苏洪英， 刘仁东， 芦延鹏， 丁庶炜， 李萧彤， 张 南

(鞍山钢铁集团有限公司技术中心， 鞍山 114009)

疲劳破坏为汽车结构和部件失效的主要形式之一，汽车在日常行驶过程中，受气流、路况等外界因素的影响往往会在车身上产生循环载荷，经过长时间的作用车身部件就会产生裂纹甚至发生疲劳断裂。车身耐久性已成为当前汽车设计必须考虑的性能指标之一。

大多数情况下汽车板主要承受拉伸载荷作用，因此拉-拉疲劳性能(应力比R>0)是考核的主要指标，研究者们也为此作了大量工作[1-6]。但在实际应用中，汽车薄板也常处于拉-压应力状态，为避免压缩载荷引起薄板疲劳试样弯曲失稳、打弯而导致瞬间失稳[1-2]，从而测不到试样的真实疲劳寿命和疲劳断口，使得试验失效，很多研究者们在拉-压疲劳试验过程中安装了防屈曲变形的装置。GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》给出了抗屈曲约束装置，但同时也强调不鼓励使用抗屈曲约束装置。为此，笔者在不安装防屈曲装置的情况下，针对不同厚度、不同强度级别的薄板，设计不同试验段宽度、不同平行长度、不同圆弧半径的疲劳试样，进行应力比R=-1的疲劳试验，在试样不发生屈曲的条件下，通过相同应力水平下不同疲劳试样尺寸的疲劳寿命循环次数，设计合适的疲劳试样形状和尺寸，避免了安装防屈曲装置引入的摩擦力导致试验偏差，以及因试样发热、试验频率过低而导致的试验时间过长、试验效率过低等问题。

1 试验方法

1.1 试验原理

试验段宽度b是影响疲劳试验结果的参数之一，宽度选择的条件是保证试样上的所有点为单轴应力状态。当宽度b≥6a(a为试样厚度)时，在试样的中心产生横向力矩，并将出现平面应变状态。处于平面应变状态的试样受三向拉应力作用，材料会变脆，试样极易断裂。当试样宽度增加时，各危险点应力状态的性质不同，将导致在相同材料中和相同条件下一些试样的破坏从中心开始，而另一些试样的破坏从边缘开始[8]。因此，设计试验段宽度b≤6a进行试验验证。

为避免薄板在拉-压疲劳试验中产生屈曲，应使设计的疲劳试样刚度尽可能大。对于单轴应力状态试样，其轴向刚度k的计算式如下：

(1)

式中:A为试样的面积；E为试样的弹性模量；Lc为试样的平行长度。

为使刚度k尽可能大，在试样厚度a和弹性模量E不变的情况下，应使b/Lc尽可能大。试验时上下夹头完全夹紧，夹持段材料的流动完全被夹头限制。如果试样比较宽，即b/Lc足够大时，宽试样的两边为自由边，在宽度方向上没有限制，处于单向拉伸应力状态。从宽试样两边到宽试样中心部位，材料在宽度方向上受到两边材料的限制逐渐加强，在正中心处宽度方向受到的限制最强，沿试样宽度方向产生拉应力，这部分材料处于平面应变的受力状态[7-8]。为保证试样上的所有点受单轴应力作用，设计试验段宽度b≤10a进行试验验证。为避免平行长度太长而降低试样刚度，设计试样b≤Lc≤5b进行试验验证。

1.2 试验方案

常见矩形横截面疲劳试样形状分为圆弧形和等截面形疲劳试样两种，如图1所示。

图1 疲劳试样示意图Fig.1 Schematic diagram of fatigue specimens: a) the uniform-gage fatigue specimen; b) the hour-glass fatigue specimen

分别选取厚度较薄、强度较低的0.8 mm厚的210P1高强度无间隙原子钢和厚度较厚、强度较高的1.4 mm厚的DP780双相钢，在圆弧半径相同的情况下，制备出不同试验段宽度、不同平行长度的疲劳试样，进行不同应力水平、R=-1的疲劳试验。在试验频率相同的情况下，通过相同应力幅应力水平下不同尺寸试样的疲劳寿命，确定合适的试验段宽度和平行长度。疲劳试样试验段宽度和平行长度确定后，设计不同圆弧半径的疲劳试样，同样进行不同应力水平、R=-1的疲劳试验，在相同的应力循环形式下，即比对不同圆弧半径试样的疲劳寿命，即相同应力水平下不同圆弧半径试样的循环次数，确定合适的圆弧半径。表1为210P1钢和DP780钢的拉伸性能。

表1 210P1钢和DP780钢的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of 210P1 steel and DP780 steel MPa

1.2.1 试验段宽度和平行长度的确定

在圆弧r=7a的情况下，等截面试样设计8组不同疲劳试样尺寸，共计24种疲劳试样尺寸，即第1组：b=a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第2组：b=2a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第3组：b=3a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第4组：b=4a，Lc=b、2b、3b、4b、5b；第5组：b=5a，Lc=b；第6组：b=6a，Lc=b；第7组：b=8a，Lc=b；第8组：b=10a，Lc=b。通过相同应力水平下不同尺寸试样的循环次数，确定合适的疲劳试验段宽度b和平行长度Lc。

