王青峽，王光耀，趙奕炳，范培耕，趙 巖

（1.重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331； 2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

前言

DP590鋼是將低碳鋼或低碳合金鋼經(jīng)過(guò)臨界區(qū)熱處理或控制軋制工藝后得到的細(xì)小鐵素體基體上分布有硬化相的雙相高強(qiáng)鋼。其中鐵素體和軟相為鋼板提供良好的成型性能，而馬氏體或貝氏體組織則確保材料具有較高的強(qiáng)度。DP590雙相鋼具有低的屈強(qiáng)比（σs／σb）、高的加工硬化指數(shù)、優(yōu)良的抗疲勞性能和應(yīng)力腐蝕性能，廣泛應(yīng)用在汽車B柱、輪轂、縱梁和內(nèi)外覆蓋件上［1］。

作為新一代汽車輕量化發(fā)展的替代材料，目前對(duì)DP590汽車鋼板常規(guī)力學(xué)性能的研究較為普遍［2］。但由于汽車用鋼在工作狀態(tài)下往往承受較大的脈動(dòng)拉壓載荷和沖擊彎曲載荷，疲勞破壞是其重要的失效形式之一。而對(duì)DP590汽車鋼板疲勞性能的研究，尤其是壓縮變形后的疲勞性能變化研究卻鮮有報(bào)道。本文中基于此針對(duì)600 MPa抗拉強(qiáng)度級(jí)別的DP590鋼壓縮變形后的疲勞性能進(jìn)行了研究，并對(duì)其斷口形貌和失效方式進(jìn)行詳細(xì)的分析。為后續(xù)優(yōu)化車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、豐富汽車用鋼選型奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料選用抗拉強(qiáng)度600 MPa級(jí)，厚度為5.3 mm的汽車用DP雙相鋼板，其化學(xué)成分見表1。該試驗(yàn)分別對(duì)熱軋?jiān)紤B(tài)和施加10%的壓縮變形后的兩種試樣進(jìn)行疲勞性能和斷口形貌分析研究，DP590汽車鋼板熱軋?jiān)紤B(tài)和壓縮變形后的力學(xué)性能見表2，微觀金相組織見圖1。

表1 DP590汽車鋼板化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 DP590汽車鋼板力學(xué)性能

圖1 DP590鋼板顯微金相組織圖

試驗(yàn)依據(jù)材料在不同載荷狀態(tài)下循環(huán)加載失效規(guī)律，采用成組法對(duì)同種材料在5個(gè)不同載荷應(yīng)力值下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)在疲勞壽命104～107次范圍內(nèi)，每個(gè)載荷水平下進(jìn)行5次試驗(yàn)，加載頻率0.01～40 Hz，加載模式為拉 壓加載，試驗(yàn)加載譜為正弦波，載荷比R＝-1。疲勞試驗(yàn)選用SDN—200電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，負(fù)荷和位移測(cè)量精度為±1%。最大加載應(yīng)力σmax＝S（施加的拉伸應(yīng)力載荷），最小加載應(yīng)力σmin＝-S（施加的壓縮應(yīng)力載荷），疲勞失效判定依據(jù)為試樣任意側(cè)出現(xiàn)裂紋或者斷裂。采用日立S-3700N掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌觀察。參照金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 3075—2008）開展試樣壓縮和交變載荷疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)用試樣形狀尺寸和技術(shù)要求見圖2（單位：mm）。

圖2 疲勞試樣圖示

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞強(qiáng)度

疲勞極限反映材料對(duì)周期應(yīng)力的承受能力，材料所承受的循環(huán)載荷應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞斷裂時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長(zhǎng)。該試驗(yàn)依據(jù)材料在不同載荷狀態(tài)下循環(huán)加載失效規(guī)律，采用成組法對(duì)同種材料在5個(gè)載荷應(yīng)力值下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)測(cè)試，考慮到試驗(yàn)結(jié)果的離散性，實(shí)際測(cè)試應(yīng)力值時(shí)的試樣數(shù)量大于5根。初始應(yīng)力載荷選取約為S≈0.5σb。兩種試樣疲勞壽命測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 疲勞試樣斷裂失效數(shù)據(jù)

圖3為DP590熱軋?jiān)紤B(tài)和壓縮10%后試樣的疲勞試驗(yàn)S-N曲線，橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)表示試樣承受的最大應(yīng)力S。對(duì)于鋼和鑄鐵材料，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N達(dá)到2×106～2×107次時(shí)，曲線接近水平［3］。因此，疲勞試驗(yàn)得出DP590熱軋?jiān)荚嚇拥钠跇O限約為282 MPa，即疲勞強(qiáng)度σ-1＝0.43σb，壓縮10%后試樣的疲勞極限約為312 MPa，疲勞強(qiáng)度σ-1＝0.46σb。DP590汽車鋼板施加10%壓縮變形后材料的疲勞極限提升10.6%。

