分享：汽车用钢QStE340TM低周疲劳性能

随着汽车产业对轻量化要求的标准越来越高，各汽车厂采用高强钢来实现轻量化目标，目前高强钢被广泛使用在大部分汽车零部件上。然而，汽车在行驶过程中，长期处在动态服役条件下，受到交变载荷的作用，会导致疲劳裂纹的产生甚至破坏，降低汽车的使用寿命[1-3]。因此疲劳性能是汽车选材、冲压成形过程中的重要指标，直接涉及车体的使用性能和安全性能。

QStE340TM以其较高的强度、良好的冲压成形性能和焊接性能，广泛应用于成形加工性能良好的汽车构架、车轮等汽车结构件[4]。目前对QStE340TM的研究多为成形性能和点焊性能。彭扬文对汽车用钢QStE340TM进行了电阻点焊实验，研究了不同焊接电流及压力对QStE340TM电阻点焊接头性能的影响等[5]。杨泰波等人建立了反映焊缝、热影响区和母材3部分结构的焊管有限元模型，采用应变增量比作为数值仿真中的颈缩判据，计算出液压成形条件下QSTE340TM焊管的成形极限曲线，并利用数值仿真的工艺路径完成了QSTE340TM焊管成形极限的实验测定[6]。

因此，本文以汽车常用规格的QStE340TM板料为研究对象，采用轴向应变控制进行低周疲劳实验。参照材料力学性能参数，研究了在应变比R= −1状态下QStE340TM的滞回曲线、循环应力-应变曲线、应变-寿命曲线，并对疲劳断口形貌进行分析，为QStE340TM在汽车结构件的寿命估算和抗疲劳设计提供实验数据。

1.   实验材料及方法

1.1   实验材料

实验材料为厚度为2.5mm的QStE340TM板料，化学成分见表1。图1是根据GB/T15248—2008“金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法”设计的低周疲劳试样[7]，平行段长度为15 mm，试样在线切割机上进行加工。

1.2   实验方法

QStE340TM板料力学性能在Zwick Z100电子拉伸试验机上进行，拉伸试样尺寸如图2所示。测定材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率，为疲劳性能实验选取合适的实验参数提供依据。力学性能如表2所示。

低周疲劳实验在MTS landmark疲劳试验机上进行，按照“ASTM E 606-92 Standard Practice for Strain-controlled Fatigue Testing”[8]，采用应变控制，在低周情况下，三角波测试频率为2 Hz，应变比为R=−1；按照GB/T 15248—2008 “金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法”，一般需要20根试样；按照GB/T 26077—2010“金属材料疲劳实验轴向应变控制方法”[9]，得到的疲劳应变-寿命曲线在循环周次上最少应覆盖3个数量级。实验以峰值载荷下降25%或者试样断裂为失效判据，最终获得Manson-Coffin方程并绘制QStE340TM的应变-寿命曲线。

由于试样厚度较薄，在拉压加载循环实验中容易发生失稳破坏，导致实验无法顺利进行，因此在实验过程中使用防屈曲装置，防止板料发生压向失稳。

2.   实验结果及分析

2.1   应力-应变迟滞回线

图3为QStE340TM钢在不同应变幅条件下的应力-应变迟滞回线。迟滞回线所包围的面积代表材料塑性变形时外力所做的功，也表示材料抵抗循环变形的能力。由图3可以看出，应变幅为0.25%的迟滞回线所包围的面积最小，而应变幅为1.0%的迟滞回线所包围的面积最大。随着应变幅的增加，迟滞回线的面积也越大，说明QStE340TM钢在塑性变形时，吸收的塑性应变能就越大，抵抗循环变形的能力增强，可以防止材料突然发生断裂。

2.2   循环应力响应特征曲线

循环应力响应特征曲线与静态拉伸曲线进行比较，是判断QStE340TM这一钢种发生循环硬化或循环软化的标志。图4为QStE340TM在不同应变幅条件下的循环应力响应曲线。由图4可知，在应变幅为0.8%，QStE340TM表现为循环软化，随着循环周次的增加，发生循环软化。这是由于在循环变形初期位错密度增加，随着循环变形的继续，位错密度逐渐降低，使得位错间的相互制约作用减弱，宏观上表现出循环应力的降低。在应变幅大于0.8%以上，QStE340TM表现为循环硬化。

