20kHz和140Hz下高强汽车弹簧用钢的疲劳性能

彭文杰 张彦文

(武钢研究院 湖北 武汉：430080)



20kHz和140Hz下高强汽车弹簧用钢的疲劳性能

彭文杰 张彦文

(武钢研究院 湖北 武汉：430080)

对一种高强汽车弹簧用钢分别进行了常规疲劳和超高周疲劳试验。常规疲劳试验频率为140Hz，超高周疲劳试验频率为20kHz。采用扫描电镜分别对失效试样进行断口扫描分析。结果表明，140Hz和20kHz下的疲劳断口表现出相似的特征，在106循环周次内失效的试样断口起源萌生于试样表面；而高周和超高周疲劳试样断口起裂于试样次表面或内部，且断口呈现“鱼眼”状特征。另外，超高周疲劳断口裂纹源周围存在粒状亮面特征区。弹簧钢的超高周疲劳S/N曲线呈现二次下降型特性，其S/N曲线的形态特征跟试样夹杂物尺寸密切相关。140Hz得到的疲劳试验结果与20kHz下的超高周疲劳试验结果有着明显的偏差，弹簧钢频率效应明显。

高强弹簧钢；超高周疲劳；鱼眼；粒状亮面；频率效应

近年来，随着汽车的轻量化和高性能化的发展，迫切要求提高弹簧钢的强度和延长疲劳寿命。研究高强度长寿命弹簧钢是当今弹簧研究和开发的主要方向之一。弹簧钢的疲劳性能是其最为关键的性能之一，且随着汽车工业的发展，弹簧钢开始呈现107以上的超高周次的特征[1-2]，传统的107循环寿命设计已不能满足需要。采用常规的疲劳试验设备研究材料的超高周疲劳性能非常困难，用频率100Hz的常规设备完成109周次的疲劳实验，大约需要116天，消耗大量的时间成本。超声疲劳试验技术是实现超高周疲劳实验最有效的手段，其振动频率高达20kHz，可以大大缩短了实验时间。

本文利用USF-2000超声疲劳试验机，对一种高强汽车弹簧用钢进行了109超高周疲劳试验，对弹簧钢超高周疲劳断口特征和超高周S/N曲线形态进行了分析和研究。同时利用常规电磁谐振式疲劳试验机，对弹簧钢进行了107高周疲劳试验，来对比不同级别频率下弹簧钢的断口特征和频率效应。

1 实验方法

设计超声疲劳试样时，其尺寸必须满足与实验系统谐振的条件[3]。设计的试样如图1所示。在加工超声疲劳试样时，留出一定的加工余量，再利用细砂纸对试样中间部位进行研磨抛光，保证试样表面粗糙度低于0.35。

图1 弹簧钢超高周疲劳试样，L1=20mm, R1=2mm，R2=6mm，L2=10.55mm

本文试验用弹簧钢的硬度HV=380，拉伸强度1120MPa。超高周疲劳试验在USF-2000超声疲劳试验机上进行，试验频率20kHz，应力比为R=-1，实验环境为室温，使用冷却空气对试样中部喷吹，同时设置时间振动时间和间歇时间各为100ms，便于试样散热。用Quanta 400扫描电镜分析失效试样断口形貌，用EDAX能谱仪对疲劳源区进行成分分析。

为了消除试样形状和尺寸对实验结果的影响，我们在进行常规疲劳实验时，采用和超声疲劳试样相似的形状和尺寸，如图2所示，两种频率下的试样最小直径相同，并且过度弧跨度相同。试验中的超声疲劳试样和高频疲劳试样如图3所示。

图2 弹簧钢高频疲劳试样尺寸

图3 超声疲劳试验和常规高频疲劳试验

2 实验结果与讨论

2.1 疲劳断口特征对比

失效试样断口扫描发现140Hz和20kHz下106周次以内断裂的试样失效均起源于试样表面，高周(Nf>2.0×106)和超高周次(Nf>1.0×107)下断裂的试样失效起源于试样次表面或试样内部。图4和图5分别给出了20kHz下高周和超高周次失效试样断口形貌。可以看出两个试样失效均起源于试样内部，且疲劳断口均呈现“鱼眼”状。不同的是Nf=1.86×108的断口夹杂物附近存在一个由许多细颗粒状粗糙的亮面区，称其为粒状亮面GBF(Granular Bright Facet)，如图5所示。GBF是超高周疲劳断口的一个重要特征，它的形成占据了整个疲劳寿命的90%以上的比例[4-6]，因此大量的超高周疲劳研究都集中于GBF的形成机理[4-8]。

图4 σa=575MPa,Nf=5.75×106的失效试样断口

图5 σa=500MPa,Nf=1.86×108的失效试样断口

图6 140Hz下的高周疲劳断(σa=525MPa,Nf=5.97×106)

