=0.1，高、低兩個應(yīng)力水平550和475 MPa條件下，兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 應(yīng)力比R=0.1條件下兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)

4 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

一般情況下，熱軋帶鋼在軋制后的冷卻過程中,由于邊部和中部冷卻速度的不同導(dǎo)致鋼板內(nèi)部存在熱應(yīng)力，從而形成殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力對構(gòu)件的疲勞強度、應(yīng)力腐蝕、形狀精度等均有重大影響。兩種形狀試樣表面殘余應(yīng)力的測量結(jié)果如表4所示。由表4可見，漏斗形試樣的表面殘余壓應(yīng)力高于等截面試樣。

表4 殘余應(yīng)力測量結(jié)果

5 分析與討論

由上述試驗結(jié)果可知，在應(yīng)力比R=-1和R=0.1時，在高、低兩個應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。當(dāng)R=-1時，在250和330 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.22～5.76倍和2.01～2.44倍，漏斗形試樣的疲勞極限稍低于等截面試樣，低6 MPa。當(dāng)R=0.1時，在475和550 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.04～3.14倍和1.80～2.74倍，漏斗形試樣的疲勞極限比等截面試樣高17 MPa。

5.1 應(yīng)力集中

等截面試樣在平行部位和夾持端之間具有切向過渡圓弧，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中使等截面試樣的局部應(yīng)力提高，由于應(yīng)力集中處局部應(yīng)力的急劇提高,導(dǎo)致疲勞強度降低[14]。當(dāng)試樣承受靜載荷時，由于材料都有一定的塑性，在破壞之前有一個宏觀塑性變形過程，使試樣上的應(yīng)力重新分配，自動趨于均勻化。因此，應(yīng)力集中對靜強度沒有多大影響。而疲勞破壞時截面上的名義應(yīng)力尚未達(dá)到材料的屈服極限，因此破壞前不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，不會出現(xiàn)像靜載破壞前那樣的載荷重分配過程。這樣便使試樣的疲勞強度主要決定于最大應(yīng)力處附近的局部應(yīng)力，是試樣的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋源多出現(xiàn)在切向圓弧過渡附近。漏斗形試樣是在夾持端間連續(xù)半徑的試樣，不存在應(yīng)力集中。中間最細(xì)部位的名義應(yīng)力最大，裂紋多出現(xiàn)在此處附近。因此在相同的應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。

5.2 殘余應(yīng)力

Goodman公式為：

(11)

圖4 疲勞極限圖

(12)

(13)

由式(13)可知，殘余拉應(yīng)力使材料的疲勞強度下降，而殘余壓應(yīng)力使材料的疲勞強度提高。殘余拉應(yīng)力使裂紋張開，在一定的循環(huán)應(yīng)力下，微裂紋在發(fā)展成宏觀裂紋前所需擴展的長度減小，裂紋萌生壽命縮短。殘余壓應(yīng)力將阻止宏觀裂紋張開，微觀裂紋期延長，在一定的循環(huán)應(yīng)力下，材料的疲勞強度或壽命提高[17]?？芍獕嚎s殘余應(yīng)力將使構(gòu)件的疲勞極限提高，反之，拉伸殘余應(yīng)力則降低構(gòu)件的疲勞極限，因此在相同應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。

6 結(jié)論

(1)對于同種材料，漏斗形試樣和等截面試樣的疲勞性能有較大差異。在95%置信度的前提下，當(dāng)R=-1時，在250和330 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.22～5.76倍和2.01～2.44倍；當(dāng)R=0.1時，在475和550 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.04～3.14倍和1.80～2.74倍。

(2)由試樣形狀引起的應(yīng)力集中和表面殘余壓應(yīng)力是漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣的主要原因。等截面試樣的平行部位和夾持端之間的切向過渡圓弧是產(chǎn)生應(yīng)力集中的根源，且其表面殘余壓應(yīng)力低于漏斗形試樣。

(3)建議在今后的疲勞測試分析或引用數(shù)據(jù)時，在疲勞試驗數(shù)據(jù)后標(biāo)注試樣形狀，避免因忽略不同試樣形狀得出的試驗數(shù)據(jù)差值而造成較大的計算誤差。