孫曉冉,宋 月,谷秀銳,白麗娟,趙秀娟
(1.河鋼集團(tuán)鋼研總院理化檢測(cè)中心,石家莊 052160;2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系,石家莊 050091)
SPHC鋼具有良好的塑韌性、熱加工成形性、焊接性能,是優(yōu)質(zhì)的冷軋基料[1],多作為沖壓和面板成形等深加工用材[2],其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、家電等行業(yè)。汽車制造業(yè)的發(fā)展不僅要求材料具有良好的靜態(tài)力學(xué)性能,還需要具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)疲勞性能。模擬設(shè)計(jì)和成形仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得汽車零部件的設(shè)計(jì)越來(lái)越傾向于優(yōu)先進(jìn)行模擬仿真,相應(yīng)地對(duì)材料變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越詳細(xì)。因此,掌握材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性對(duì)材料的成形設(shè)計(jì)和仿真模擬格外重要,對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)也具有重要意義。目前,有關(guān)SPHC鋼低周疲勞特性的研究較少,從而影響了SPHC鋼汽車零部件的設(shè)計(jì)分析。因此,作者以河鋼某鋼廠所產(chǎn)汽車用SPHC熱軋薄鋼板為研究對(duì)象,對(duì)其開展靜態(tài)拉伸試驗(yàn)、循環(huán)應(yīng)變低周疲勞試驗(yàn),得到SPHC鋼的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)變與壽命關(guān)系,并對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察,分析該鋼的低周疲勞特性,為模擬分析和仿真設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
試驗(yàn)材料選用河鋼某鋼廠生產(chǎn)的2.0 mm厚汽車用SPHC熱軋薄鋼板,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.12C,0.6Mn,0.5Si,≤0.035P,≤0.035S。按照GB/T 26077-2010[3],在試驗(yàn)鋼上截取3個(gè)等截面啞鈴形板狀拉伸試樣,分別標(biāo)記為試樣1、試樣2、試樣3,試樣平行段寬度為15 mm,標(biāo)距為50 mm,采用Zwick100 KN型電子式拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向靜態(tài)拉伸試驗(yàn),采用應(yīng)變速率控制模式。按照GB/T 15248-2008[4],在試驗(yàn)鋼上截取如圖1所示的疲勞試樣,采用MTS landmark 370.25型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉-壓低周疲勞試驗(yàn),采用恒應(yīng)變速率控制模式,加載波形為三角波,應(yīng)力比R為-1,循環(huán)頻率為0.5 Hz,選用標(biāo)距為10 mm的632.13F-23型引伸計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)變;由于試樣較薄,在拉-壓循環(huán)過(guò)程中使用防屈曲裝置以防止試樣出現(xiàn)屈曲變形而發(fā)生失穩(wěn)破壞。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后,采用ZEISS Ultra55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。
圖1 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue specimen
由拉伸試驗(yàn)得到的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度測(cè)試值分別為262,267,267 MPa,抗拉強(qiáng)度測(cè)試值分別為342,343,342 MPa,斷后伸長(zhǎng)率測(cè)試值分別為39%,40%,41%,平均屈服強(qiáng)度、平均抗拉強(qiáng)度、平均斷后伸長(zhǎng)率分別為265 MPa,342 MPa,40%。
圖2 試驗(yàn)鋼的靜態(tài)工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.2 Static engineering stress-engineering strain curve of test steel
采用Remberg-Osgood彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[5]對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其表達(dá)式為
ε=σ/E+(σ/K)1/n
(1)
式中:ε為工程應(yīng)變;σ為工程應(yīng)力;E為彈性模量;K為強(qiáng)度系數(shù);n為靜態(tài)應(yīng)變硬化指數(shù)。
式(1)中第一部分σ/E表征彈性應(yīng)變階段,第二部分(σ/K)1/n表征塑性應(yīng)變階段。經(jīng)擬合計(jì)算得到,SPHC鋼的靜態(tài)強(qiáng)度系數(shù)為286,應(yīng)變硬化指數(shù)為0.133。該數(shù)據(jù)可為該材料低周疲勞試驗(yàn)和零部件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。
在恒應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)初期的循環(huán)階段會(huì)出現(xiàn)循環(huán)硬化或軟化現(xiàn)象,該階段一般占整個(gè)疲勞壽命Nf的1/10~1/2,之后進(jìn)入穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài),即應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系穩(wěn)定。穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈滯回環(huán)形狀,選取不同應(yīng)變幅下系列滯回環(huán)線的最高數(shù)據(jù)點(diǎn),按最小二乘法進(jìn)行擬合后,即可得到循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。選擇1/2Nf處穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)的應(yīng)力和塑性應(yīng)變進(jìn)行擬合[3-4],擬合曲線如圖3所示,擬合公式為
Δσ/2=K′(Δεp/2)n′
(2)
式中:Δεp/2為塑性應(yīng)變幅;Δσ/2為1/2Nf處的應(yīng)力幅;K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù);n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。
圖3 試驗(yàn)鋼的循環(huán)應(yīng)力-塑性應(yīng)變擬合曲線Fig.3 Cyclic stress-plastic strain fitting curve of test steel