140Hz下失效试样断口扫描同样发现高周(Nf>2.0×106)疲劳试样断口起裂于试样内部，如图6所示。对比图4和图6可以发现，140Hz和20kHz下的高周疲劳断口均起裂于试样内部不均匀组织结构，且均呈现“鱼眼”状，其GBF区都不明显。截取文献中100Hz下的超高周疲劳断口如图7所示[9]，可以发现，在100Hz下的超高周疲劳断口起裂于试样内部夹杂物，其夹杂物周围也存在明显的GBF区，这与20kHz下的超高周疲劳断口特征同样类似。综上所述，可以看出，高频和超声频率下的疲劳断口特征类似，其共同特征一般为：

(1)低周疲劳断口(Nf<2.0×106)起裂于试样表面。

图7 高频下的超高周疲劳断口[9]

(2)高周疲劳断口(1.0×107>Nf>2.0×106)起裂于试样内部不均匀组织，断口起源点附近GBF区不明显。

(3)超高周疲劳断口(Nf>1.0×107)起裂于试样内部不均匀组织，断口起源点附近有明显的GBF区。

2.2 超高周S/N曲线特征

图8为测得的弹簧钢超高周和高周S/N曲线。由图8可以看出，弹簧钢的超高周S/N曲线为台阶型，曲线由两部分组成，一部分对应于短寿命曲线；另一部分为长寿命曲线；在中间转变应力处存在一个较短的水平平台。在台阶以上高应力幅区，材料的疲劳破坏均起源于试样的表面基体，而在水平台阶以下的超长寿命范围，疲劳断裂起源于试样内部，随着应力幅值的减小，弹簧钢的S/N曲线持续下降。在水平平台的应力水平上，疲劳裂纹的表面萌生和内部基体萌生均会发生。

除了台阶型曲线外，还有连续下降型和疲劳极限型S/N曲线，超高周S/N曲线形态与材料的夹杂物尺寸密切相关[10]。传统的常规疲劳试验由于频率限制，一般只做到107周次，因此，相应的只能得到疲劳极限型S/N曲线。

图8 测得的弹簧钢140Hz和20kHz下的S/N曲线

2.3 频率效应

由图8可以看出140Hz和20kHz下弹簧钢的疲劳寿命相差较大，20kHz下的疲劳寿命明显高于140Hz。如果直接将20kHz的疲劳结果用于常规频率，会带来危险的结果。因此，需要对频率效应的进行研究。

超声疲劳试验频率20kHz一般比实际工程应用的频率范围高出2～4个数量级。而疲劳裂纹的萌生和扩展与材料局部塑性变形有关，局部塑性变形是通过位错增殖和滑移来实现。频率的改变将通过影响应力应变响应、应变局部化、断裂模式来影响材料的疲劳性能，本质上是以改变应变率而体现。假设疲劳试验应力比为-1，应力幅值为σ0，加载应力随时间的变化公式为：

σ=σ0sin(2πft)

(1)

假设金属材料位错能够沿着滑移面自由移动，根据Johnston-Gilman公式，位错运动的速率(v)可以写为[11]：

(2)

由式(1)和(2)可计算出1/4个循环周期内位错的距离为：

(3)

由式(3)可知，提高加载频率f可以有效减小L值，从而提升疲劳寿命。这解释了材料在疲劳试验过程中的频率效应。

上述计算是基于位错可以自由滑动的假设。而对于高强度的金属材料(一般抗拉2000MPa以上)，其组织内部存在大量固定位错、杂质粒子、晶界等障碍来阻碍位错的运动，显著降低加载频率对位错移动距离的影响，材料疲劳性能的频率效应随之降低，甚至消除。目前已有大量的试验结果证实了这一结论[9,12-14]。

因此，超高强钢20kHz下的试验结果可以直接用于工程实际。而对于一般的钢材，则需要对20kHz下的疲劳试验结果进行修正。王弘[15]提出了采用低应变率(常规疲劳时的应变率)的断裂强度和高应变率下(超声疲劳时的应变率)的断裂强度的比值作为修正系数来修正超声疲劳试验结果。最近，日本的Benjamin & Akira[16-17]采用试验得到了不同加载频率下的疲劳试验结果，他们将不同加载频率下的应力除以该加载频率对应的应变率下的屈服强度，来对疲劳试验结果进行修正，如图9所示。结果发现，修正后0.2Hz～140Hz下的试验结果吻合的较好，但是20kHz下的试验结果依然相差较大。这说明频率达到20kHz后，除了应变率还有别的因素影响频率效应，因此并不能简单采用不同应变率下的拉伸强度或者屈服强度来修正超声疲劳试验结果，这也是目前极少有人提出超声疲劳试验结果修正公式的原因。这需要对频率效应的机理有着深入彻底地研究，而目前这一问题已有突破，但还有待进一步地深入研究。

图9 采用不同应变率下的屈服强度修正前后的疲劳试验结果[15-16]

3 结论

(1)弹簧钢20kHz和140Hz下的失效试样断口对比表明，高频和超声频率下的疲劳断口特征类似，其共同特征一般为：1)低周疲劳起裂于试样表面。2)高周和超高周疲劳均起裂于试样内部不均匀组织(奇异晶粒、夹杂物、气孔等)，并且断口都呈现“鱼眼”状，高周疲劳断口起源点附近GBF区不明显，超高周疲劳断口起源点附近有明显的晶粒亮面特征区。

(2)本文中的弹簧钢频率效应明显，如果直接将20kHz下的试验结果用于工程实际，会带来不安全的结果。超高强钢组织内部存在大量障碍来阻碍位错的运动来消除其频率效应。而对于一般的钢材，需要对20kHz下的疲劳试验结果修正。这需要对频率效应的机理有着深入彻底地研究，而这一问题还有待进一步地研究。

[1] 张继明，杨振国，等.汽车用高强度弹簧钢54SiCrV6和54SiCr6的超高周疲劳行为[J].金属学报,2006,42(3):259-264.

