低合金高強(qiáng)鋼B340LA低周疲勞性能研究

供稿|韓丹，趙廣東/ HAN Dan, ZHAO Guang-dong

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，各大鋼廠越來越重視汽車用鋼動(dòng)態(tài)性能的研究。汽車在行駛過程中，汽車構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，在承受循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，逐步產(chǎn)生疲勞損傷，最終導(dǎo)致斷裂。疲勞與斷裂是構(gòu)件失效的主要形式之一，也是導(dǎo)致汽車車身承載結(jié)構(gòu)早期破壞的主要原因[1]。對(duì)于汽車用鋼的研發(fā)及生產(chǎn)，除了要考慮材料的靜態(tài)性能，還應(yīng)對(duì)疲勞性能進(jìn)行分析。因此，本文對(duì)牌號(hào)B340LA低合金高強(qiáng)鋼的低周疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。從循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征、應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線方面進(jìn)行了分析，擬合出B340LA的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程及應(yīng)變-壽命關(guān)系方程，估算疲勞過渡壽命。彌補(bǔ)了對(duì)B340LA的研究多集中在焊接及靜態(tài)性能方面，在疲勞性能方面的研究匱乏[2,3]的缺憾。不僅可以用于指導(dǎo)B340LA在汽車結(jié)構(gòu)方面的開發(fā)及應(yīng)用，也為汽車用鋼合理選材提供了依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用本鋼生產(chǎn)的冷軋低合金高強(qiáng)鋼B340LA，板厚2.0 mm，力學(xué)性能見表1。

表1 B340LA力學(xué)性能

疲勞試樣尺寸如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)方法

疲勞實(shí)驗(yàn)按照GB/T15248－2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)方法》要求進(jìn)行。在Instron E10000動(dòng)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程采用控制總應(yīng)變范圍，軸向應(yīng)變幅范圍取0.15%～1.5%。實(shí)驗(yàn)頻率為0.5～2 Hz，應(yīng)變比R為-1，實(shí)驗(yàn)在室溫中進(jìn)行。

圖1 低周疲勞試樣尺寸(mm)

結(jié)果與分析

循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征

B340LA的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線，詳見圖2。應(yīng)力幅△σ/2為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力峰值的平均值。

圖2 B340LA的循環(huán)響應(yīng)特征曲線

由圖2可看出，當(dāng)應(yīng)變幅△εt/2低于0.30%時(shí)，材料在初始階段表現(xiàn)出循環(huán)硬化，達(dá)到循環(huán)應(yīng)力峰值后出現(xiàn)循環(huán)軟化。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，材料在之后的很長(zhǎng)壽命階段內(nèi)趨于循環(huán)穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)變幅△εt/2高于0.40%時(shí)，材料在初始階段表現(xiàn)出循環(huán)軟化，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，趨于循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。不論是高應(yīng)變幅還是低應(yīng)變幅，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增大到一定周次時(shí)，循環(huán)應(yīng)力開始減小，直至試樣斷裂。

綜上所述，雖然B340LA在初始階段表現(xiàn)出先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化或是只出現(xiàn)循環(huán)軟化，但對(duì)于整個(gè)疲勞壽命而言，材料表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定。這一特性有利于材料在承受較大的循環(huán)載荷時(shí)保持較長(zhǎng)壽命，不至于過早發(fā)生斷裂或失效。

循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了低周疲勞條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變的特性。材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以通過公式(1)表達(dá)：

式中△σ/2為應(yīng)力幅，K為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，△εp/2為塑性應(yīng)變幅，n為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

B 3 4 0 L A低周疲勞循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，詳見圖3。對(duì)圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定出K=680.99 MPa，n=0.121，將這兩個(gè)參數(shù)代入公式(1)中，可得到B340LA的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程△σ/2= 680.99(△εp/2)0.121。

圖3 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線

材料的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線，表征在一個(gè)循環(huán)周次內(nèi)材料所吸收的塑性應(yīng)變能。通常將其作為判斷材料損傷的一個(gè)重要指標(biāo)。因?yàn)楫?dāng)材料受到的載荷超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，可以通過塑性變形來吸收能量，使載荷在局部重新分布，達(dá)到防止構(gòu)件發(fā)生突然斷裂[4]的目的。

