TRIP鋼板電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞性能

于燕，楊海峰，劉云旭

（長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012）

0 引言

TRIP鋼是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮囉娩摚哂懈叩那?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延展性，可減輕車重，降低油耗，而且沖壓成形能力高，能夠抵御撞擊時的塑性變形，顯著提高汽車的安全等級［1－2］。

近年來，汽車白車身部件的連接出現(xiàn)了許多新的方法，如激光焊接、粘接等，但是電阻點(diǎn)焊仍然是最主要的連接方式。一般情況下，一輛轎車的白車身上約有3 000個焊點(diǎn)。TRIP鋼由于存在相變誘發(fā)塑性（TRIP效應(yīng)），具有較好的韌性、延展性及疲勞性能。但電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)周圍存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，疲勞裂紋易于在此處形成并擴(kuò)展。車身結(jié)構(gòu)的大部分疲勞失效都發(fā)生在焊點(diǎn)或者焊點(diǎn)周圍，焊點(diǎn)的局部失效會降低整車的各種性能指標(biāo)，包括剛度、振動、噪聲以及車輛耐久性等［3］。

目前，對于TRIP鋼板點(diǎn)焊接頭疲勞性能的研究較少。故作者對TRIP800鋼板進(jìn)行了電阻電焊，并對母材、點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，獲得了它們的的載荷與疲勞壽命曲線，并對疲勞斷口進(jìn)行觀察，分析了影響疲勞極限的因素，探討了TRIP鋼板電阻點(diǎn)焊接頭的疲勞性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用TRIP800鋼板厚1.8 mm，其顯微組織主要由鐵素體（F）、超級貝氏體（B+F）和殘余奧氏體（γ）組成，如圖1所示。試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為 0.22C，0.021P，1.87Mn，1.54Si，0.050Al，＜ 0.005S;其抗拉強(qiáng)度為 915.73 MPa，屈服強(qiáng)度為 585.8 MPa，伸長率為17.5%。TRIP鋼板母材、點(diǎn)焊接頭的疲勞試樣按日本標(biāo)準(zhǔn)JISZ 2273－1987和JISZ 3138－1989制取，尺寸如圖2，3所示。點(diǎn)焊參數(shù):電極壓緊力4.0 kN，焊接時間20周波（1周波=0.02 s），焊接電流 8.0 kA。

圖1 試驗(yàn)用TRIP800鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructure of test TRIP800 steel p late

圖2 母材疲勞試樣的尺寸與形狀Fig.2 Size and shape of basemetal fatigue sample

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù) JIS Z2273－1987和 JISZ 3138－1989，在EHF－UM100K（SHIMADZU）型電液伺服靜疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)加載方式為剪切拉伸，循環(huán)載荷比R=0，加載頻率為8 Hz，加載波形為正弦曲線，試驗(yàn)溫度為室溫（19～21℃），空氣環(huán)境。

圖3 點(diǎn)焊接頭疲勞試樣的尺寸與形狀Fig.3 Size and shape of spotwelded joint fatigue sample

在DM2500型體視顯微鏡上觀察點(diǎn)焊接頭的宏觀形貌;采用FM－700型顯微硬度計(jì)測點(diǎn)焊接頭的顯微硬度，加載載荷0.98 N，加載時間10 s;采用FV1000型共聚焦顯微鏡和 JSM－5600LV型掃描電鏡觀察點(diǎn)焊接頭的顯微組織和疲勞斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)焊接頭的形貌與硬度