圖3 S-N曲線對(duì)比圖

2.2 疲勞斷口分析

疲勞斷口經(jīng)超聲波清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析疲勞裂紋的起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的形貌特征［4-5］。圖4為熱軋?jiān)荚嚇釉?30 MPa應(yīng)力載荷下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)斷裂后的低倍宏觀斷口照片?？梢杂^察到斷裂發(fā)生在試樣的中部，斷口呈明顯的三區(qū)特征。

圖4 斷裂后的試樣與宏觀斷口形貌

表4為裂紋起源區(qū)EDS能譜分析元素含量。由表可知，裂紋起源區(qū)除C，O，Si和少量Al與Mn元素外，并無(wú)其它特別元素的存在，疲勞裂紋的起源傾向于應(yīng)力加載過(guò)程中循環(huán)滑移導(dǎo)致表面產(chǎn)生微裂紋并逐步擴(kuò)展所致。

表4 裂紋起源區(qū)EDS能譜分析元素含量

圖5（a）為裂紋起源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)前期的顯微形貌。疲勞初始裂紋首先在試樣表面的缺陷或雜質(zhì)處形核，顯微照片可清楚地觀察到微裂紋從右下角呈扇形趨勢(shì)向左上方擴(kuò)散，附近存在較多放射形與人字形條紋，此處即為疲勞裂紋的起源區(qū)。圖5（b）和圖5（c）為裂紋擴(kuò)展區(qū)?？梢钥闯觯派湫詶l紋與其相鄰的條紋之間存在一些微小的解理臺(tái)階，并伴有一些疲勞條帶在其內(nèi)部清晰可見。在疲勞裂紋擴(kuò)展的早期階段，即微裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂紋擴(kuò)展主要呈現(xiàn)為脆性解理斷裂，其裂紋擴(kuò)展的速率相對(duì)較高。然而，在解理斷裂面上存在早期寬度較小的疲勞條帶，表明放射性條紋解理面經(jīng)歷的疲勞周次較多，裂紋擴(kuò)展速率有減緩趨勢(shì)。在疲勞起源區(qū)向疲勞擴(kuò)展區(qū)的過(guò)渡區(qū)斷裂表面，可以觀察到河流花樣、解理臺(tái)階、塑性亮痕。這表明在短裂紋向長(zhǎng)裂紋過(guò)渡區(qū)，材料疲勞斷裂表面呈現(xiàn)出脆性斷裂和延性斷裂的混合斷裂形貌特征［6］。圖5（d）為瞬時(shí)斷裂區(qū)，微觀形貌屬于典型的塑形斷裂特征，存在較多大小均勻的等軸狀韌窩，材料組織分布較均勻。但韌窩深度較淺，呈現(xiàn)撕裂狀斷口，表明斷裂的發(fā)生是在短時(shí)間內(nèi)完成的。裂紋擴(kuò)展后期，第2階段擴(kuò)展區(qū)斷面逐漸趨于平整，疲勞輝紋明顯增多，輝紋間距增大。

圖5 熱軋?jiān)荚嚇?00 MPa應(yīng)力值斷口形貌

圖6 為試樣壓縮10%后在360 MPa應(yīng)力水平下的疲勞斷口形貌。圖6（a）清晰地顯示疲勞裂紋起始源于試樣的角部，并迅速向著斷面的左下方擴(kuò)展。從圖6（b）和圖5（c）可以觀察裂紋擴(kuò)展的路徑，擴(kuò)展區(qū)斷面形貌較粗糙，條紋可見，由眾多解理面與大小不一的凹坑構(gòu)成，局部區(qū)域可觀察到二次裂紋，疲勞輝紋與二次裂紋擴(kuò)展方向垂直。圖6（d）為瞬斷區(qū)，存在大量等軸韌窩，深度相對(duì)較深，呈現(xiàn)撕裂狀斷口?？梢钥闯鰯嗔押笃谑撬查g被撕裂的，并且由于斷裂瞬間承受較大的局部應(yīng)力載荷，斷口處可見多條長(zhǎng)度不等的顯微裂紋存在。

圖6 壓縮10%試樣360 MPa應(yīng)力值斷口形貌

對(duì)比圖5和圖6的各階段形貌可以看出，壓縮10%試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)粗糙度明顯減小，這主要是由于預(yù)變形增大了材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。但同時(shí)材料的塑韌性有所降低，表現(xiàn)出加工硬化的現(xiàn)象。預(yù)壓縮會(huì)抑制材料的疲勞裂紋擴(kuò)展，提高材料的疲勞極限和使用壽命。