2.3   应变-寿命曲线

图5给出了QStE340TM总应变幅、塑性应变幅和弹性应变幅与疲劳寿命关系曲线。由图5可以看出，QStE340TM低周疲劳寿命随应变幅范围的增大而逐渐降低，而且塑性应变幅-寿命曲线和弹性应变幅-寿命曲线相交于一点，此点所对应的低周疲劳寿命被称为过渡疲劳寿命NT，当疲劳寿命＞NT时，弹性应变对疲劳的贡献大于塑性应变，即材料的强度对疲劳抗力起主要作用；当疲劳寿命＜NT时，塑性应变对疲劳的贡献大于弹性应变。

2.4   断口分析

为了研究QStE340TM的疲劳破坏规律，利用扫描电镜对疲劳断口形貌进行分析。图6为QStE340TM在应变幅为0.4%的断口形貌。图6（a）为断口宏观形貌，可以看出断口分为3个区域，分别为裂纹萌生区、裂纹扩展区瞬断区。裂纹在试样的表面萌生并向外扩展。图6（b）是裂纹扩展区的形貌，裂纹扩展区的断口表面比较光滑，这是由于在裂纹萌生初期，试样裂纹两面在交变应力作用下发生挤压，形成光滑区。该区可以明显观察到有近似平行的疲劳辉纹。图6（c）是瞬断区形貌，这一区域均匀分布了大量韧窝，显现出韧性断裂的微观特征，形成这一特征的原因是材料经过塑性变形产生空洞，经形核、长大和聚集，最终相互连接，达到强度极限后发生断裂，这表明QStE340TM在经历疲劳变形后，最终的断裂为韧性断裂。

QStE340TM这一材料的疲劳破坏是由于在试样表面出现小裂纹，造成应力集中，在循环应力的持续作用下，裂纹越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，最终QStE340TM试样发生破坏。

3.   结束语

（1）本文研究了QStE340TM板材在等幅应变控制方式下的的低周疲劳性能，通过对应力-应变迟滞回线和循环应力响应特征曲线的研究发现QStE340TM具有较好的塑形变形能力，可以有效预防瞬间断裂，并且QStE340TM材料在小于应变幅0.8%条件下表现为循环软化，大于应变幅0.8%表现为循环硬化。

（2）通过对Manson-Coffin方程的曲线拟合，获得了QStE340TM疲劳寿命预测公式，为高强钢的疲劳性能分析和寿命预测提供了理论依据。

（3）QStE340TM试样疲劳断口在试样表面出现裂纹源，且发生扩展；断裂方式为韧性断裂。QStE340TM的微观分析，有助于对QStE340TM断裂机理深入理解，对新钢种的研发和应用起到指导作用。

参考文献

[1]唐荻, 米振莉, 陈雨来. 国外新型汽车用钢的技术要求及研究开发现状. 钢铁, 2005,40(6):1

[2]王存宇, 杨洁, 常颖, 等. 先进高强度汽车钢的发展趋势与挑战. 机械强度, 2019,2:1

[3]李扬, 刘汉武, 杜云慧, 等. 汽车用先进高强钢的应用现状和发展方向. 材料导报, 2011,25(13):101

[4]王溪钢. 热轧酸洗板QStE340TM的生产工艺及组织性能. 金属世界, 2019(1):76

[5]彭扬文, 王银军. 焊接电流和压力对QStE340TM电阻点焊接头性能的影响. 热加工工艺, 2017,8(15):231

[6]杨泰波, 于忠奇, 许长宝, 等. 焊管液压成形极限的数值仿真分析. 上海交通大学学报, 2011,45(1):6

[7]中国航空工业总公司. GB/T 15248—2008 金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008

[8]ASTM E 606-12 Standard Test Method for Strain-controlled Fatigue Testing[S]. United States: ASTM, 2015
[9]中国航空工业总公司. GB/T26077—2010金属材料疲劳实验轴向应变控制方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010

文章来源——金属世界