汽车用SPHC热轧薄钢板的低周疲劳特性

孙晓冉,宋 月，谷秀锐，白丽娟，赵秀娟

(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)

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2.0 mm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/T 26077-2010[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Zwick100 KN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MTS landmark 370.25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0.5 Hz，选用标距为10 mm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ZEISS Ultra55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 Shape and dimension of fatigue specimen

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262，267,267 MPa，抗拉强度测试值分别为342,343,342 MPa，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265 MPa，342 MPa，40%。

图2 试验钢的静态工程应力-工程应变曲线Fig.2 Static engineering stress-engineering strain curve of test steel

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，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 Cyclic stress-plastic strain fitting curve of test steel

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。

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 Hysteresis loop curve under stable cyclic state at different strain amplitudes after translation

2.3 应变与寿命关系

按照GB/T 15248-2008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

(3)

式中：Δεe/2为弹性应变幅；f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；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-fatigue life fitting curve of test steel

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。

图6 不同总应变幅下试验钢的疲劳断口形貌Fig.6 Fatigue fracture morphology of test steel under different total strain amplitude: (a-b) overall morphology; (c-d) crack growth area and (e-f) transient fracture area

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265 MPa，342 MPa，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。

(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。