600 MPa級(jí)熱軋雙相鋼的高周疲勞性能

孫明軍 王 磊 劉 楊

(1.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819； 2.寶鋼股份中央研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039)

熱軋雙相鋼是近年來出現(xiàn)的一種新型高強(qiáng)鋼，因具有軟硬結(jié)合的兩相組織，低的屈強(qiáng)比，高的強(qiáng)度和高成形性，被廣泛應(yīng)用在汽車輪輻、輪軸、輪盤等構(gòu)件中[1- 3]。由于構(gòu)件在服役過程中承受交變載荷，其壽命取決于材料的疲勞性能，因此進(jìn)行熱軋雙相鋼疲勞性能的研究具有重要意義。本文采用不同的熱軋工藝獲得了兩種不同顯微組織的600 MPa級(jí)熱軋雙相鋼，用于研究高周疲勞性能與顯微組織之間的關(guān)系，以期為熱軋雙相鋼的理論研究與實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼分別為低溫卷取的Si、Cr系和中溫卷取的Cr、Mo系熱軋雙相鋼，化學(xué)成分見表1。厚度均為3.5 mm，熱軋參數(shù)見表2，均采用層流分段冷卻工藝。試制后取金相試樣及疲勞試樣，低溫卷取試樣編為1號(hào)，中溫卷取編為2號(hào)。采用MTS810疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，參照GB/T 3075—2008進(jìn)行，疲勞試樣示意圖見圖1。選用正弦波進(jìn)行拉- 拉加載，載荷比為0.1，高應(yīng)力區(qū)采用升降法，低應(yīng)力區(qū)采用成組法。采用Zeiss Axiophot2型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用Quanta FEG450掃描電鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行觀察，使用Tecnai G20透射電鏡對(duì)試樣斷口附近的位錯(cuò)進(jìn)行觀察[4- 6]。

表1 雙相鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 雙相鋼的熱軋工藝參數(shù)

圖1 拉- 拉疲勞試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織與力學(xué)性能

兩種試驗(yàn)雙相鋼的力學(xué)性能見表3，顯微組織見圖2。利用Image- Pro軟件計(jì)算得出，1號(hào)試樣的鐵素體(F)體積分?jǐn)?shù)為77%，其余為馬氏體(M)，2號(hào)試樣的鐵素體體積分?jǐn)?shù)為56%，其余為貝氏體(B)和部分馬氏體。2號(hào)雙相鋼含有貝氏體，因此具有良好的擴(kuò)孔性能。

圖2 試驗(yàn)雙相鋼的顯微組織

表3 試驗(yàn)雙相鋼的力學(xué)性能

2.2 S- N曲線與疲勞性能

采用Origin軟件繪制兩種試驗(yàn)雙相鋼的疲勞壽命S-N曲線，見圖3?？梢?，1號(hào)雙相鋼的疲勞極限為433 MPa，2號(hào)雙相鋼的疲勞極限為413 MPa，兩者S-N曲線在應(yīng)力為475 MPa左右時(shí)相交。當(dāng)應(yīng)力幅值高于475 MPa時(shí)，2號(hào)試樣的疲勞性能較好，反之，則1號(hào)試樣的疲勞性能較好。S-N曲線對(duì)比表明：在較高應(yīng)力幅值下，鋼的塑性提高，使晶界強(qiáng)度和晶界位錯(cuò)塞積程度得到改善，從而有利于阻止晶界裂紋的萌生，因此2號(hào)雙相鋼的疲勞壽命高于1號(hào)雙相鋼；在較低應(yīng)力幅值下，較高的屈服強(qiáng)度有利于阻止剪切滑移型裂紋的萌生，因此1號(hào)雙相鋼的疲勞壽命高于2號(hào)雙相鋼。當(dāng)載荷接近疲勞極限時(shí)，1號(hào)雙相鋼的疲勞裂紋形成門檻值較高，抵抗裂紋擴(kuò)展性能更佳。

圖3 試驗(yàn)雙相鋼的S- N曲線

2.3 疲勞裂紋的萌生

對(duì)雙相鋼S-N曲線上高、低應(yīng)力幅下的典型疲勞斷口進(jìn)行分析，1號(hào)鋼取應(yīng)力幅值為454、639MPa的疲勞試樣，2號(hào)鋼取應(yīng)力幅值為457、646 MPa的疲勞試樣。圖4為疲勞源區(qū)照片，可見，裂紋源區(qū)位于試樣的頂角或側(cè)表面附近，伴有河流花樣向內(nèi)部擴(kuò)展。低應(yīng)力幅時(shí)有一個(gè)疲勞源，如圖4(a,b)所示；高應(yīng)力幅時(shí)試樣表面裂紋源的數(shù)量增加，如圖4(c,d)所示。原因是高的應(yīng)力幅促進(jìn)了試樣表層的位錯(cuò)移動(dòng)，可能在多個(gè)區(qū)域形成細(xì)小的滑移帶，最終發(fā)展成疲勞裂紋萌生區(qū)。裂紋源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)集中在試樣邊緣的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，即疲勞壽命主要取決于裂紋萌生及擴(kuò)展階段的時(shí)間。高周疲勞拉- 拉加載時(shí)，由于疲勞試樣表面一側(cè)不受約束，且呈平面應(yīng)力狀態(tài)，易于屈服造成疲勞損傷。同時(shí)，當(dāng)疲勞試樣表面參差不齊時(shí)，由于晶界阻礙而積聚的位錯(cuò)從此處釋放出來，容易形成疲勞微裂紋[7- 9]。

