金 一 柳 進(jìn) 甄 彤 張 梅

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始量產(chǎn)至今，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼已逐步發(fā)展到第三代，其中汽車(chē)常用鋼有雙相鋼、復(fù)相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼和馬氏體鋼等，強(qiáng)度普遍為500～1 600 MPa,且具有高的碰撞吸收能、高的成形性和較低的平面各向異性?？刂票圩鳛槠?chē)底盤(pán)重要的承載件，在選材之初就應(yīng)充分考慮其疲勞耐久性，因此有必要在工程應(yīng)用前對(duì)底盤(pán)零部件材料的力學(xué)性能及疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

微合金化高強(qiáng)度貝氏體鋼由于其優(yōu)良的強(qiáng)韌性及擴(kuò)孔性而成為底盤(pán)零部件的選材之一，多用于車(chē)身懸架控制臂，如圖1所示。鐵素體貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼是低碳鋼或低合金高強(qiáng)度鋼經(jīng)雙相區(qū)熱處理或控軋控冷后獲得，其組織特征是由強(qiáng)化相貝氏體/馬氏體和塑性相鐵素體構(gòu)成的復(fù)相組織[1]。清華大學(xué)貝氏體鋼研究中心[2]成功開(kāi)發(fā)了Mn-B系、Mn-Cr系、Mn-Si-Cr系等多種貝氏體馬氏體復(fù)相鋼，提出添加Mn元素降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)利用空冷及低溫回火降低熱處理成本，使貝氏體復(fù)相鋼具有強(qiáng)韌性的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。Mn-Si-Cr系貝氏體復(fù)相鋼具有良好的強(qiáng)度和延性匹配，在高強(qiáng)度下仍具有良好的成形性[3]，可用來(lái)制造熱軋態(tài)控制臂。本文研究了兩種Mn-Si-Cr系微合金化貝氏體鋼CP800與FB800的疲勞性能，旨在提供汽車(chē)耐久可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

圖1 控制臂Fig.1 Control arm

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用3.5 mm 厚的CP800鋼與3.8 mm厚的FB800復(fù)相鋼。 單軸拉伸試驗(yàn)在Zwick/RoellZ100型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行， 拉伸速率3 mm/min，采用標(biāo)距為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。按照GB/T 26077—2010《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向應(yīng)變控制方法》[4]、GB/T 26076—2010《金屬薄板(帶)軸向力控疲勞試驗(yàn)方法》[5]分別制備低周疲勞、高周疲勞試樣，尺寸如圖2所示。用砂紙打磨試樣表面去除加工痕跡，保證粗糙度Ra小于0.2，避免表面不光潔影響疲勞性能。

圖2 疲勞試樣尺寸Fig.2 Dimension of fatigue specimens

低周疲勞試驗(yàn)在室溫和0.8%、0.6%、0.4%、0.3%、0.25%、0.2%及0.17% 7個(gè)應(yīng)變幅值下進(jìn)行，控制最大應(yīng)變幅與最小應(yīng)變幅之比為-1，恒定加載頻率為1 Hz，加載波形為三角波。使用標(biāo)距為10 mm的機(jī)械引伸計(jì)采集實(shí)際應(yīng)變幅值，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備讀取應(yīng)力-應(yīng)變的滯后環(huán)數(shù)據(jù)。根據(jù)Coffin-Manson-Basquin方程對(duì)低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b、疲勞延性系數(shù)εf′、疲勞延性指數(shù)c等參數(shù)用于預(yù)測(cè)應(yīng)變-壽命(E-N)曲線。

高周疲勞試驗(yàn)采用力控加載，應(yīng)力比R為0.1，通過(guò)“成組法”控制每級(jí)應(yīng)力在試樣65%屈服強(qiáng)度下依次遞減25 MPa，選取6個(gè)應(yīng)力級(jí)。隨后采用“升降法”測(cè)定疲勞極限應(yīng)力值，即前一根試樣未達(dá)到107次循環(huán)就破壞，則下一次試驗(yàn)降一級(jí)(應(yīng)力的變化通常低于平均疲勞強(qiáng)度初期預(yù)估值的5%左右)；如前一根試樣完成107次循環(huán)(通過(guò))，則后一次試驗(yàn)升一應(yīng)力級(jí)，如此重復(fù)進(jìn)行升降試驗(yàn)[6]。根據(jù)應(yīng)力振幅S與斷裂次數(shù)N的關(guān)系繪制應(yīng)力-壽命(S-N)曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單軸拉伸力學(xué)性能

CP800與FB800鋼在單軸拉伸狀態(tài)下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖3所示，性能列于表1?？梢?jiàn)兩種試驗(yàn)鋼的屈服平臺(tái)都不明顯，CP800與FB800鋼的屈服強(qiáng)度分別為770與715 MPa；兩者抗拉強(qiáng)度相近，約835 MPa，但CP800鋼的斷后伸長(zhǎng)率比FB800鋼高約4%。

圖3 CP800與FB800鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.3 Engineering stress-engineering strain curves of CP800 and FB800 steels

表1 CP800與FB800鋼的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Uniaxial tensile test results of CP800 and FB800 steels

2.2 低周疲勞試驗(yàn)

(1)

(2)

(3)

(4)

CP800與FB800鋼的應(yīng)變-壽命(E-N)擬合曲線對(duì)比如圖4(d)所示，發(fā)現(xiàn)FB800鋼在短壽命區(qū)的疲勞性能更好，即在相同應(yīng)變幅下表現(xiàn)出更高的疲勞壽命。但底盤(pán)部件壽命評(píng)估合格區(qū)間通常為105～106次，因此在低應(yīng)變長(zhǎng)壽命區(qū)CP800鋼表現(xiàn)出更高的疲勞壽命。

