冷轧低碳钢板疲劳性能分析

□ 杨 坤

北钢管业(营口)有限公司 辽宁营口 115007

1 分析背景

冷轧低碳钢板随着变形量的增大,抗拉强度和硬度都显著提高[1-2]。在实际应用中,冷轧低碳钢板很少出现在一次性单调加载情况下就结构失效的问题。事实上,工程中最常遇到的是疲劳失效问题。由此,细晶粒钢疲劳行为的研究越来越受到人们的重视,已有许多学者对细晶粒钢的疲劳行为进行了系统的研究[3-6]。Chapetti等[7-8]对晶粒尺寸分别为0.8 μm、1 μm的细晶粒低碳钢和晶粒尺寸为12.5 μm的相同化学成分的SM490粗晶钢的疲劳强度进行了研究,试验结果表明,两种钢的疲劳极限随晶粒尺寸的减小而提高,超细晶低碳钢的疲劳裂纹萌生和扩展相对较低,疲劳长裂纹萌生能力随晶粒尺寸的减小而降少,在中高应力强度范围内和平均应力水平下,超细晶粒钢的疲劳裂纹扩展速率低于SM490粗晶钢。杨振国等[9-10]研究了42CrMoVNb细晶粒钢在三种工艺下的疲劳行为,发现晶粒细化对疲劳强度有复杂影响,存在一个合理的晶粒细化范围,大约为4 μm。材料疲劳性能产生复杂的变化,与材料内部组织的变化有密切关系。

对材料疲劳性能方面进行研究,不仅具有强烈的工程背景,而且具有基础性研究价值。由此,笔者通过试验,对冷轧低碳钢板的疲劳性能进行分析。

2 试验材料

试验材料为典型低碳钢板,材料的化学成分按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》测定,结果见表1。

表1 低碳钢板化学成分

将试验用低碳钢板加热至900 ℃保温,在10%氯化钠冰水中淬火,得到板条马氏体组织,然后在辊锻机上同方向进行多道次轧制。冷轧时,分别按照变形量60%、70%、80%取样。

试验所采用的冷轧低碳钢板热处理工艺曲线如图1所示。

图1 低碳钢板热处理工艺曲线

3 试验方法

采用单点试验法,根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》制成紧凑拉伸试样。疲劳试验在PLG-1000微机控制高频拉-拉疲劳试验机上进行,试验前在试样标距内侧面预制一个缺口。在同一应力水平下,对试样不断循环进行加载应力和释放应力,直到试样断裂为止,记录从试验开始到试验结束的循环次数。

4 试验结果

试验全部结束后,根据试样在不同应力水平下的试验结果,绘制出三种变形量试样的应力-循环次数曲线,如图2所示。在同一应力水平下,变形量大的试样,疲劳循环次数相对较高。随着变形量的增大,应力-循环次数曲线的斜率不断减小,变形量大的试样,疲劳性能相对比较稳定。试样的疲劳极限在500 MPa～600 MPa之间,都达到高周疲劳。

图2 试样应力-循环次数曲线

5 变形量对应力-循环次数曲线影响

目前,研究者对层状复合材料疲劳机制的研究已经成熟,冷轧低碳钢板具有内生层状复合结构,不是严格意义上的层状材料,但仍可看作是自生的层状复合材料。由于层片很薄,因此可以认为层片内不存在浓度梯度,界面为非梯度界面,并且界面两侧层片的材料参数完全相同。

三种变形量试样在较高载荷下的强度-循环次数曲线如图3所示。由图3可以看出,变形量越大的试样,疲劳-循环次数曲线的斜率越大。低碳钢板在多道次大压量的冷轧变形中,不同取向的界面不断趋于同一方向。在变形量达到80%之前,试样中的界面都存在不同程度的弯曲,这些弯曲的界面与载荷轴向存在一定的夹角。变形量越小,弱界面的弯曲程度越大,与载荷轴的夹角也越大,疲劳-循环次数曲线的斜率越小。由此,板条马氏体的取向接近一致,并且沿板条方向加载,冷轧低碳钢板才能达到最优的抗疲劳性能。

图3 试样强度-循环次数曲线

复合材料偏轴角概念对于内生层状结构冷轧低碳钢板疲劳性能的研究具有借鉴意义。弯曲界面与载荷轴的夹角与单向复合材料中纤维与载荷轴的夹角的概念相似。单向层状复合材料在偏轴载荷作用下,将混合型基体开裂看作起决定性作用的疲劳损伤机理,当循环次数达到107以上,即达到高周疲劳时,对应的强度称为疲劳强度。单向复合材料偏轴疲劳强度-循环次数曲线如图4所示。偏轴角越小,疲劳强度越高,裂纹尖端会承受两种位移分量,分别为与纤维垂直的张开型位移、与纤维平行的滑移型位移,导致混合型裂纹在平行纤维方向扩展。裂纹尖端位移的极限值取决于偏轴角的大小[6],在裂纹尖端位移极限值下,裂纹不扩展。

图4 单向复合材料偏轴疲劳强度-循环次数曲线

冷轧低碳钢板的界面存在不连续性,在马氏体板条两端的界面与载荷轴方向的夹角最大,所以,板条马氏体两端是冷轧低碳钢板的薄弱环节,裂纹容易在此形成,位错在尖端界面处大量堆积,产生应力集中,从而出现疲劳裂纹。变形量越大,两端的界面长度越短,与载荷轴有夹角的界面越少,疲劳性能就相对越好。

6 结束语

低碳钢板经淬火和不同变形量冷轧后,形成层状晶粒,经过拉-拉疲劳试验,可以得到如下结论:三种变形量试样的循环次数随变形量的增大而增加,基本都达到高周疲劳;60%～80%变形量试样的应力-循环次数曲线符合层状复合材料的偏轴疲劳损伤理论,界面与载荷轴夹角越小,疲劳强度越高。通过分析表明,冷轧低碳钢板的层状晶粒具有复合材料特征。