分享：汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性

孙晓冉1,宋 月1,谷秀锐1,白丽娟1,赵秀娟2 

(1.河钢集团钢研总院理化检测中心,石家庄 052160; 2.河北工业职业技术学院材料工程系,石家庄 050091) 

摘 要:对2.0mm 厚汽车用SPHC热轧薄钢板进行低周循环应变疲劳试验,获得了应力-应变曲 线、应变-寿命曲线、应变滞回环曲线以及相关疲劳常数指标,并对疲劳断口形貌进行观察。结果表 明:SPHC钢在试验范围内具有非 Masing效应;拟合得到SPHC钢的循环强度系数为284,循环应变 硬化指数为0.128;通过 Manson-Coffin方程拟合得到SPHC钢的疲劳强度系数为467MPa,疲劳强度 指数为-0.078,疲劳延性系数为0.323,疲劳延性指数为-0.609;疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展 区、瞬断区组成,裂纹扩展区由大量疲劳辉纹组成,瞬断区存在大量韧窝,SPHC钢具有良好的塑韧性。 

关键词:SPHC钢;低周疲劳特性;应变控制;疲劳断口 中图分类号:TG142 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0057-04 

0 引 言 

SPHC钢具有良好的塑韧性、热加工成形性、焊 接性能,是优质的冷轧基料[1],多作为冲压和面板成 形等深加工用材[2],其产品广泛应用于汽车、家电等 行业。汽车制造业的发展不仅要求材料具有良好的 静态力学性能,还需要具有优异的动态疲劳性能。 模拟设计和成形仿真技术的蓬勃发展使得汽车零部 件的设计越来越倾向于优先进行模拟仿真,相应地 对材料变形过程中动态力学性能指标的要求也越来 越详细。因此,掌握材料的动态力学特性对材料的 成形设计和仿真模拟格外重要,对汽车结构件的安 全设计也具有重要意义。目前,有关 SPHC钢低周 疲劳特性的研究较少,从而影响了 SPHC 钢汽车零 部件的设计分析。因此,作者以河钢某钢厂所产汽 车用SPHC热轧薄钢板为研究对象,对其开展静态 拉伸试验、循环应变低周疲劳试验,得到 SPHC 钢 的应力与应变关系和应变与寿命关系,并对断口形 57 孙晓冉,等:汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性 貌进行观察,分析该钢的低周疲劳特性,为模拟分析 和仿真设计提供数据基础。

1 试样制备与试验方法

 试验材料选用河钢某钢厂生产的2.0mm 厚汽 车用SPHC热轧薄钢板,其化学成分(质量分数/%) 为0.12C,0.6Mn,0.5Si,≤0.035P,≤0.035S。按照 GB/T26077-2010 [3],在试验钢上截取3个等截面哑 铃形板状拉伸试样,分别标记为试样1、试样2、试样 3,试样平行段宽度为15 mm,标距为50 mm,采用 Zwick100KN 型电子式拉伸试验机进行轴向静态 拉伸试 验,采 用 应 变 速 率 控 制 模 式。按 照 GB/T 15248-2008 [4],在试验钢上截取如图1所示的疲劳 试样,采用 MTSlandmark370.25型电液伺服疲劳 试验机进行拉-压低周疲劳试验,采用恒应变速率控 制模式,加载波形为三角波,应力比R 为-1,循环频 率为0.5Hz,选用标距为10mm 的632.13F-23型引 伸计实时测量应变;由于试样较薄,在拉-压循环过程 中使用防屈曲装置以防止试样出现屈曲变形而发生 失稳破坏。疲劳试验结束后,采用 ZEISSUltra55型 场发射扫描电镜(SEM)观察疲劳断口形貌。 图1 疲劳试样的形状和尺寸 Fig.1 Shapeanddimensionoffatiguespecimen 

2 试验结果与讨论 

2.1 静态应力与应变关系

 由拉伸试验得到的静态应力-应变曲线如图 2 所示,试验 钢 的 屈 服 强 度 测 试 值 分 别 为 262,267, 267MPa,抗拉强度测试值分别为342,343,342MPa, 断后伸长率测试值分别为39%,40%,41%,平均屈服 强度、平 均 抗 拉 强 度、平 均 断 后 伸 长 率 分 别 为 265MPa,342MPa,40%。 采用 Remberg-Osgood弹塑性应力应变关系[5] 对应力、应变数据进行拟合,其表达式为 ε=σ/E+(σ/K)1/n (1) 式中:ε为工程应变;σ为工程应力;E 为弹性模量;K 为强度系数;n 为静态应变硬化指数。 式(1)中第一部分σ/E 表征弹性应变阶段,第二 部分(σ/K)1/n 表征塑性应变阶段。经拟合计算得到, 图2 试验钢的静态工程应力-工程应变曲线 Fig.2 Staticengineeringstress-engineeringstraincurveofteststeel SPHC钢的静态强度系数为286,应变硬化指数为 0.133。该数据可为该材料低周疲劳试验和零部件设 计提供基础参数。

