汽車用鋼QStE340TM 低周疲勞性能

供稿|韓丹，孟慶剛 /

作者單位：本鋼技術(shù)研究院, 遼寧 本溪 117000

隨著汽車產(chǎn)業(yè)對輕量化要求的標準越來越高，各汽車廠采用高強鋼來實現(xiàn)輕量化目標，目前高強鋼被廣泛使用在大部分汽車零部件上。然而，汽車在行駛過程中，長期處在動態(tài)服役條件下，受到交變載荷的作用，會導致疲勞裂紋的產(chǎn)生甚至破壞，降低汽車的使用壽命[1-3]。因此疲勞性能是汽車選材、沖壓成形過程中的重要指標，直接涉及車體的使用性能和安全性能。

QStE340TM 以其較高的強度、良好的沖壓成形性能和焊接性能，廣泛應用于成形加工性能良好的汽車構(gòu)架、車輪等汽車結(jié)構(gòu)件[4]。目前對QStE340TM的研究多為成形性能和點焊性能。彭揚文對汽車用鋼QStE340TM 進行了電阻點焊實驗，研究了不同焊接電流及壓力對QStE340TM 電阻點焊接頭性能的影響等[5]。楊泰波等人建立了反映焊縫、熱影響區(qū)和母材3 部分結(jié)構(gòu)的焊管有限元模型，采用應變增量比作為數(shù)值仿真中的頸縮判據(jù)，計算出液壓成形條件下QSTE340TM 焊管的成形極限曲線，并利用數(shù)值仿真的工藝路徑完成了QSTE340TM 焊管成形極限的實驗測定[6]。

因此，本文以汽車常用規(guī)格的QStE340TM 板料為研究對象，采用軸向應變控制進行低周疲勞實驗。參照材料力學性能參數(shù)，研究了在應變比R=-1 狀態(tài)下QStE340TM 的滯回曲線、循環(huán)應力-應變曲線、應變-壽命曲線，并對疲勞斷口形貌進行分析，為QStE340TM 在汽車結(jié)構(gòu)件的壽命估算和抗疲勞設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)。

實驗材料及方法

實驗材料

實驗材料為厚度為2.5mm 的QStE340TM 板料，化學成分見表1。圖1 是根據(jù)GB/T15248—2008“金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞實驗方法”設(shè)計的低周疲勞試樣[7]，平行段長度為15 mm，試樣在線切割機上進行加工。

表1 QStE340TM 的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 疲勞試樣尺寸

實驗方法

QStE340TM 板料力學性能在Zwick Z100 電子拉伸試驗機上進行，拉伸試樣尺寸如圖2 所示。測定材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率，為疲勞性能實驗選取合適的實驗參數(shù)提供依據(jù)。力學性能如表2 所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

表2 QStE340TM 力學性能

低周疲勞實驗在MTS landmark 疲勞試驗機上進行，按照“ASTM E 606-92 Standard Practice for Strain-controlled Fatigue Testing”[8]，采用應變控制，在低周情況下，三角波測試頻率為2 Hz，應變比為R=-1；按照GB/T 15248—2008 “金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞實驗方法”，一般需要20 根試樣；按照GB/T 26077—2010“金屬材料疲勞實驗軸向應變控制方法”[9]，得到的疲勞應變-壽命曲線在循環(huán)周次上最少應覆蓋3 個數(shù)量級。實驗以峰值載荷下降25%或者試樣斷裂為失效判據(jù)，最終獲得Manson-Coffin 方程并繪制QStE340TM 的應變-壽命曲線。

由于試樣厚度較薄，在拉壓加載循環(huán)實驗中容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，導致實驗無法順利進行，因此在實驗過程中使用防屈曲裝置，防止板料發(fā)生壓向失穩(wěn)。

實驗結(jié)果及分析

圖3 為QStE340TM 鋼在不同應變幅條件下的應力-應變遲滯回線。遲滯回線所包圍的面積代表材料塑性變形時外力所做的功，也表示材料抵抗循環(huán)變形的能力。由圖3 可以看出，應變幅為0.25%的遲滯回線所包圍的面積最小，而應變幅為1.0%的遲滯回線所包圍的面積最大。隨著應變幅的增加，遲滯回線的面積也越大，說明QStE340TM 鋼在塑性變形時，吸收的塑性應變能就越大，抵抗循環(huán)變形的能力增強，可以防止材料突然發(fā)生斷裂。

