兩種形狀汽車(chē)大梁板試樣的軸向疲勞行為研究

蘇洪英 劉仁東 呂 冬 林 利 丁庶煒 張瑞坤

(鞍鋼技術(shù)中心，遼寧 鞍山 114009)

汽車(chē)大梁板主要用于制造汽車(chē)縱梁、橫梁、前后車(chē)橋、保險(xiǎn)杠等結(jié)構(gòu)件，要求鋼板具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)有良好的成形性能、焊接性能和耐疲勞性能等[1-5]。疲勞斷裂是機(jī)械零件和工程構(gòu)件3種主要失效形式(斷裂、磨損、腐蝕)中最危險(xiǎn)的一種[6]。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，受氣流、路況等外界因素的影響而承受循環(huán)應(yīng)力，在循環(huán)應(yīng)力重復(fù)作用下，汽車(chē)零部件將發(fā)生疲勞破壞，因此耐久性是當(dāng)前汽車(chē)設(shè)計(jì)必須考慮的性能指標(biāo)之一[7]。雖然采用疲勞試驗(yàn)?zāi)苊枋霾牧系钠谛袨?，但是關(guān)于汽車(chē)大梁鋼疲勞試驗(yàn)迄今沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣的形狀、尺寸未做明確規(guī)定[8]。

GB/T 3075—2008中,對(duì)于矩形橫截面試樣推薦兩種形狀，即在平行部位和夾持端之間具有切向過(guò)渡圓弧或夾持端間連續(xù)半徑的均勻厚度的矩形橫截面試樣[9]，前者稱(chēng)為等截面試樣，后者稱(chēng)為漏斗形試樣[10]。吳海利等[11]選用3種汽輪機(jī)葉片材料，對(duì)等截面試樣和漏斗形試樣分別進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，提出了試樣形狀系數(shù)的概念，并得出由試樣形狀引起的應(yīng)力和撓度的差異是漏斗形試樣的疲勞強(qiáng)度大于圓柱形試樣的主要原因。為了解造成汽車(chē)大梁板兩種形狀試樣的軸向疲勞性能差異的原因，本文對(duì)等截面試樣和漏斗形試樣進(jìn)行了不同應(yīng)力比以及不同應(yīng)力水平下的軸向疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為8 mm厚的500L-Z汽車(chē)大梁板，其屈服強(qiáng)度為509 MPa，抗拉強(qiáng)度為608 MPa。根據(jù)GB/T 3075—2008，兩種形狀疲勞試樣的試驗(yàn)段寬度相同，以保證橫截面積相等；同時(shí)為保證剛度相同，夾持端長(zhǎng)度相同，具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 疲勞試樣

疲勞試驗(yàn)依據(jù)GB/T 3075—2008進(jìn)行，設(shè)備選用美國(guó)Instron8802疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為25 Hz，試驗(yàn)在室溫和空氣介質(zhì)中進(jìn)行，應(yīng)力控制采用拉-壓(應(yīng)力比R=-1)和拉-拉(應(yīng)力比R=0.1)正弦波兩種加載方式。大量疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)某一應(yīng)力水平下組內(nèi)各疲勞壽命大部分在106周次以?xún)?nèi)時(shí)，可以假定對(duì)數(shù)疲勞壽命遵循正態(tài)分布[12]。本文在高、低兩個(gè)不同應(yīng)力水平下分別采用母體標(biāo)準(zhǔn)差相同的成組對(duì)比試驗(yàn)的t檢驗(yàn)法和母體標(biāo)準(zhǔn)差不同的成組對(duì)比試驗(yàn)的t′檢驗(yàn)法[12]，對(duì)汽車(chē)大梁板等截面試樣和漏斗形試樣進(jìn)行疲勞壽命對(duì)比試驗(yàn)，并采用升降法測(cè)試了50%存活率的疲勞極限。

采用切割應(yīng)力松弛法測(cè)量殘余應(yīng)力，應(yīng)變方向?yàn)檩S向，兩種形狀試樣各測(cè)6個(gè)平行試樣。測(cè)試時(shí)將電阻應(yīng)變片貼在待測(cè)試樣表面(見(jiàn)圖2)，電阻應(yīng)變片為封閉型，長(zhǎng)3 mm。將貼有應(yīng)變片的部分與試樣逐漸切割隔離(鋸切部位見(jiàn)圖3)，殘余應(yīng)力值由鋸切前后的應(yīng)變差再乘以2.07×105MPa得到。

圖2 應(yīng)變片粘貼位置

圖3 試樣鋸切部位

2 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

(1)

(2)

式中：n為試樣數(shù)量；N為疲勞壽命，次；x為對(duì)數(shù)疲勞壽命，次。

按式(3)～式(5)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量F值、t值和對(duì)應(yīng)的自由度v：

(3)

(4)

按式(6)和式(7)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t′值和對(duì)應(yīng)的自由度v′：

(6)

(7)

采用式(8)和式(9)計(jì)算置信上限θU和置信下限θL，式中tγ為對(duì)應(yīng)置信度γ的t值，可通過(guò)查閱有關(guān)疲勞可靠性資料中的數(shù)據(jù)表得到。式(10)中S12為“組合標(biāo)準(zhǔn)差”，代表了兩組數(shù)據(jù)的分散性。

