隨著汽車產業對輕量化要求的標準越來越高，各汽車廠采用高強鋼來實現輕量化目標，目前高強鋼被廣泛使用在大部分汽車零部件上。然而，汽車在行駛過程中，長期處在動態服役條件下，受到交變載荷的作用，會導致疲勞裂紋的產生甚至破壞，降低汽車的使用壽命[1-3]。因此疲勞性能是汽車選材、沖壓成形過程中的重要指標，直接涉及車體的使用性能和安全性能。

QStE340TM以其較高的強度、良好的沖壓成形性能和焊接性能，廣泛應用于成形加工性能良好的汽車構架、車輪等汽車結構件[4]。目前對QStE340TM的研究多為成形性能和點焊性能。彭揚文對汽車用鋼QStE340TM進行了電阻點焊實驗，研究了不同焊接電流及壓力對QStE340TM電阻點焊接頭性能的影響等[5]。楊泰波等人建立了反映焊縫、熱影響區和母材3部分結構的焊管有限元模型，采用應變增量比作為數值仿真中的頸縮判據，計算出液壓成形條件下QSTE340TM焊管的成形極限曲線，并利用數值仿真的工藝路徑完成了QSTE340TM焊管成形極限的實驗測定[6]。

因此，本文以汽車常用規格的QStE340TM板料為研究對象，采用軸向應變控制進行低周疲勞實驗。參照材料力學性能參數，研究了在應變比R= −1狀態下QStE340TM的滯回曲線、循環應力-應變曲線、應變-壽命曲線，并對疲勞斷口形貌進行分析，為QStE340TM在汽車結構件的壽命估算和抗疲勞設計提供實驗數據。

1.   實驗材料及方法

1.1   實驗材料

實驗材料為厚度為2.5mm的QStE340TM板料，化學成分見表1。圖1是根據GB/T15248—2008“金屬材料軸向等幅低循環疲勞實驗方法”設計的低周疲勞試樣[7]，平行段長度為15 mm，試樣在線切割機上進行加工。

1.2   實驗方法

QStE340TM板料力學性能在Zwick Z100電子拉伸試驗機上進行，拉伸試樣尺寸如圖2所示。測定材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率，為疲勞性能實驗選取合適的實驗參數提供依據。力學性能如表2所示。

低周疲勞實驗在MTS landmark疲勞試驗機上進行，按照“ASTM E 606-92 Standard Practice for Strain-controlled Fatigue Testing”[8]，采用應變控制，在低周情況下，三角波測試頻率為2 Hz，應變比為R=−1；按照GB/T 15248—2008 “金屬材料軸向等幅低循環疲勞實驗方法”，一般需要20根試樣；按照GB/T 26077—2010“金屬材料疲勞實驗軸向應變控制方法”[9]，得到的疲勞應變-壽命曲線在循環周次上最少應覆蓋3個數量級。實驗以峰值載荷下降25%或者試樣斷裂為失效判據，最終獲得Manson-Coffin方程并繪制QStE340TM的應變-壽命曲線。

由于試樣厚度較薄，在拉壓加載循環實驗中容易發生失穩破壞，導致實驗無法順利進行，因此在實驗過程中使用防屈曲裝置，防止板料發生壓向失穩。

2.   實驗結果及分析

2.1   應力-應變遲滯回線

圖3為QStE340TM鋼在不同應變幅條件下的應力-應變遲滯回線。遲滯回線所包圍的面積代表材料塑性變形時外力所做的功，也表示材料抵抗循環變形的能力。由圖3可以看出，應變幅為0.25%的遲滯回線所包圍的面積最小，而應變幅為1.0%的遲滯回線所包圍的面積最大。隨著應變幅的增加，遲滯回線的面積也越大，說明QStE340TM鋼在塑性變形時，吸收的塑性應變能就越大，抵抗循環變形的能力增強，可以防止材料突然發生斷裂。

2.2   循環應力響應特征曲線

循環應力響應特征曲線與靜態拉伸曲線進行比較，是判斷QStE340TM這一鋼種發生循環硬化或循環軟化的標志。圖4為QStE340TM在不同應變幅條件下的循環應力響應曲線。由圖4可知，在應變幅為0.8%，QStE340TM表現為循環軟化，隨著循環周次的增加，發生循環軟化。這是由于在循環變形初期位錯密度增加，隨著循環變形的繼續，位錯密度逐漸降低，使得位錯間的相互制約作用減弱，宏觀上表現出循環應力的降低。在應變幅大于0.8%以上，QStE340TM表現為循環硬化。

