甘 露 金 一 张 梅

(1.上海汇众汽车制造有限公司技术中心，上海 200122; 2.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

汽车车身用材料的轻量化是实现汽车轻量化的有效途径之一，因此需研究开发汽车用高强度和超高强度钢板[1]。

CP800钢是第一代先进高强度钢，其组织为铁素体和贝氏体，具有高强度和较高的塑性，多用于汽车构件。汽车构件的疲劳寿命对于汽车的安全行驶起关键作用，因此有必要研究材料的疲劳性能。目前对CP800复相钢疲劳特性的研究较少，本文通过拉-压循环加载的疲劳试验研究了CP800钢的低周疲劳特性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为量产的CP800钢板，厚3.5 mm，化学成分及力学性能见表1、表2，显微组织为铁素体和贝氏体，晶粒细小。用拉伸法得到弹性段的应力幅σ和应变幅ε，根据σ=Eε计算得出弹性模量E为2.30×105MPa。

表1 研究用CP800钢的化学成分(质量分数)

表2 研究用CP800钢的力学性能

1.2 试验方法与试样

低周拉-压疲劳试验在MTS 730.02型电液伺服疲劳试验系统上按GB/T 15248—1994进行，加载波形为三角波，加载频率恒定，为1 Hz。

疲劳试样尺寸如图1所示。试验为轴向等幅拉-压，拉-压方向垂直于轧制方向，采用标距为10 mm的引伸计。采用M205C体视显微镜和扫描电镜观察分析疲劳试验试样的断口形貌和失效机制。

图1 低周疲劳试样尺寸

2 结果与讨论

2.1 试验数据

图2 滞后回线示意图

(1)

2.2 E-N曲线拟合

疲劳行为遵循Basquin公式(1)和Coffin-Manson公式(2)。采用式(1)、式(2)对应变数据进行拟合,获得应变疲劳参数。

(1)

(2)

对式(1)和式(2)进行对数处理,获得式(3)、式(4)。对式(3)、式(4)进行线性拟合，再根据拟合直线的斜率与截距得到疲劳延性系数εf′、疲劳延性指数c、疲劳强度系数σf′、疲劳强度指数b。

(3)

(4)

塑性应变幅、弹性应变幅与寿命反复数对数之间线性拟合结果见图3、图4。计算得到：εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107。根据式(1～3)可得式(5)，即预测构件低周疲劳循环次数的公式:

(5)

图关系曲线

图关系曲线

将拟合计算得到的疲劳参数代入式(5)，得到循环次数Nf与总应变Δεt之间的关系，即预测CP800钢低周疲劳寿命与寿命反复数对数之间的关系式(6)。绘制总应变幅、弹性应变幅和塑性应变幅曲线，如图5所示。过渡寿命Nt值(图5中两条拟合虚线交点的寿命)为材料从弹性变形向塑性变形转变的次数，CP800钢的过渡寿命为592次。

图5 log(Δεt)、log(Δεe)、log(Δεp)和log(2Nf)之间的关系

(6)

2.3 断口分析

图6为CP800钢疲劳试样断口的宏观形貌，图7为断口的扫描电镜照片。

图6表明，疲劳试样断口有明显的裂纹源A、扩展区B和瞬断区C。图6中A处的扫描电镜观察发现有多个裂纹源，如图7(a)和7(d)所示；图6中B区有许多“海滩状”的细小条纹从裂纹源处向外扩展，放大可见疲劳辉纹，如图7(b)和7(e)所示；图6中C区(深色区)存在明显的塑性变形，局部放大后的形貌见图7(c)和7(f)，为瞬断区，有大量深浅不一的韧窝。

图6 以0.6%和0.8%的应变幅疲劳试验后试样断口的宏观形貌

总体来看，试样均为多源疲劳失效。在裂纹扩展区可以观察到疲劳辉纹，并且随着应变幅的增大而增多，疲劳条带间距增大。这是由于平均应力与应变幅成正比关系，应变幅增大使平均应力增大，导致裂纹扩展速率增大[3]。

随着应变幅的增大，裂纹的扩展速率增大，如图7(b)所示，应变幅为0.6%时，试样断口的疲劳辉纹细密；相反，如图7(e)所示，以0.8%的应变幅疲劳试验的试样，疲劳辉纹间距变宽。在疲劳试验过程中，试样受到反复的拉-压载荷，裂纹萌生并扩展。随着裂纹扩展的加剧，试样的实际有效受力面积不断减小，导致其局部经受的真实应力增大，裂纹扩展速率也增大。真实应力增大到一定程度时，试样断裂，形成与扩展区形貌截然不同的瞬断区。微观形貌为：靠近疲劳源的裂纹扩展区辉纹密集，而近瞬断区的裂纹扩展区辉纹间隔较宽。宏观上，瞬断区面积较大，且用扫描电镜可观察到深浅不一的韧窝，表明塑性良好。

图7 以0.6%和0.8%的应变幅疲劳试验后试样断口裂纹源(a，d)、裂纹扩展区(b，e)和瞬断区(c，f)的扫描电镜图

2.4 循环应力

图8为以0.8%的应变幅疲劳试验不同周次后试样的滞后回线。图8表明，CP800钢的疲劳循环应力变化总体上是稳定的，开始至稳定阶段，应力稍有上升，后期则下降。

图8 以0.8%应变幅疲劳试验时循环硬化和软化现象的滞后回线和滞后回线的最大应力

在疲劳试验的初期，试样中较软的铁素体首先形变，在拉-压载荷的作用下铁素体内的位错密度增大[4]，位错环阻碍位错运动，且位错运动受到铁素体-贝氏体晶界的阻碍，导致在循环的开始阶段发生硬化。但在铁素体硬化达到峰值时，随后较硬的贝氏体在外力的作用下开始变形，导致原两相边界塞积的位错开始重新运动，从而发生软化。此外，贝氏体也提高了材料的硬化速率[5]。有关铁素体-贝氏体钢力学性能的研究发现，在外加载荷的作用下，硬相贝氏体在低周疲劳中仅发生弹性变形而不发生塑性变形，发生变形的铁素体由于应变协调作用，会在贝氏体和铁素体界面产生大量的应变协调位错，产生加工硬化[6]。由图8可知，以0.8%应变幅疲劳试验至第800次循环时，应力幅显著减小，表明材料明显软化。

有关铁素体-马氏体双相钢循环形变的研究表明[7]，材料会出现先硬化后软化的循环变化，并且当应变幅较大(Δε≥0.6%)时，软化出现的越早，软化程度越大；而小应变幅的应变不足以使马氏体完全变形，不会出现两相界面较显著的位错运动，因此不会明显软化。

3 结论

(1)CP800钢以-1的应力比(R)进行低周拉-压疲劳试验时，疲劳参数值分别为εf′=0.72，c=-0.779，σf′=2 269.4，b=-0.107，循环次数与应变的关系式为:

(2)CP800钢疲劳试样断口有多个裂纹源，裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹。

(3)CP800钢循环力学行为总体稳定，循环响应为前半个寿命期逐渐轻微硬化，随后迅速软化。