B340LA在不同應(yīng)變幅時(shí)的循環(huán)遲滯回線，詳見圖4。我們可以清楚地看到，試樣的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變滯后曲線閉合、光滑、對(duì)稱性好，說明實(shí)驗(yàn)控制過程良好。當(dāng)應(yīng)變幅△εt/2低于0.30%時(shí)，循環(huán)初始階段的遲滯回線近似為一條直線，此時(shí)材料發(fā)生彈性變形，塑性應(yīng)變能幾乎為零。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，遲滯回線的寬度及面積增大，產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)應(yīng)變幅△εt/2高于0.40%時(shí)，初始循環(huán)就產(chǎn)生了塑性變形?？梢?，隨著應(yīng)變幅的增大及循環(huán)周次的增加，B340LA的遲滯回線寬度增大，滯后回線面積越大，材料塑性應(yīng)變能增加，抵抗破壞能力也增強(qiáng)，可以防止試樣發(fā)生突然斷裂。

圖4 不同應(yīng)變幅下的遲滯回線

應(yīng)變-壽命曲線

B340LA的△εt/2-2Nf、△εe/2-2Nf和△εp/2-2Nf曲線，詳見圖5?？梢钥闯?，△εe/2-2Nf曲線和△εp/2-2Nf曲線線相交于一點(diǎn)2Nt，即疲勞過渡壽命，是評(píng)價(jià)材料低周疲勞性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，主要取決于材料的強(qiáng)度和塑性。

當(dāng)2Nf＜2Nt時(shí)，塑性應(yīng)變幅大于彈性應(yīng)變幅，此時(shí)的疲勞強(qiáng)度由塑性變形控制，可防止變形局域化，降低了裂紋早期萌生的概率，獲得良好的低周疲勞性能。相反，當(dāng)2Nf＞2Nt時(shí)，彈性應(yīng)變幅大于塑性應(yīng)變幅，此時(shí)疲勞強(qiáng)度主要取決于材料的強(qiáng)度，彈性變形對(duì)疲勞壽命起主要作用。

因此，預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命是研究低周疲勞性能的重點(diǎn)。低周疲勞的應(yīng)變與壽命關(guān)系可用Basquin公式和Manson-Coffin公式表示，其關(guān)系可寫成：

式中，△εt/2為應(yīng)變幅；σf′為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，MPa；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；εf′為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；2Nf為疲勞壽命；E為彈性模量，MPa。通過對(duì)B340LA低周疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變-壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到疲勞性能參數(shù)的數(shù)值，詳見表2。

將表2中的疲勞性能參數(shù)代入公式(2)中，得到B340LA應(yīng)變-疲勞壽命曲線方程

圖5 應(yīng)變-壽命曲線

表2 B340LA低周疲勞性能參數(shù)

利用公式(3)可計(jì)算出B340LA疲勞過渡壽命，經(jīng)計(jì)算2Nt=11714。

結(jié)論

通過一系列的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，我們可以清楚地看到低合金高強(qiáng)鋼B340LA的低周疲勞性能。

1) 在整個(gè)疲勞過程中，低合金高強(qiáng)鋼B340LA的循環(huán)響應(yīng)特征表現(xiàn)為循環(huán)穩(wěn)定。

2) 應(yīng)變幅低于0.30%時(shí)，低合金高強(qiáng)鋼B340LA先發(fā)生彈性變形，隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸產(chǎn)生塑性變形。應(yīng)變幅高于0.40%時(shí)，B340LA在初始循環(huán)階段就發(fā)生了塑性變形。

3) 隨著應(yīng)變幅的增大，疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，低合金高強(qiáng)鋼B340LA的塑性應(yīng)變能增大，有利于預(yù)防材料突然斷裂。

4) 低合金高強(qiáng)鋼B340LA的循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變曲線方程為：△σ/2=680.99(△εp/2)0.121。低合金高強(qiáng)鋼B340LA的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系方程為：△εt/2=0.00486(2Nf)-0.105＋0.3823(2Nf)-0.571。其疲勞過渡壽命2Nt為11714周。

[1] 黃金陵．汽車車身設(shè)計(jì)．機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[2] 唐炳濤，原政軍．張保儀，等．B340LA與B1500HS鋼激光拼焊板熱沖壓淬火性能．材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，34(2)： 62-66．

[3] 毛博文，孫曉嶼，王武榮，等．預(yù)應(yīng)變和應(yīng)變速率對(duì)HC340LA低合金高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的影響．塑性工程學(xué)報(bào)，2014，21(1)： 7-12.

[4] 付常偉，鄒春鋒，吳彥國，等．345BH型鋼高應(yīng)變低周疲勞性能研究．萊鋼科技，2010 (4)：53-56．