2.3   應變-壽命曲線

圖5給出了QStE340TM總應變幅、塑性應變幅和彈性應變幅與疲勞壽命關系曲線。由圖5可以看出，QStE340TM低周疲勞壽命隨應變幅范圍的增大而逐漸降低，而且塑性應變幅-壽命曲線和彈性應變幅-壽命曲線相交于一點，此點所對應的低周疲勞壽命被稱為過渡疲勞壽命NT，當疲勞壽命＞NT時，彈性應變對疲勞的貢獻大于塑性應變，即材料的強度對疲勞抗力起主要作用；當疲勞壽命＜NT時，塑性應變對疲勞的貢獻大于彈性應變。

2.4   斷口分析

為了研究QStE340TM的疲勞破壞規律，利用掃描電鏡對疲勞斷口形貌進行分析。圖6為QStE340TM在應變幅為0.4%的斷口形貌。圖6（a）為斷口宏觀形貌，可以看出斷口分為3個區域，分別為裂紋萌生區、裂紋擴展區瞬斷區。裂紋在試樣的表面萌生并向外擴展。圖6（b）是裂紋擴展區的形貌，裂紋擴展區的斷口表面比較光滑，這是由于在裂紋萌生初期，試樣裂紋兩面在交變應力作用下發生擠壓，形成光滑區。該區可以明顯觀察到有近似平行的疲勞輝紋。圖6（c）是瞬斷區形貌，這一區域均勻分布了大量韌窩，顯現出韌性斷裂的微觀特征，形成這一特征的原因是材料經過塑性變形產生空洞，經形核、長大和聚集，最終相互連接，達到強度極限后發生斷裂，這表明QStE340TM在經歷疲勞變形后，最終的斷裂為韌性斷裂。

QStE340TM這一材料的疲勞破壞是由于在試樣表面出現小裂紋，造成應力集中，在循環應力的持續作用下，裂紋越來越大，材料中能夠傳遞應力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續傳遞負載時，最終QStE340TM試樣發生破壞。

3.   結束語

（1）本文研究了QStE340TM板材在等幅應變控制方式下的的低周疲勞性能，通過對應力-應變遲滯回線和循環應力響應特征曲線的研究發現QStE340TM具有較好的塑形變形能力，可以有效預防瞬間斷裂，并且QStE340TM材料在小于應變幅0.8%條件下表現為循環軟化，大于應變幅0.8%表現為循環硬化。

（2）通過對Manson-Coffin方程的曲線擬合，獲得了QStE340TM疲勞壽命預測公式，為高強鋼的疲勞性能分析和壽命預測提供了理論依據。

（3）QStE340TM試樣疲勞斷口在試樣表面出現裂紋源，且發生擴展；斷裂方式為韌性斷裂。QStE340TM的微觀分析，有助于對QStE340TM斷裂機理深入理解，對新鋼種的研發和應用起到指導作用。

參考文獻

[1]唐荻, 米振莉, 陳雨來. 國外新型汽車用鋼的技術要求及研究開發現狀. 鋼鐵, 2005,40(6):1

[2]王存宇, 楊潔, 常穎, 等. 先進高強度汽車鋼的發展趨勢與挑戰. 機械強度, 2019,2:1

[3]李揚, 劉漢武, 杜云慧, 等. 汽車用先進高強鋼的應用現狀和發展方向. 材料導報, 2011,25(13):101

[4]王溪鋼. 熱軋酸洗板QStE340TM的生產工藝及組織性能. 金屬世界, 2019(1):76

[5]彭揚文, 王銀軍. 焊接電流和壓力對QStE340TM電阻點焊接頭性能的影響. 熱加工工藝, 2017,8(15):231

[6]楊泰波, 于忠奇, 許長寶, 等. 焊管液壓成形極限的數值仿真分析. 上海交通大學學報, 2011,45(1):6

[7]中國航空工業總公司. GB/T 15248—2008 金屬材料軸向等幅低循環疲勞實驗方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008

[8]ASTM E 606-12 Standard Test Method for Strain-controlled Fatigue Testing[S]. United States: ASTM, 2015
[9]中國航空工業總公司. GB/T26077—2010金屬材料疲勞實驗軸向應變控制方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2010

文章來源——金屬世界