經(jīng)擬合計(jì)算得到,循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)為284,循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)為0.128。
將不同應(yīng)變幅穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下的滯回環(huán)曲線通過(guò)坐標(biāo)平移,使其最低點(diǎn)與原點(diǎn)重合,結(jié)果如圖4所示,圖中Δεt/2為總應(yīng)變幅。由圖4可以看出,滯回環(huán)上行線的前半段基本重合,后半段隨應(yīng)變的增大出現(xiàn)分離現(xiàn)象,各滯回環(huán)上最高數(shù)據(jù)點(diǎn)的連線未與每個(gè)滯回線環(huán)的上行線重合,可知SPHC鋼在試驗(yàn)范圍內(nèi)具有非Masing效應(yīng)[6]。研究表明,材料是否具備Masing效應(yīng)與材料的種類、狀態(tài)以及試驗(yàn)參數(shù)、環(huán)境有關(guān)[7];Masing效應(yīng)反映材料在疲勞損傷時(shí)微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,具有均勻分散相或低層錯(cuò)能的單相金屬更易表現(xiàn)Masing循環(huán)響應(yīng)行為,而具有較高層錯(cuò)能金屬的循環(huán)響應(yīng)不易具有Masing效應(yīng)[8]。具備Masing效應(yīng)的材料在高應(yīng)變穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)與低應(yīng)變下的微觀結(jié)構(gòu)相適應(yīng),說(shuō)明可以用高應(yīng)變穩(wěn)定循環(huán)關(guān)系來(lái)表征材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系,而這些規(guī)律對(duì)于非Masing效應(yīng)材料均不適用。因此,不能簡(jiǎn)單地采用最大應(yīng)變幅的單調(diào)滯回環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系來(lái)描述或預(yù)測(cè)SPHC鋼的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系。
圖4 平移后不同應(yīng)變幅穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)下的滯回環(huán)曲線Fig.4 Hysteresis loop curve under stable cyclic state at different strain amplitudes after translation
按照GB/T 15248-2008中附錄A和GB/T 26077-2010中8.3.3條款,在應(yīng)變控制的低循環(huán)疲勞加載條件下,總應(yīng)變幅為彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅之和,其關(guān)系可采用Manson-Coffin方程進(jìn)行描述[3],表達(dá)式為
(3)
式中:Δεe/2為彈性應(yīng)變幅;f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);f為疲勞延性系數(shù);c為疲勞延性指數(shù)。
基于試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)式(3)計(jì)算并擬合后,分別得到彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變福、總應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系,如圖5所示,圖中Δε/2為應(yīng)變幅。由此獲得SPHC鋼的疲勞強(qiáng)度系數(shù)為467 MPa,疲勞強(qiáng)度指數(shù)為-0.078,疲勞延性系數(shù)為0.323,疲勞延性指數(shù)為-0.609,上述數(shù)據(jù)可作為汽車板成型設(shè)計(jì)和仿真分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
圖5 試驗(yàn)鋼的應(yīng)變-疲勞壽命擬合曲線Fig.5 Strain-fatigue life fitting curve of test steel
疲勞斷裂過(guò)程分為疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展以及瞬時(shí)斷裂3個(gè)階段。SPHC鋼的疲勞斷口形貌如圖6所示,由裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。由圖6可以看出:裂紋均在試樣表面萌生,裂紋源區(qū)較平坦光滑,由于暴露在空氣中時(shí)間較長(zhǎng)且裂紋擴(kuò)展速率較慢,斷口出現(xiàn)輕微氧化,顏色偏深;不同方向的疲勞裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生交匯,形成疲勞臺(tái)階,疲勞臺(tái)階由表面至內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展,是疲勞斷口宏觀形貌的典型特征之一[9];裂紋擴(kuò)展區(qū)由大量疲勞輝紋組成,說(shuō)明SPHC鋼具有非常好的延展性;瞬斷區(qū)存在大小不一的韌窩,說(shuō)明SPHC鋼不易發(fā)生滑移,具有良好的塑韌性。
圖6 不同總應(yīng)變幅下試驗(yàn)鋼的疲勞斷口形貌Fig.6 Fatigue fracture morphology of test steel under different total strain amplitude: (a-b) overall morphology; (c-d) crack growth area and (e-f) transient fracture area
(1) SPHC鋼的平均屈服強(qiáng)度、平均抗拉強(qiáng)度、平均斷后伸長(zhǎng)率分別為265 MPa,342 MPa,40%?;陟o態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用Remberg-Osgood方程擬合得到SPHC鋼的靜態(tài)強(qiáng)度系數(shù)為286,應(yīng)變硬化指數(shù)為0.133;基于低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合得到SPHC鋼的循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)為284,循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)為0.128;SPHC鋼在試驗(yàn)范圍內(nèi)具有非Masing效應(yīng)。
(2) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)Manson-Coffin方程得到SPHC鋼的彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變福、總應(yīng)變幅與壽命的關(guān)系,擬合得到疲勞強(qiáng)度系數(shù)為467 MPa,疲勞強(qiáng)度指數(shù)為-0.078,疲勞延性系數(shù)為0.323,疲勞延性指數(shù)為-0.609。
(3) SPHC鋼疲勞斷口由裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成,裂紋擴(kuò)展區(qū)由大量疲勞輝紋組成,瞬斷區(qū)存在大量韌窩,SPHC鋼具有良好的塑韌性。