 2.2 动态循环应力与应变关系 

在恒应变控制的低周疲劳试验初期的循环阶段 会出现循环硬化或软化现象,该阶段一般占整个疲劳 寿命 Nf 的1/10~1/2,之后进入稳定循环状态,即应 力与应变关系稳定。稳定循环状态下的应力-应变曲 线呈滞回环形状,选取不同应变幅下系列滞回环线的 最高数据点,按最小二乘法进行拟合后,即可得到循 环应力-应变曲线。选择1/2Nf 处稳定循环应力-应 变滞回环的应力和塑性应变进行拟合[3-4],拟合曲线 如图3所示,拟合公式为 Δσ/2= K'(Δεp/2)n' (2) 式中:Δεp/2为塑性应变幅;Δσ/2为1/2Nf 处的应力 幅;K'为循环强度系数;n'为循环应变硬化指数。 图3 试验钢的循环应力-塑性应变拟合曲线 Fig.3 Cyclicstress-plasticstrainfittingcurveofteststeel 经拟合计算得到,循环强度系数为284,循环应 变硬化指数为0.128。 将不同应变幅稳定循环状态下的滞回环曲线通 过坐标平移,使其最低点与原点重合,结果如图4所 示,图中 Δεt/2为总应变幅。由图4可以看出,滞回 环上行线的前半段基本重合,后半段随应变的增大 出现分离现象,各滞回环上最高数据点的连线未与 每个滞回线环的上行线重合,可知 SPHC 钢在试验 范 围内具有非Masing效应[6]。研究表明,材料是否 58 孙晓冉,等:汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性 图6 不同总应变幅下试验钢的疲劳断口形貌 Fig 6 Fatiguefracturemorphologyofteststeelunderdifferenttotalstrainamplitude a-b overallmorphology c-d crackgrowthareaand e-f transientfracturearea 图4 平移后不同应变幅稳定循环状态下的滞回环曲线 Fig.4 Hysteresisloopcurveunderstablecyclicstateatdifferent strainamplitudesaftertranslation 具备 Masing效应与材料的种类、状态以及试验参 数、环境有关[7] ;Masing效应反映材料在疲劳损伤 时微观结构的稳定性,具有均匀分散相或低层错能 的单相金属更易表现 Masing循环响应行为,而具 有较高层错能金属的循环响应不易具有 Masing效 应[8]。具备 Masing效应的材料在高应变稳定循环 状态下的微观结构与低应变下的微观结构相适应, 说明可以用高应变稳定循环关系来表征材料的循环 本构关系,而这些规律对于非 Masing效应材料均 不适用。因此,不能简单地采用最大应变幅的单调 滞回环应力与应变关系来描述或预测 SPHC 钢的 循环本构关系。

 2.3 应变与寿命关系 

按照 GB/T15248-2008 中 附 录 A 和 GB/T 26077-2010中8.3.3条款,在应变控制的低循环疲 劳加载条件下,总应变幅为弹性应变幅和塑性应变 幅之和,其关系可采用 Manson-Coffin方程进行描 述[3],表达式为 Δεt/2= Δεe/2+Δεp/2= σ'f E (2Nf)b +ε'f(2Nf)c (3) 式中:Δεe/2为弹性应变幅;σ'f 为疲劳强度系数;b 为疲劳强度指数;ε'f 为疲劳延性系数;c 为疲劳延性 指数。 基于试验获取的数据通过式(3)计算并拟合后, 分别得到弹性应变幅、塑性应变福、总应变幅与疲劳 寿命的关系,如图5所示,图中 Δε/2为应变幅。由 此获得SPHC钢的疲劳强度系数为467 MPa,疲劳 强度指数为-0.078,疲劳延性系数为0.323,疲劳延 性指数为-0.609,上述数据可作为汽车板成型设计 和仿真分析的基础数据。 图5 试验钢的应变-疲劳寿命拟合曲线 Fig.5 Strain-fatiguelifefittingcurveofteststeel 

2.4 疲劳断口形貌

 疲劳断裂过程分为疲劳裂纹萌生、扩展以及瞬 时断裂3个阶段。SPHC 钢的疲劳断口形貌如图6 59 孙晓冉,等:汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性 所示,由裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区组成。由 图6可以看出:裂纹均在试样表面萌生,裂纹源区较 平坦光滑,由于暴露在空气中时间较长且裂纹扩展 速率较慢,断口出现轻微氧化,颜色偏深;不同方向 的疲劳裂纹在扩展过程中发生交汇,形成疲劳台阶, 疲劳台阶由表面至内部呈放射状扩展,是疲劳断口 宏观形貌的典型特征之一[9] ;裂纹扩展区由大量疲 劳辉纹组成,说明 SPHC 钢具有非常好的延展性; 瞬断区存在大小不一的韧窝,说明 SPHC 钢不易发 生滑移,具有良好的塑韧性。 

3 结 论

 (1)SPHC钢的平均屈服强度、平均抗拉强度、 平均断后伸长率分别为265MPa,342MPa,40%。基 于静态拉伸试验数据,采用 Remberg-Osgood方程拟 合得到SPHC钢的静态强度系数为286,应变硬化指 数为0.133;基于低周疲劳试验数据,拟合得到SPHC 钢的 循 环 强 度 系 数 为 284,循 环 应 变 硬 化 指 数 为 0.128;SPHC钢在试验范围内具有非 Masing效应。 (2)基于试验数据,通过 Manson-Coffin方程得 到SPHC钢的弹性应变幅、塑性应变福、总应变幅与 寿命的关系,拟合得到疲劳强度系数为467MPa,疲 劳强度指数为-0.078,疲劳延性系数为0.323,疲劳 延性指数为-0.609。 (3)SPHC钢疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展 区和瞬断区组成,裂纹扩展区由大量疲劳辉纹组成, 瞬断区存在大量韧窝,SPHC钢具有良好的塑韧性

来源：材料与测试网