[2] Y. Akiniwa,et.al. Fatigue strength of spring steel under axial and torsional loading in the veryhigh cycle regime[J]. International Journal of Fatigue;2008,30:2057-2063.

[3] 彭文杰，陈一鸣，顾明凯，薛欢．几种不同形状试样的超声疲劳试验方法[J].武汉工程职业技术学院学报，2016,28(2):1-4.

[4] Aiguo Zhao,et.al. Effects of strength level and loading frequency on very-high-cycle fatigue behavior for a bearing steel[J]. International Journal of Fatigue，2012,38:46-56.

[5] Youshi Hong ,et.al. Propensities of crack interior initiation and early growth for very-high-cycle fatigue of high strength steels[J]. International Journal of Fatigue，2014,58:144-151.

[6] Wang QY, Berard JY, Bathias C, et.al. Gigacycle fatigue of ferrous alloys[J]. fatigue and Fracture Engineering Materia1 and Structures,1999,22:667-672.

[7] Hong Y, Zhao A, Qian G, Zhou C. Fatigue strength and crack initiation mechanism of very-high-cycle fatigue for low alloy steels[J]. Metall Mater Trans A, 2012,43:2753-62.

[8] Zhao A, Xie J, Sun C, Lei Z, Hong Y. Prediction of threshold value for FGA formation[J]. Mater Sci Eng A 2011,528:6872-7.

[9] Y. Furuya, S. Matsuoka, T. Abe, K. Yamaguchi. Gigacycle fatigue properties for high-strength low-alloy steel at 100 Hz, 600 Hz, and 20 kHz[J]. Scripta Materialia 2002,46:157-162.

[10] 彭文杰，薛欢，张彦文.一种高强汽车弹簧用钢的超高周疲劳研究[J].武汉工程职业技术学院学报,2016,28(3):1-4.

[11] Zhang Yangyang, Duan Zheng, Shi HuiJi. Comparison of the very high cycle fatigu e behaviors of INCONEL 718 with different loading frequencies[J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy,2013,56(3):617-623．

[12] 彭文杰，龙会才等.模具钢超高周疲劳性能探讨[J].物理测试,2015,33(2):5-9.

[13] Aiguo Zhao,et.al. Effects of strength level and loading frequency on very-high-cycle fatigue behavior for a bearing steel[J]. International Journal of Fatigue 2012,38:46-56.

[14] I.Marines, et al. Ultrasonic fatigue tests on bearing steel AISI-SAE 52100 at frequency of 20 and 30 kHz[J]. International Journal of Fatigue 2003,25:1037-1046.

[15] 王弘，高庆.超声疲劳试验中载荷频率对材料疲劳性能的影响[J].理化检验-物理分册,2005,41(9):433-436.

[16] Benjamin Guennec, et.al. Effect of the loading frequency on fatigue properties of JIS S15C lowcarbon steel and some discussions based on micro-plasticity behavior[J].International Journal of Fatigue,2014,66:29-38

[17] Benjamin Guennec,et.al. Dislocation-based interpretation on the effect of the loading frequency on the fatigue properties of JIS S15C low carbon steel[J]. International Journal of Fatigue,2015,70:328-341

(责任编辑：李文英)

Fatigue Behavior of Automotive Spring Steel at 20kHz and 140Hz

Peng Wenjie Zhang Yanwen

(Research and Development center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei)

The fatigue property of a high strength automotive spring steel was investigated via the conventional fatigue testing and ultrasonic fatigue testing. The fatigue fracture surfaces are observed using SEM respectively. The results show that the characteristic of fracture surface of the specimen at 20kHz and 140Hz are similar, i.e. for the specimen of fatigue lifetime within 106， the fracture are prone to initiate from the surface. However for high cycle fracture(HCF) and very high cycle fracture(VHCF), the fracture are prone to initiate from specimen subsurface or internal inhomogeneities with a distinct feature of so-called “fish-eye”. For the VHCF, there is a characteristic “granular-bright-facet(GBF)” area around the origination. Step-wise S/N curve with a horizontal part was observed for the spring steel, and the S/N curve character is related to the size of the inclusion. There is obvious difference of fatigue lifetime at 20kHz and 140Hz. i.e. the frequency effect of spring steel in the paper is obvious.

high strength spring steel; very high cycle fatigue; fish-eye; granular bright facet; frequency effect

2016-11-08

彭文杰(1982～)，男，博士，高级工程师.E-mail：31467900@qq.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0009-05