圖3 QStE340TM 疲勞遲滯回線

應力-應變遲滯回線

循環(huán)應力響應特征曲線

循環(huán)應力響應特征曲線與靜態(tài)拉伸曲線進行比較，是判斷QStE340TM 這一鋼種發(fā)生循環(huán)硬化或循環(huán)軟化的標志。圖4 為QStE340TM 在不同應變幅條件下的循環(huán)應力響應曲線。由圖4 可知，在應變幅為0.8%，QStE340TM 表現(xiàn)為循環(huán)軟化，隨著循環(huán)周次的增加，發(fā)生循環(huán)軟化。這是由于在循環(huán)變形初期位錯密度增加，隨著循環(huán)變形的繼續(xù)，位錯密度逐漸降低，使得位錯間的相互制約作用減弱，宏觀上表現(xiàn)出循環(huán)應力的降低。在應變幅大于0.8%以上，QStE340TM 表現(xiàn)為循環(huán)硬化。

圖4 QStE340TM 循環(huán)應力響應曲線

圖5 給出了QStE340TM 總應變幅、塑性應變幅和彈性應變幅與疲勞壽命關(guān)系曲線。由圖5 可以看出，QStE340TM 低周疲勞壽命隨應變幅范圍的增大而逐漸降低，而且塑性應變幅-壽命曲線和彈性應變幅-壽命曲線相交于一點，此點所對應的低周疲勞壽命被稱為過渡疲勞壽命NT，當疲勞壽命＞NT時，彈性應變對疲勞的貢獻大于塑性應變，即材料的強度對疲勞抗力起主要作用；當疲勞壽命＜NT時，塑性應變對疲勞的貢獻大于彈性應變。

圖5 QStE340TM 應變-壽命曲線

應變-壽命曲線

對于總應變控制的低周疲勞循環(huán)變形，材料的應變疲勞壽命常用Coffin-Manson 公式(1) 來表達，即：

按照ASTM E606，擬合疲勞壽命曲線采用計算彈性應變幅值和塑性應變幅值。試件的總應變幅值和彈性應變幅可由機器實時測得。通過公式(2)可計算出塑性應變幅值。

斷口分析

為了研究QStE340TM 的疲勞破壞規(guī)律，利用掃描電鏡對疲勞斷口形貌進行分析。圖6 為QStE340TM在應變幅為0.4%的斷口形貌。圖6(a)為斷口宏觀形貌，可以看出斷口分為3 個區(qū)域，分別為裂紋萌生區(qū)、裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)。裂紋在試樣的表面萌生并向外擴展。圖6(b)是裂紋擴展區(qū)的形貌，裂紋擴展區(qū)的斷口表面比較光滑，這是由于在裂紋萌生初期，試樣裂紋兩面在交變應力作用下發(fā)生擠壓，形成光滑區(qū)。該區(qū)可以明顯觀察到有近似平行的疲勞輝紋。圖6(c)是瞬斷區(qū)形貌，這一區(qū)域均勻分布了大量韌窩，顯現(xiàn)出韌性斷裂的微觀特征，形成這一特征的原因是材料經(jīng)過塑性變形產(chǎn)生空洞，經(jīng)形核、長大和聚集，最終相互連接，達到強度極限后發(fā)生斷裂，這表明QStE340TM 在經(jīng)歷疲勞變形后，最終的斷裂為韌性斷裂。

圖6 QStE340TM 低周疲勞微觀斷口形貌

QStE340TM 這一材料的疲勞破壞是由于在試樣表面出現(xiàn)小裂紋，造成應力集中，在循環(huán)應力的持續(xù)作用下，裂紋越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負載時，最終QStE340TM 試樣發(fā)生破壞。

結(jié)束語

(1)本文研究了QStE340TM 板材在等幅應變控制方式下的的低周疲勞性能，通過對應力-應變遲滯回線和循環(huán)應力響應特征曲線的研究發(fā)現(xiàn)QStE340TM 具有較好的塑形變形能力，可以有效預防瞬間斷裂，并且QStE340TM 材料在小于應變幅0.8%條件下表現(xiàn)為循環(huán)軟化，大于應變幅0.8%表現(xiàn)為循環(huán)硬化。

(2)通過對Manson-Coffin 方程的曲線擬合，獲得了QStE340TM 疲勞壽命預測公式，為高強鋼的疲勞性能分析和壽命預測提供了理論依據(jù)。

(3)QStE340TM 試樣疲勞斷口在試樣表面出現(xiàn)裂紋源，且發(fā)生擴展；斷裂方式為韌性斷裂。QStE340TM的微觀分析，有助于對QStE340TM 斷裂機理深入理解，對新鋼種的研發(fā)和應用起到指導作用。