汽車用高強度鋼高周疲勞斷裂失效機理研究

唐秀麗

（吉林化工學院，吉林 吉林 132012）

1 概述

TRIP鋼是由于能保持高強度，所以作為一種高強度汽車鋼板。同時具有獨特的高強度效果、高的加工硬化指數(shù)和較強的熱硬化特性。TRIP鋼生產(chǎn)工藝主要是熱軋和冷軋。熱軋TRIP鋼生產(chǎn)采用冷卻后的最終軋制控制和低溫卷曲方法。首先在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)中，將其加熱到溫度保持一段時間，然后緩慢冷卻到A1附近，以保持一定體積的鐵素體。達到一定體積的組織后，很快冷卻到貝氏體形成區(qū)。開始改變卷取溫度，保持溫度，然后慢慢冷卻到室溫。可獲得鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體三相結(jié)構(gòu)TRIP鋼。

TRIP鋼冷軋工藝中第一次冷卻是在溫度升高到Ah+α兩相區(qū)的臨界溫度（Ac3~Ac1）退火之后。然后在貝氏體形成區(qū)等溫淬火，得到TRIP鋼。嚴格控制等溫溫度和等溫時間是TRIP鋼冷軋生產(chǎn)獲得穩(wěn)定殘余奧氏體的重要條件。

汽車的重量是汽車工業(yè)研究的長遠目標。對于許多汽車軸承結(jié)構(gòu)來說，良好的疲勞性能是必要的。TRIP鋼必須具有良好的疲勞性能，才有更廣闊的應用前景。但到目前為止，國內(nèi)外對低碳硅錳TRIP鋼疲勞性能的研究很少。因此，本文研究了強度為600 MPa的TRIP鋼的疲勞性能。

2 樣品制備和實驗方法

試驗材料為冷軋TRIP600汽車鋼板。其化學成分和機械性能如表1和表2所示。

表1 TRIP 600 MPa鋼的化學成分（重量百分比）

表2 TRIP 600 MPa鋼的力學性能

試驗設備為電液伺服動靜疲勞試驗機，型號為：EHFUM100K(SHIMADZU)。最大試驗力：動態(tài)±100KN，靜態(tài)±為150KN。壓力加載誤差是±0.5%。應變測量誤差是±0.5%。加載頻率是0~50Hz，電源380V。用JSM-5500LV掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂處進行分析。通過恒定振幅交替載荷疲勞試驗，采用試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞樣品圖

3 討論與分析

3.1 繪制TRIP600疲勞S-N曲線

TRIP600鋼板承受不同的應力值。每個應力值對應于一個疲勞循環(huán)。TRIP600拉伸曲線的75%是第一應力加載值。其余的應力值依次減小。

圖2 TRIP600的S-N曲線

根據(jù)使用Origin軟件得到的實驗數(shù)據(jù)，繪制S-N曲線。垂直軸，對數(shù)壽命x＝lgNi的橫坐標，以產(chǎn)生S-N曲線，如圖2所示。TRIP600鋼板的疲勞極限為460MPa，采用單點法。與低碳鋼相同的拉伸強度相比，TRIP600鋼板的疲勞強度更高。抗疲勞性能較好。TRIP鋼超載疲勞斷裂線也高于普通低碳鋼50～60 MPa。（貝氏體、鐵素體+殘余奧氏體）[F+BSUP（BF+AR）]，這主要是TRIP鋼板的多相組織所致。和殘余奧氏體相變的TRIP效果是在疲勞應變期間，TRIP效應有助于提高高強度鋼的疲勞特性。

3.2 疲勞經(jīng)驗公式擬合分析

在汽車結(jié)構(gòu)和抗疲勞設計中，應為TRIP600鋼板提供簡單準確的依據(jù)。采用最小二乘法對S-N曲線的左分支線性方程進行擬合，作為鋼板疲勞的經(jīng)驗公式。最小二乘法可用于確定疲勞曲線的最佳擬合直線。S-N曲線左分支線的擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 TRIP600起源于S-N曲線

3.3 TRIP600鋼板恒應變疲勞性能分析

TRIP600鋼板的疲勞強度為560 MPa。我們發(fā)現(xiàn)試樣在拉-拉循環(huán)中發(fā)生縱向塑性變形作用。這種疲勞應是高頻應變疲勞。TRIP鋼疲勞強度接近屈服強度。它比屈服強度高。為了探索這種現(xiàn)象，對TRIP600恒應變進行高疲勞疲勞試驗。對應于選定的TRIP600鋼板的90%的位移值為第一載荷值。疲勞試驗測得的第一位移值為0.2mm。隨后的位移荷載值依次減小。實驗參數(shù)：①循環(huán)基數(shù)為1000萬次②負荷頻率為8Hz③循環(huán)應變率④正弦曲線應力加載路徑。在TRIP600鋼板的恒應變疲勞試驗過程中，獲得了不同的位移值，得到了相應的疲勞壽命值NF。

3.4 位移壽命曲線

根據(jù)用原點映射軟件得到的橫坐標的對數(shù)疲勞壽命X=lgNi如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著應變振幅的減小，循環(huán)次數(shù)增加。當NF＝1×107個循環(huán)時，在加載頻率為8Hz時，TRIP600鋼板的R＝0。從兩條曲線對比可以看出，對應于兩條曲線的循環(huán)應力降在循環(huán)次數(shù)N=1×105時明顯不同。對于曲線，在循環(huán)軟化的最后階段，當循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時，應力變化幅度較小。逐漸穩(wěn)定，試樣不會斷裂。經(jīng)分析，TRIP600鋼板表現(xiàn)出整體循環(huán)硬化。

圖4 TRIP600ε-N曲線

4 結(jié)論

在循環(huán)載荷作用下，TRIP600鋼板具有軟化的特點。經(jīng)過初次淬火后，兩鋼板的塑性變形、強化、應力降低等工藝特點產(chǎn)生了較高的抗疲勞斷裂性能。從表面應力集中來看，疲勞源以疲勞裂紋源中的韌性斷裂為特征。伸展斷裂帶和瞬變斷裂帶以脆性斷裂為特征。結(jié)果表明，TRIP600鋼板的疲勞應力極限為460MPa。采用鋼板公式疲勞試驗的行程鋼板疲勞極限位移為600MPa。