供稿|韩丹，孟庆刚 /

作者单位：本钢技术研究院, 辽宁 本溪 117000

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。

实验材料及方法

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。

表1 QStE340TM 的化学成分(质量分数，%)

图1 疲劳试样尺寸

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。

图2 拉伸试样尺寸

表2 QStE340TM 力学性能

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。

实验结果及分析

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。

图3 QStE340TM 疲劳迟滞回线

应力-应变迟滞回线

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。

图4 QStE340TM 循环应力响应曲线

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。

图5 QStE340TM 应变-寿命曲线

应变-寿命曲线

对于总应变控制的低周疲劳循环变形，材料的应变疲劳寿命常用Coffin-Manson 公式(1) 来表达，即：

按照ASTM E606，拟合疲劳寿命曲线采用计算弹性应变幅值和塑性应变幅值。试件的总应变幅值和弹性应变幅可由机器实时测得。通过公式(2)可计算出塑性应变幅值。

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。

图6 QStE340TM 低周疲劳微观断口形貌

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。

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。