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)

0 引 言

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)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

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)。

2.2 動(dòng)態(tài)循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

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

2.3 應(yīng)變與壽命關(guān)系

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

2.4 疲勞斷口形貌

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

3 結(jié) 論

(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。