□ 楊 坤

北鋼管業(yè)(營(yíng)口)有限公司 遼寧營(yíng)口 115007

1 分析背景

冷軋低碳鋼板隨著變形量的增大,抗拉強(qiáng)度和硬度都顯著提高[1-2]。在實(shí)際應(yīng)用中,冷軋低碳鋼板很少出現(xiàn)在一次性單調(diào)加載情況下就結(jié)構(gòu)失效的問題。事實(shí)上,工程中最常遇到的是疲勞失效問題。由此,細(xì)晶粒鋼疲勞行為的研究越來越受到人們的重視,已有許多學(xué)者對(duì)細(xì)晶粒鋼的疲勞行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[3-6]。Chapetti等[7-8]對(duì)晶粒尺寸分別為0.8 μm、1 μm的細(xì)晶粒低碳鋼和晶粒尺寸為12.5 μm的相同化學(xué)成分的SM490粗晶鋼的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種鋼的疲勞極限隨晶粒尺寸的減小而提高,超細(xì)晶低碳鋼的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展相對(duì)較低,疲勞長(zhǎng)裂紋萌生能力隨晶粒尺寸的減小而降少,在中高應(yīng)力強(qiáng)度范圍內(nèi)和平均應(yīng)力水平下,超細(xì)晶粒鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率低于SM490粗晶鋼。楊振國(guó)等[9-10]研究了42CrMoVNb細(xì)晶粒鋼在三種工藝下的疲勞行為,發(fā)現(xiàn)晶粒細(xì)化對(duì)疲勞強(qiáng)度有復(fù)雜影響,存在一個(gè)合理的晶粒細(xì)化范圍,大約為4 μm。材料疲勞性能產(chǎn)生復(fù)雜的變化,與材料內(nèi)部組織的變化有密切關(guān)系。

對(duì)材料疲勞性能方面進(jìn)行研究,不僅具有強(qiáng)烈的工程背景,而且具有基礎(chǔ)性研究?jī)r(jià)值。由此,筆者通過試驗(yàn),對(duì)冷軋低碳鋼板的疲勞性能進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為典型低碳鋼板,材料的化學(xué)成分按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》測(cè)定,結(jié)果見表1。

表1 低碳鋼板化學(xué)成分

將試驗(yàn)用低碳鋼板加熱至900 ℃保溫,在10%氯化鈉冰水中淬火,得到板條馬氏體組織,然后在輥鍛機(jī)上同方向進(jìn)行多道次軋制。冷軋時(shí),分別按照變形量60%、70%、80%取樣。

試驗(yàn)所采用的冷軋低碳鋼板熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 低碳鋼板熱處理工藝曲線

3 試驗(yàn)方法

采用單點(diǎn)試驗(yàn)法,根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》制成緊湊拉伸試樣。疲勞試驗(yàn)在PLG-1000微機(jī)控制高頻拉-拉疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)前在試樣標(biāo)距內(nèi)側(cè)面預(yù)制一個(gè)缺口。在同一應(yīng)力水平下,對(duì)試樣不斷循環(huán)進(jìn)行加載應(yīng)力和釋放應(yīng)力,直到試樣斷裂為止,記錄從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束的循環(huán)次數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)全部結(jié)束后,根據(jù)試樣在不同應(yīng)力水平下的試驗(yàn)結(jié)果,繪制出三種變形量試樣的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線,如圖2所示。在同一應(yīng)力水平下,變形量大的試樣,疲勞循環(huán)次數(shù)相對(duì)較高。隨著變形量的增大,應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率不斷減小,變形量大的試樣,疲勞性能相對(duì)比較穩(wěn)定。試樣的疲勞極限在500 MPa～600 MPa之間,都達(dá)到高周疲勞。

圖2 試樣應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線

5 變形量對(duì)應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線影響

目前,研究者對(duì)層狀復(fù)合材料疲勞機(jī)制的研究已經(jīng)成熟,冷軋低碳鋼板具有內(nèi)生層狀復(fù)合結(jié)構(gòu),不是嚴(yán)格意義上的層狀材料,但仍可看作是自生的層狀復(fù)合材料。由于層片很薄,因此可以認(rèn)為層片內(nèi)不存在濃度梯度,界面為非梯度界面,并且界面兩側(cè)層片的材料參數(shù)完全相同。

三種變形量試樣在較高載荷下的強(qiáng)度-循環(huán)次數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可以看出,變形量越大的試樣,疲勞-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率越大。低碳鋼板在多道次大壓量的冷軋變形中,不同取向的界面不斷趨于同一方向。在變形量達(dá)到80%之前,試樣中的界面都存在不同程度的彎曲,這些彎曲的界面與載荷軸向存在一定的夾角。變形量越小,弱界面的彎曲程度越大,與載荷軸的夾角也越大,疲勞-循環(huán)次數(shù)曲線的斜率越小。由此,板條馬氏體的取向接近一致,并且沿板條方向加載,冷軋低碳鋼板才能達(dá)到最優(yōu)的抗疲勞性能。

圖3 試樣強(qiáng)度-循環(huán)次數(shù)曲線

復(fù)合材料偏軸角概念對(duì)于內(nèi)生層狀結(jié)構(gòu)冷軋低碳鋼板疲勞性能的研究具有借鑒意義。彎曲界面與載荷軸的夾角與單向復(fù)合材料中纖維與載荷軸的夾角的概念相似。單向?qū)訝顝?fù)合材料在偏軸載荷作用下,將混合型基體開裂看作起決定性作用的疲勞損傷機(jī)理,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到107以上,即達(dá)到高周疲勞時(shí),對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度稱為疲勞強(qiáng)度。單向復(fù)合材料偏軸疲勞強(qiáng)度-循環(huán)次數(shù)曲線如圖4所示。偏軸角越小,疲勞強(qiáng)度越高,裂紋尖端會(huì)承受兩種位移分量,分別為與纖維垂直的張開型位移、與纖維平行的滑移型位移,導(dǎo)致混合型裂紋在平行纖維方向擴(kuò)展。裂紋尖端位移的極限值取決于偏軸角的大小[6],在裂紋尖端位移極限值下,裂紋不擴(kuò)展。

圖4 單向復(fù)合材料偏軸疲勞強(qiáng)度-循環(huán)次數(shù)曲線

冷軋低碳鋼板的界面存在不連續(xù)性,在馬氏體板條兩端的界面與載荷軸方向的夾角最大,所以,板條馬氏體兩端是冷軋低碳鋼板的薄弱環(huán)節(jié),裂紋容易在此形成,位錯(cuò)在尖端界面處大量堆積,產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而出現(xiàn)疲勞裂紋。變形量越大,兩端的界面長(zhǎng)度越短,與載荷軸有夾角的界面越少,疲勞性能就相對(duì)越好。

6 結(jié)束語

低碳鋼板經(jīng)淬火和不同變形量冷軋后,形成層狀晶粒,經(jīng)過拉-拉疲勞試驗(yàn),可以得到如下結(jié)論:三種變形量試樣的循環(huán)次數(shù)隨變形量的增大而增加,基本都達(dá)到高周疲勞;60%～80%變形量試樣的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線符合層狀復(fù)合材料的偏軸疲勞損傷理論,界面與載荷軸夾角越小,疲勞強(qiáng)度越高。通過分析表明,冷軋低碳鋼板的層狀晶粒具有復(fù)合材料特征。