從圖4中可以清晰地看到點(diǎn)焊接頭三個區(qū)域的分布，即熔核（SN）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM），接頭熔核區(qū)沒有裂紋、縮孔等內(nèi)部缺陷，熔核內(nèi)部質(zhì)量良好;熔核和母材的分界線明顯，熔核未發(fā)生偏移。由圖5可見，TRIP800鋼熔核和熱影響區(qū)的硬度比母材的高了很多，達(dá)到500 HV以上，導(dǎo)致材料變得硬而脆;熱影響區(qū)的硬度比熔核的略高。雖然熱影響區(qū)的加熱溫度比熔核的低，但沒有受到塑性變形再結(jié)晶細(xì)化晶粒的影響，因此奧氏體晶粒比較粗大，轉(zhuǎn)變形成的板條馬氏體也粗大，導(dǎo)致熱影響區(qū)的硬度比熔核的略高。

圖4 點(diǎn)焊接頭橫截面形貌Fig.4 Macrograph of cross-section of spot welded joint

圖5 點(diǎn)焊接頭的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness of spotwelded joint

從圖6可以看到，點(diǎn)焊接頭的組織與母材的大不相同，其熔核區(qū)組織為板條狀馬氏體，熱影響區(qū)為馬氏體、鐵素體及高溫回火貝氏體組織。

2.2 疲勞性能

由圖7可知，母材與點(diǎn)焊接頭的疲勞極限分別為560，50 MPa。運(yùn)用最小二乘法擬合出循環(huán)應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)（S-N）曲線的左支直線方程作為TRIP800鋼母材與點(diǎn)焊接頭的疲勞經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:σi為第i級應(yīng)力水平的應(yīng)力值;lg Ni為σi下的對數(shù)平均壽命;a，b為與材料相關(guān)的系數(shù)。

圖6 點(diǎn)焊接頭的顯微組織Fig.6 Microstructure of spot welded joint:（a）nugget and（b）heat affected zone

圖7 母材與點(diǎn)焊接頭的疲勞S-N曲線Fig.7 Fatigue S-N curves of basemetal and spot welded joint:（a）basemetal;（b）spot welded joint

對疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并參考文獻(xiàn)［4］，經(jīng)計(jì)算、整理后得到疲勞極限，如表1所示。相關(guān)系數(shù)絕對值越接近1，則疲勞經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確性越高。

點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命僅為母材的1/10左右。主要原因有以下兩點(diǎn)。其一，TRIP鋼板的組織由鐵素體、超級貝氏體和殘余奧氏體組成，其延展性、韌性較好，故疲勞極限相應(yīng)較高;在疲勞試驗(yàn)過程中，由于相變誘發(fā)塑性（TRIP效應(yīng)）的產(chǎn)生，組織中的殘余奧氏體首先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，當(dāng)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變完全后，鐵素體才會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，這在很大程度上延緩了疲勞裂紋的形成，從而使得TRIP鋼板具有較高的疲勞性能。其二，點(diǎn)焊接頭的應(yīng)力集中較高、缺口效應(yīng)嚴(yán)重，造成點(diǎn)焊接頭疲勞性能較差;TRIP鋼板經(jīng)點(diǎn)焊后基體組織大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘鸟R氏體，硬度較高，在疲勞試驗(yàn)過程中易于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

由圖8中可以看到，點(diǎn)焊接頭的疲勞裂紋起源于焊點(diǎn)與母材交界的熱影響區(qū)，而且焊點(diǎn)的失效是由貫穿板厚的裂紋擴(kuò)展造成的。這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的金屬過熱，且沒有受到塑性變形再結(jié)晶細(xì)化晶粒的影響，奧氏體晶粒比較粗大，從而形成了粗大的馬氏體，應(yīng)力集中更為明顯，疲勞裂紋更易于形成和擴(kuò)展。

表1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.1 fatigue test data processing results

圖8 點(diǎn)焊接頭疲勞裂紋擴(kuò)展的宏觀形貌Fig.8 Macrograph of fatigue crack propagation on spot welded joint