圖4 不同應(yīng)力幅下疲勞源區(qū)形貌

2.4 疲勞裂紋的擴(kuò)展

低應(yīng)力幅時(shí)，1號(hào)和2號(hào)疲勞試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌如圖5(a～d)所示，均出現(xiàn)了大小不等的韌窩、二次裂紋。進(jìn)一步放大可觀察到1號(hào)試樣的疲勞輝紋較窄，說明1號(hào)鋼在低應(yīng)力幅時(shí)抵抗裂紋擴(kuò)展的性能較好，疲勞壽命較高。高應(yīng)力幅時(shí)，1號(hào)、2號(hào)試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌如圖5(e～h)所示，除出現(xiàn)大小不等的韌窩外，還有一些破碎的第二相粒子，2號(hào)試樣的韌窩較深，韌性較好；放大可觀察到1號(hào)試樣存在疲勞輝紋及輪胎花樣，2號(hào)試樣也有疲勞輝紋，但間距較1號(hào)試樣的略窄，因此，高應(yīng)力幅時(shí)2號(hào)試樣的疲勞性能好于1號(hào)試樣。此外，疲勞斷口中還出現(xiàn)了大量等軸韌窩，是由于疲勞斷面承受單軸拉伸應(yīng)力，正應(yīng)力垂直于微孔表面，能夠形成等軸韌窩，隨著韌窩的聚集長(zhǎng)大，最后相互連接形成疲勞斷口，當(dāng)韌窩較深時(shí)，說明在此應(yīng)力幅下雙相鋼的韌性較好。一些韌窩的底部還存在破碎的第二相粒子，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在第二相粒子附近形成位錯(cuò)塞積并產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力的增加最后將其破碎，彌散細(xì)小的第二相粒子可以延緩裂紋的擴(kuò)展，有利于提高雙相鋼的疲勞性能。

圖5 不同應(yīng)力幅下試樣中裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

2.5 疲勞斷口的形貌

不同應(yīng)力幅下，1號(hào)和2號(hào)疲勞試樣斷口的側(cè)面組織如圖6(a～d)所示(箭頭為加載方向)。在疲勞載荷作用下，疲勞源區(qū)均產(chǎn)生了一定的塑性變形，1號(hào)試樣在兩相邊界區(qū)產(chǎn)生裂紋，如圖6(a,c)所示。這主要是由于鐵素體、馬氏體兩相硬度差較大，導(dǎo)致疲勞裂紋易在鐵素體內(nèi)或者鐵素體與馬氏體兩相界面間擴(kuò)展。2號(hào)試樣主要為穿晶擴(kuò)展，如圖6(b,d)所示。這主要是由于組織中含有貝氏體，鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差減小，導(dǎo)致疲勞裂紋進(jìn)入貝氏體后發(fā)生穿晶擴(kuò)展。

圖6 不同應(yīng)力幅下疲勞斷口側(cè)面組織形貌

2.6 疲勞斷口附近位錯(cuò)組態(tài)

低應(yīng)力幅時(shí)，1號(hào)、2號(hào)疲勞試樣斷口附近的位錯(cuò)組態(tài)如圖7所示?？梢?，1號(hào)試樣斷口附近產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)纏結(jié)和塞積，位錯(cuò)密度明顯高于2號(hào)試樣，高密度的位錯(cuò)纏結(jié)阻礙了位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，因此低應(yīng)力幅時(shí)1號(hào)試樣的疲勞性能較好。高應(yīng)力幅時(shí)，2號(hào)試樣內(nèi)部位錯(cuò)的纏結(jié)和塞積比1號(hào)試樣嚴(yán)重，如圖7(c,d)所示，因此高應(yīng)力幅時(shí)其疲勞性能較好[10]。

3 結(jié)論

(1)熱軋組織為F+M的1號(hào)雙相鋼疲勞極限為433 MPa，F(xiàn)+B+部分馬氏體的2號(hào)雙相鋼疲勞極限為413 MPa，兩種雙相鋼的S-N曲線在應(yīng)力為475 MPa時(shí)相交。低應(yīng)力幅時(shí)1號(hào)試樣的疲勞輝紋較窄，疲勞壽命高于2號(hào)試樣，高應(yīng)力幅時(shí)2號(hào)試樣的韌窩較深，疲勞壽命高于1號(hào)試樣。

(2)低應(yīng)力下疲勞試樣斷口為單一疲勞源，高應(yīng)力下為多疲勞源，裂紋擴(kuò)展區(qū)除有大量韌窩外，還有第二相粒子、疲勞輝紋等特征。拉- 拉載荷作用下，1號(hào)試樣的裂紋為沿晶擴(kuò)展，2號(hào)試樣為穿晶擴(kuò)展。

(3)較高應(yīng)力幅時(shí)，塑性應(yīng)變是影響疲勞壽命的重要因素，2號(hào)雙相鋼的疲勞壽命高于1號(hào)試樣；較低應(yīng)力幅時(shí)，較高的屈服強(qiáng)度有利于阻止剪切滑移型裂紋萌生，1號(hào)雙相鋼的疲勞壽命高于2號(hào)。在相近的應(yīng)力幅下，疲勞斷口附近的位錯(cuò)密度較高并有位錯(cuò)纏結(jié)，雙相鋼的疲勞性能較好。