劉華賽 李春光 白雪 韓赟 宋竹滿 滕華湘

（1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京100043；3.中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心，沈陽110016）

1 前言

目前汽車輕量化的需求促使高強鋼在白車身上的應用越來越廣泛，從高強鋼的使用情況看，780 MPa級別的高強鋼應用較多[1-3]。對于某些復雜零件來說，其成形過程較為困難，易于發(fā)生沖壓開裂，因此科研人員在傳統(tǒng)雙相鋼的基礎上開發(fā)了一種具有成形增強的新型雙相鋼[4]。這種雙相鋼在其組織中除了鐵素體和馬氏體之外還含有一定量的殘余奧氏體，使之在變形過程中發(fā)生TRIP效應，使雙相鋼獲得較高的均勻變形能力。高強鋼一般常用作汽車白車身的結構件，因此其疲勞性能是整車疲勞耐久設計所必須要考慮的重要因素，由于成形增強雙相鋼組織中具有一定量的殘余奧氏體，因此殘余奧氏體對材料疲勞性能的影響也需要一并考慮[3]。

本研究以兩種780 MPa級熱鍍鋅雙相鋼為研究對象，其中之一為常規(guī)雙相鋼，另外一種為成形增強的新型雙相鋼，通過對兩種材料施加應變控制的循環(huán)載荷，對它們的循環(huán)變形和疲勞壽命進行了研究，繪制了兩種材料的疲勞應變-循環(huán)壽命（e-N）曲線，并對兩種材料的失效行為進行了分析，上述研究結果可以為主機廠白車身結構件的選材和疲勞耐久分析提供依據(jù)。

2 實驗材料和方法

本研究所選用材料為1.5 mm厚的DP780+Z熱鍍鋅雙相鋼，其主要化學成分如表1所示。試驗用疲勞試樣尺寸如圖1所示。

表1 兩種DP780+Z的化學成分（質量分數(shù)） %

圖1 應變疲勞試樣尺寸（mm）

在疲勞測試中，試驗機的頻率設定為2 Hz，應變比R=-1，三角波控制。按照GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》，GB/T 26077—2010《金屬材料 疲勞試驗 軸向應變控制方法》進行試驗，得到的e-N曲線圖在循環(huán)次數(shù)上最少應覆蓋3個數(shù)量級。

采用S3400N型掃描電鏡對兩種熱鍍鋅DP780+Z的疲勞斷裂行為進行分析，加速電壓為15 kV。

3 結果與討論

3.1 力學性能

對兩種DP780+Z的力學性能進行測量，結果如表2所示，拉伸曲如圖2所示?？梢钥闯?，兩種DP780+Z的屈服強度和抗拉強度差別不大，但是延伸率差異明顯，其中DP780+Z-A的延伸率只有18.5%，而DP780+Z-B的延伸率達到了22.5%。除了延伸率之外，兩者的n值差別也比較大，DP780+Z-A的n值為0.11，而DP780+Z-B的n值達到 了0.16。

表2 兩種連續(xù)熱鍍鋅DP780+Z力學性能

圖2 兩種DP780+Z的工程應力-應變曲線

3.2 微觀組織

對兩種DP780+Z金相組織進行觀察，結果如圖3所示。可以看出兩種材料的組織上存在一定的差異，從整體上看，兩種組織均為鐵素體（深色）+馬氏體（淺色）組織，但是對于馬氏體的尺寸和分布來說，兩者存在明顯的差異。對于DP780+Z-A的來說，其中的馬氏體尺寸較小，分布比較彌散，其比例約有15.8%，如圖3a所示；對于DP780+Z-B來說，其馬氏體呈現(xiàn)出連續(xù)的塊狀形貌，比例約有13.5%，如圖3(b)所示。除了鐵素體和馬氏體之外，DP780+Z-B在材料設計時考慮到其需要具有較高的變形能力，因此其組織中還引入了5%左右的殘余奧氏體，如圖4所示。

圖3 金相組織

圖4 EBSD觀察DP780+Z-B組織中殘余奧氏體分布

3.3 低周疲勞性能

對于總應變幅控制的低周疲勞試驗，根據(jù)Cof-fin-Manson方程，總應變幅(Δεe/2)是由塑性應變幅(Δεp/2)和彈性應變幅(Δεe/2)兩部分構成，即有：

而(Δεp/2)和(Δεe/2)與疲勞壽命Nf之間的關系為：

利用線性回歸分析方法即可對應變-壽命數(shù)據(jù)進行分析，進而確定低周疲勞加載條件下的應變疲勞參數(shù)即疲勞延性系數(shù)、疲勞強度系數(shù)、疲勞延性指數(shù)c、疲勞強度指數(shù)b的具體數(shù)值。

循環(huán)應力-應變之間的關系可用下述指數(shù)定律表示：

式中，Δσ/2為循環(huán)應力幅；Δεp/2為塑性應變幅；K′為循環(huán)強度系數(shù)，n′為循環(huán)應變硬化指數(shù)。利用線性回歸的方法就可以確定低周疲勞加載條件下的應變疲勞參數(shù)K′和n′的數(shù)值。

對兩種材料進行應變控制的低周疲勞試驗，根據(jù)實驗結果繪制彈性應變幅與壽命曲線、塑性應變幅與壽命曲線、應力幅與塑性應變幅曲線，通過對曲線擬合得到兩種材料的、n′，結果如表3所示。

表3 兩種DP780+Z低周疲勞性能參數(shù)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制應變幅-壽命曲線如圖5所示?？梢钥闯?，在相同的應變幅的情況下，DP780+Z-B具有比DP780+Z-A更高的循環(huán)周次。

圖5 應變幅-疲勞壽命曲線

3.4 失效情況分析

對兩種材料的斷口宏觀形貌進行觀察，如圖6所示。可以看出兩種熱鍍鋅雙相鋼DP780+Z的疲勞裂紋萌生位置均位于樣品側面，而且疲勞斷口都由裂紋區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)3個區(qū)域依次組成。對于薄板試樣，樣品橫截面棱角處的一些缺陷更容易使這些位置產(chǎn)生應力集中，從而疲勞裂紋更易于在這些位置萌生。研究表明[3]，對于相變誘導塑性鋼來說，含有更多含量殘余奧氏體的組織具有更高的抗裂紋萌生和抗裂紋擴展的能力。從本研究兩種材料宏觀斷口3個區(qū)域所占面積看，DP780+Z-A的裂紋萌生擴展區(qū)比DP780+ZB的相應區(qū)域所占面積要大，這說明DP780+Z-B中所含有的殘余奧氏體在循環(huán)加載過程中發(fā)生的馬氏體相變對疲勞壽裂紋的萌生和擴展起到了一定延遲作用，導致其最終疲勞壽命的提高。

圖6 疲勞斷口形貌

4 結論

a.對兩種熱鍍鋅DP780+Z的e-N曲線進行了測定，給出了應變比為-1時，兩種材料的應變硬化系數(shù)、循環(huán)強度系數(shù)、疲勞強度指數(shù)、疲勞強度系數(shù)、疲勞延性指數(shù)和疲勞延性系數(shù)。

b.當DP780+Z中含有5%左右的殘余奧氏體時，其疲勞壽命要高于不含殘余奧氏體的DP780+Z，該結果可以作為選材依據(jù)。

c.兩種DP780+Z的疲勞斷口均表現(xiàn)出裂紋萌生、擴展、瞬斷三階段，但是DP780+Z-A的裂紋萌生和擴展區(qū)比DP780+Z-B的相應區(qū)域所占面積要大，說明殘余奧氏體對裂紋萌生擴展起了重要影響。