X考虑到圆弧形试样刚度小，正中心处宽度部分的材料处于平面应变状态，仅验证一种试样形状和尺寸，b=10 mm，r=60 mm。

1.2.2 圆弧半径的确定

疲劳试样试验段宽度和平行长度确定后，考虑到圆弧半径太小，容易产生应力集中，设计r=3a、7a、10a、15a，通过相同应力水平下不同圆弧半径试样的循环次数，确定合适的圆弧半径。

2 试验结果与讨论

2.1 试样试验段宽度和平行长度的试验验证

2.2.1 厚度为0.8 mm的210P1钢

厚度为0.8 mm的210P1钢，应力幅选取从升降法的低应力水平到成组法的高应力水平，不同尺寸疲劳试样试验结果见表2。

表2 210P1钢不同尺寸疲劳试样在不同应力下的疲劳试验结果Tab.2 Fatigue test results of different sizes fatigue specimens of 210P1 steel under different stresses 次

表2中循环次数后加*是表示试样断后翘曲，翘曲试样如图2所示。由表2可知，当应力幅为180 MPa时，8a×b、10a×b等截面试样断后翘曲，圆弧形试样屈曲，主要原因是试样过宽，正中心处宽度部分的材料处于平面应变状态，因此试样很快断裂并翘曲。因此,圆弧形试样不适用于应力比R=-1的疲劳试验。4a×5b等截面试样也出现断后翘曲，一方面是试样的平行长度过长，导致试样刚度降低，另一方面则是试样稍宽。5a×b和6a×b试样未到规定次数断裂，主要原因是试样稍宽，但因为平行长度Lc短，试样刚度好，因此循环次数高于8a×b、10a×b试样的。其余尺寸的疲劳试样均未断裂。

图2 疲劳试样断后翘曲宏观形貌Fig.2 Macro morphology of warpage after fracture of the fatigue specimens: a) the hour-glass fatigue specimen; b) the uniform-gage fatigue specimen with 10a×b

应力幅为190 MPa时，a×b、a×2b、2a×b、2a×2b、3a×b、3a×2b、4a×b试样均未断裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b试样断后翘曲，其余尺寸试样均断裂，且在试样宽度相同的情况下，随平行长度的增加循环次数减少，原因是试样刚度降低。

应力幅为200 MPa时，由于载荷增加，所有试样均断裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b试样断后翘曲，且在试样宽度相同的情况下，随平行长度的增加循环次数减少。

应力幅为210 MPa时，所有试样均断裂，4a×3b、4a×4b、4a×5b、8a×b、10a×b试样在载荷较低时就断后翘曲。4a×2b、5a×b、6a×b试样断后翘曲，主要原因是试样过宽，处于平面应变状态。

应力幅为220 MPa时，所有试样均断裂。2a×4b、a×b、4a×2b试样循环次数显著降低，主要原因是试样过宽和平行长度过长。

2.2.2 厚度为1.4 mm的DP780钢

依据210P1钢的试验结果，等截面试样DP780钢仅验证如下9种试样尺寸。第1组：b=a，Lc=b、2b、3b；第2组：b=2a，Lc=b、2b、3b；第3组：b=3a，Lc=b、2b、3b；第4组：b=4a，Lc=b、2b、3b。圆弧形试样尺寸同210P1钢。应力幅选取从升降法的低应力水平到成组法的高应力水平，DP780钢不同尺寸疲劳试样试验结果见表3。

表3 DP780钢不同尺寸疲劳试样在不同应力下的疲劳试验结果Tab.3 Fatigue test results of different sizes fatigue specimens of DP780 steel under different stresses 次

由表3可知，应力幅为270 MPa时，等截面试样均未断裂，圆弧形试样断后翘曲，循环次数分别为96和23次。

应力幅为290 MPa时，a×b、a×2b、a×3b、2a×b、2a×2b、2a×3b、3a×b、3a×2b、3a×3b、4a×b、4a×2b等截面试样循环次数大致相当；4a×3b循环次数显著降低，主要原因是试样稍宽。

应力幅为350 MPa时，a×b、a×2b、a×3b、2a×b、2a×2b、2a×3b、3a×b、3a×2b、3a×3b、4a×b等截面试样循环次数大致相当；4a×2b、4a×3b循环次数显著降低，主要原因也是试样稍宽。

2.2 圆弧半径的验证

210P1钢等截面疲劳试样，设计b=1.6 mm，Lc=2.0 mm；DP780钢等截面疲劳试样，设计b=3.0 mm，Lc=4.0 mm。圆弧半径分别设计r=3a、7a、10a、12a、15a，进行相同应力循环形式下的R=-1疲劳试验进行验证。210P1钢及DP780钢的验证试验结果见表4。由表4可知，对于210P1钢和DP780钢，当10a

表4 210P1钢及DP780钢的不同圆弧半径试样的验证试验结果Tab.4 Verification test results of different arc radius specimens of 210P1 steel and DP780 steel 次

3 结论

对于厚度为0.8～3 mm的汽车薄板，为避免汽车薄板在拉-压疲劳试验中出现的屈曲问题，应使设计的疲劳试样刚度尽可能大。在圆弧半径相同的情况下，当试验段宽度b>3a、试样平行长度Lc>3b时，在相同的应力循环下疲劳寿命显著降低；在试验段宽度和平行长度相同的情况下，当10a