2.3 疲勞斷口形貌

從圖9中可以看到，母材試樣的疲勞源均位于外表面的缺陷處;而由于缺口應(yīng)力集中作用，點(diǎn)焊接頭的疲勞源位于缺口附近的微觀缺陷處。雖然夾雜物的存在使得滑移帶在很高應(yīng)力下才能產(chǎn)生，但它也會產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，導(dǎo)致低應(yīng)力下也能出現(xiàn)局部的范性變形，使裂紋在夾雜物和基體的界面上萌生，或由于夾雜物的斷裂導(dǎo)致裂紋萌生，即形成裂紋源。海灘狀花紋（箭頭所示）圍繞著夾雜物產(chǎn)生，說明裂紋是以解理方式擴(kuò)展的。

圖9 不同試樣疲勞裂紋源的SEM形貌Fig.9 SEMmorphology of fatigue crack source in different sam ples:（a）basemetal and（b）spot welded joint

由圖10（a）可以看到，母材的裂紋擴(kuò)展區(qū)為韌性斷裂，且裂紋擴(kuò)展區(qū)存在大量尺寸不等的等軸韌窩，部分韌窩中存在微小的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。大量等軸韌窩的形成是由于斷面承受單軸拉伸應(yīng)力，夾雜物或脆性第二相與基體界面脫離所致;韌窩大小各不相同，是由于第二相或夾雜物的形狀、大小不同，各區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)不同造成的。另外，TRIP鋼較純凈并且形變硬化指數(shù)值低，這也使得它比一般鋼種產(chǎn)生的韌窩更大、更深。由圖10（b）可見，點(diǎn)焊接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為脆性斷裂的特征，在斷口上幾乎看不到韌窩，而可以看到明顯的撕裂棱，這與點(diǎn)焊接頭形成的脆性馬氏體相關(guān)。

圖10 不同試樣疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.10 SEMmorphology of fatigue crack propagation region in different sam p les:（a）basemetal and（b）spotwelded joint

由圖11可見，在母材與點(diǎn)焊接頭的瞬斷區(qū)均可見光亮凸起的撕裂棱，除了個別的位置外根本看不到韌窩，為明顯的脆性斷裂特征。撕裂棱是由微區(qū)塑性變形生成的，撕裂棱相當(dāng)于塑性材料拉伸時的縮頸。相對而言，點(diǎn)焊接頭因?yàn)榻M織淬硬性較高，造成撕裂棱高和寬都比母材的大。

3 結(jié)論

圖11 不同試樣疲勞裂紋瞬斷區(qū)的SEM形貌Fig.11 SEMmorphology of fatigue crack transient region in different samp les:（a）basemetal and（b）spot welded joint

（1）TRIP800鋼板點(diǎn)焊接頭熔核區(qū)組織為板條狀馬氏體，熱影響區(qū)為馬氏體、鐵素體及高溫回火貝氏體組織，與母材的組織有很大不同;熔核區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比母材的高。

（2）點(diǎn)焊接頭的缺口效應(yīng)嚴(yán)重，且組織為大量脆性馬氏體，使得點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命明顯降低，只有母材的1/10左右。

（3）母材的疲勞源均位于試樣外表面的缺陷處，由于缺口應(yīng)力集中作用，點(diǎn)焊接頭的疲勞源位于缺口附近的微觀缺陷處，夾雜物的存在仍然是裂紋萌生的主要原因;母材的疲勞擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為韌性斷裂，點(diǎn)焊接頭表現(xiàn)為脆性斷裂;它們的瞬斷區(qū)都表現(xiàn)為脆性斷裂。

［1］SUN Xin，STEPHENSE V，KHALEE1 MA.Effects of fusion zone size and failure mode on peak load and energyabsorption of advanced high strength steel spotwelds underlap shear loading conditions［J］.Engineering Failure Analysis，2007，136:1－12.

［2］葉平，沈劍平，王光耀，等.汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程材料，2006，30（3）:4－7.

［3］DONDERSS，BRUGHMANSM，HERMANSL.The effectof spot weld failure on dynamic vehicle performance［J］.Sound and Vibration，2005，39:16－25.

［4］姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.