根據(jù)Coffin-Manson-Basquin的E-N曲線擬合方法，長(zhǎng)壽命區(qū)擬合結(jié)果與彈性應(yīng)變幅線性斜率擬合相關(guān)。試樣的彈性應(yīng)變影響線性斜率的擬合如圖4(c)所示，在低應(yīng)變幅控制下CP800鋼表現(xiàn)出彈性應(yīng)變主導(dǎo)循環(huán)變形，而FB800鋼主要由塑性應(yīng)變控制。在長(zhǎng)壽命低應(yīng)變區(qū)疲勞壽命主要取決于彈性應(yīng)變，在相同抗拉強(qiáng)度級(jí)別條件下，CP800鋼的屈服強(qiáng)度更高[7]，因此在彈性階段更高的抗疲勞損傷性能是其長(zhǎng)壽命區(qū)疲勞壽命較高的主要原因。

圖4 循環(huán)應(yīng)變-壽命(E-N)對(duì)數(shù)曲線Fig.4 Logarithm relation of cycle strain to fatigue life(E-N)

2.3 高周疲勞試驗(yàn)

(5)

式中：S為應(yīng)力級(jí)；n為試樣數(shù)；i為事件數(shù)。

圖5 CP800與FB800鋼的疲勞應(yīng)力升降圖Fig.5 Up-and-down figures of fatigue stress of CP800 and FB800 steels

兩種試驗(yàn)鋼的高周疲勞壽命如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在給定應(yīng)力級(jí)350～450 MPa區(qū)間內(nèi)(圖中藍(lán)色區(qū)域)，CP800鋼的高周疲勞壽命較低。但與低周疲勞性能相似的是，當(dāng)應(yīng)力級(jí)降低至300 MPa以下時(shí)，CP800鋼的高周疲勞壽命略微提高。CP800與FB800鋼具有相同的升降通過(guò)(Runout)應(yīng)力級(jí)260 MPa，因此采用高周疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)兩者的疲勞性能無(wú)明顯差異，CP800鋼的平均疲勞極限值略高。

圖6 CP800與FB800鋼的高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 High cycle test results of CP800 and FB800 steels

3 疲勞特性對(duì)比

根據(jù)單軸拉伸試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)結(jié)果，CP800鋼由于更高的屈服強(qiáng)度與彈性應(yīng)變能力，在低應(yīng)變控制下有更好的低周疲勞性能，且高周疲勞試驗(yàn)條件下有略高的平均疲勞極限值。

為了進(jìn)一步比較強(qiáng)度對(duì)疲勞性能的影響，結(jié)合文獻(xiàn)及之前的研究成果，給出了覆蓋500～800 MPa強(qiáng)度級(jí)別高強(qiáng)度車(chē)身材料的低周疲勞E-N預(yù)測(cè)曲線，包括TL1114[8]、TRIP-SH[9]、FB590、HZFB590、FB780以及本文試驗(yàn)鋼CP800與FB800，如圖7所示。

圖7 常用高強(qiáng)度鋼低周疲勞E-N曲線Fig.7 E-N curves of low-cycle fatigue life of the common high-strength steels

通過(guò)比較一定應(yīng)變幅下的循環(huán)次數(shù)，能夠更直觀地比較不同強(qiáng)度鋼之間低周疲勞性能的差異。車(chē)身部件的失效壽命區(qū)間為105～106周次，如圖7中方框所示。發(fā)現(xiàn)CP800鋼在彈性應(yīng)變階段的疲勞性能均高于其他幾種高強(qiáng)度鋼，其次為強(qiáng)度級(jí)別相近的FB800與FB780鋼，而幾種600 MPa強(qiáng)度級(jí)別的鋼均表現(xiàn)出較低的疲勞壽命。

通過(guò)比較分析得出，強(qiáng)度級(jí)別(屈服強(qiáng)度)越高的材料在低應(yīng)變長(zhǎng)壽命區(qū)，即彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用的階段具有更好的低周疲勞性能。因此在底盤(pán)零部件疲勞耐久設(shè)計(jì)前，可以根據(jù)零件實(shí)際受載情況，在壽命評(píng)估區(qū)內(nèi)選擇合適強(qiáng)度級(jí)別的材料，以符合耐久疲勞性及經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

(1)CP800與FB800鋼的抗拉強(qiáng)度相近，但CP800鋼的屈服強(qiáng)度約高50 MPa，斷后伸長(zhǎng)率分別約為15%和11%。

(2)Coffin-Manson-Basquin方程能準(zhǔn)確地?cái)M合預(yù)測(cè)CP800及FB800鋼的低周疲勞性能，且CP800鋼在長(zhǎng)壽命低應(yīng)變區(qū)的低周疲勞性能更優(yōu)。

(3)CP800與FB800鋼具有相似的高周疲勞極限應(yīng)力級(jí)，通過(guò)升降法計(jì)算得到的平均疲勞極限分別為278和270 MPa。

(4)比較7種車(chē)用高強(qiáng)度鋼的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)曲線發(fā)現(xiàn)，CP800鋼在相同應(yīng)變幅下的105～106周次壽命區(qū)間具有更好的低周疲勞性能，其次為FB800及FB780鋼，而幾種600 MPa強(qiáng)度級(jí)別的鋼在長(zhǎng)壽命區(qū)間的疲勞性能較差。