2.3 殘余應(yīng)力

2.3.1 殘余壓縮應(yīng)力對(duì)疲勞性能的影響

殘余應(yīng)力通常是由不均勻的塑性變形引起的。施加于構(gòu)件的外加載荷將引入與外加載荷和構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布［3，7-8］。為了更有效地分析殘余壓縮應(yīng)力對(duì)疲勞性能的影響，須引入應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念。應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征外加載荷作用下裂紋尖端附近應(yīng)力分布強(qiáng)度的參量，針對(duì)軸向力控制疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式如下：

式中：β為與試樣幾何和零件相關(guān)的因子；S為遠(yuǎn)端施加的應(yīng)力；α為微裂紋長(zhǎng)度。

疲勞試驗(yàn)小規(guī)模屈服條件下的裂紋擴(kuò)展速率dα／d N可表示為應(yīng)力強(qiáng)度因子的函數(shù)［3］：

其中ΔKI＝KImax-KImin

式中KImax和KImin分別是載荷循環(huán)應(yīng)力的最大值和最小值相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

軸向力疲勞試驗(yàn)時(shí)，裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)由外加載荷與殘余應(yīng)力共同組成。外加載荷包括應(yīng)力幅值Sa和平均應(yīng)力Sm，而殘余應(yīng)力是永久存在的，它不影響應(yīng)力幅值，只改變平均應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力為壓縮應(yīng)力時(shí)，依據(jù)式（1）將降低平均應(yīng)力Sm和應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而減緩裂紋的擴(kuò)展速率，提高材料的疲勞壽命。壓縮變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大時(shí)，應(yīng)力峰值可能很低甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋將難以擴(kuò)展。由于殘余應(yīng)力不影響應(yīng)力幅值，材料表面的循環(huán)滑移仍然得以進(jìn)行，從而可能出現(xiàn)微裂紋形核，但只要微裂紋在應(yīng)力峰值下無(wú)法張開，微裂紋將不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。如果包含了殘余壓縮應(yīng)力的應(yīng)力峰值為拉伸應(yīng)力，微裂紋仍然可能擴(kuò)展，但其擴(kuò)展速率會(huì)因較低的應(yīng)力峰值而減小［9-10］。

2.3.2 殘余應(yīng)力的利用

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子理論，降低裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)材料的疲勞性能有利。而施加殘余壓縮應(yīng)力是顯著降低裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的有效手段。本試驗(yàn)分析DP590鋼壓縮變形后對(duì)疲勞性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。分析推斷，針對(duì)大多數(shù)承受交變載荷的汽車用鋼，施加有效的殘余壓縮應(yīng)力，可降低材料疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。在汽車工業(yè)中，可通過(guò)多種方式提高材料的殘余壓縮應(yīng)力。例如：對(duì)表面疲勞性能要求較高的材料，可通過(guò)噴丸強(qiáng)化的方式提高表面的殘余壓縮應(yīng)力；對(duì)缺口孔洞類車身材料，可通過(guò)小孔脹成大孔的方式增加孔洞周圍材料的殘余壓縮應(yīng)力；對(duì)部分軸對(duì)稱類汽車零件，可通過(guò)熱處理方式獲得外壓內(nèi)拉的殘余應(yīng)力；此外，有效的裝配工藝、不均勻的塑形變形和特殊的加工工藝等技術(shù)都可對(duì)材料施加一定的殘余壓縮應(yīng)力，最終提高材料的疲勞性能。

3 結(jié)論

（1）對(duì)DP590汽車用鋼板兩種狀態(tài)下的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，熱軋?jiān)紤B(tài)σ-1＝282 MPa，壓縮10%預(yù)變形σ-1＝312 MPa，壓縮變形后疲勞極限提升10.5%。

（2）觀察熱軋?jiān)紤B(tài)和壓縮10%預(yù)變形疲勞斷口形貌，呈現(xiàn)明顯的三區(qū)特征。起始區(qū)均源自試樣的角部，呈放射狀。擴(kuò)展區(qū)主要為脆性解理斷裂，可觀察到河流花樣、解理臺(tái)階和塑性亮痕。瞬斷區(qū)存在大量等軸韌窩，呈現(xiàn)撕裂狀特征，并可觀察到長(zhǎng)度不等的微裂紋。

（3）有效的殘余壓縮應(yīng)力可降低裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，減緩裂紋擴(kuò)展速率或抑制疲勞裂紋擴(kuò)展，提高材料的疲勞極限和使用壽命。