(8)

(9)

(10)

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.1 疲勞極限

采用升降法測(cè)定材料的疲勞極限，有效試樣不少于13根，取3～5級(jí)應(yīng)力水平，每級(jí)應(yīng)力增量為預(yù)計(jì)疲勞極限的3%～5%，所測(cè)50%存活率下的疲勞極限見(jiàn)表1。

表1 兩種形狀試樣的疲勞極限

3.2 應(yīng)力比R=-1條件下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)力比R=-1，高、低兩個(gè)應(yīng)力水平330和250 MPa條件下，兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 應(yīng)力比R=-1條件下兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 應(yīng)力比R=0.1條件下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)力比R=0.1，高、低兩個(gè)應(yīng)力水平550和475 MPa條件下，兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 應(yīng)力比R=0.1條件下兩種形狀試樣的疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

一般情況下，熱軋帶鋼在軋制后的冷卻過(guò)程中,由于邊部和中部冷卻速度的不同導(dǎo)致鋼板內(nèi)部存在熱應(yīng)力，從而形成殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕、形狀精度等均有重大影響。兩種形狀試樣表面殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果如表4所示。由表4可見(jiàn)，漏斗形試樣的表面殘余壓應(yīng)力高于等截面試樣。

表4 殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

5 分析與討論

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在應(yīng)力比R=-1和R=0.1時(shí)，在高、低兩個(gè)應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。當(dāng)R=-1時(shí)，在250和330 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.22～5.76倍和2.01～2.44倍，漏斗形試樣的疲勞極限稍低于等截面試樣，低6 MPa。當(dāng)R=0.1時(shí)，在475和550 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.04～3.14倍和1.80～2.74倍，漏斗形試樣的疲勞極限比等截面試樣高17 MPa。

5.1 應(yīng)力集中

等截面試樣在平行部位和夾持端之間具有切向過(guò)渡圓弧，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中使等截面試樣的局部應(yīng)力提高，由于應(yīng)力集中處局部應(yīng)力的急劇提高,導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低[14]。當(dāng)試樣承受靜載荷時(shí)，由于材料都有一定的塑性，在破壞之前有一個(gè)宏觀塑性變形過(guò)程，使試樣上的應(yīng)力重新分配，自動(dòng)趨于均勻化。因此，應(yīng)力集中對(duì)靜強(qiáng)度沒(méi)有多大影響。而疲勞破壞時(shí)截面上的名義應(yīng)力尚未達(dá)到材料的屈服極限，因此破壞前不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，不會(huì)出現(xiàn)像靜載破壞前那樣的載荷重分配過(guò)程。這樣便使試樣的疲勞強(qiáng)度主要決定于最大應(yīng)力處附近的局部應(yīng)力，是試樣的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋源多出現(xiàn)在切向圓弧過(guò)渡附近。漏斗形試樣是在夾持端間連續(xù)半徑的試樣，不存在應(yīng)力集中。中間最細(xì)部位的名義應(yīng)力最大，裂紋多出現(xiàn)在此處附近。因此在相同的應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。

5.2 殘余應(yīng)力

Goodman公式為：

(11)

圖4 疲勞極限圖

(12)

(13)

由式(13)可知，殘余拉應(yīng)力使材料的疲勞強(qiáng)度下降，而殘余壓應(yīng)力使材料的疲勞強(qiáng)度提高。殘余拉應(yīng)力使裂紋張開(kāi)，在一定的循環(huán)應(yīng)力下，微裂紋在發(fā)展成宏觀裂紋前所需擴(kuò)展的長(zhǎng)度減小，裂紋萌生壽命縮短。殘余壓應(yīng)力將阻止宏觀裂紋張開(kāi)，微觀裂紋期延長(zhǎng)，在一定的循環(huán)應(yīng)力下，材料的疲勞強(qiáng)度或壽命提高[17]。可知壓縮殘余應(yīng)力將使構(gòu)件的疲勞極限提高，反之，拉伸殘余應(yīng)力則降低構(gòu)件的疲勞極限，因此在相同應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣。

6 結(jié)論

(1)對(duì)于同種材料，漏斗形試樣和等截面試樣的疲勞性能有較大差異。在95%置信度的前提下，當(dāng)R=-1時(shí)，在250和330 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.22～5.76倍和2.01～2.44倍；當(dāng)R=0.1時(shí)，在475和550 MPa應(yīng)力水平下，漏斗形試樣的疲勞壽命分別是等截面試樣的2.04～3.14倍和1.80～2.74倍。

(2)由試樣形狀引起的應(yīng)力集中和表面殘余壓應(yīng)力是漏斗形試樣的疲勞壽命高于等截面試樣的主要原因。等截面試樣的平行部位和夾持端之間的切向過(guò)渡圓弧是產(chǎn)生應(yīng)力集中的根源，且其表面殘余壓應(yīng)力低于漏斗形試樣。

(3)建議在今后的疲勞測(cè)試分析或引用數(shù)據(jù)時(shí)，在疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)后標(biāo)注試樣形狀，避免因忽略不同試樣形狀得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差值而造成較大的計(jì)算誤差。