TRIP钢板电阻点焊接头的疲劳性能

于燕，杨海峰，刘云旭

（长春工业大学先进结构材料省部共建教育部重点实验室，长春 130012）

0 引言

TRIP钢是目前最具发展潜力的新一代汽车用钢，具有高的屈服强度、抗拉强度和延展性，可减轻车重，降低油耗，而且冲压成形能力高，能够抵御撞击时的塑性变形，显著提高汽车的安全等级［1－2］。

近年来，汽车白车身部件的连接出现了许多新的方法，如激光焊接、粘接等，但是电阻点焊仍然是最主要的连接方式。一般情况下，一辆轿车的白车身上约有3 000个焊点。TRIP钢由于存在相变诱发塑性（TRIP效应），具有较好的韧性、延展性及疲劳性能。但电阻点焊焊点周围存在较严重的应力集中，疲劳裂纹易于在此处形成并扩展。车身结构的大部分疲劳失效都发生在焊点或者焊点周围，焊点的局部失效会降低整车的各种性能指标，包括刚度、振动、噪声以及车辆耐久性等［3］。

目前，对于TRIP钢板点焊接头疲劳性能的研究较少。故作者对TRIP800钢板进行了电阻电焊，并对母材、点焊接头进行了疲劳试验，获得了它们的的载荷与疲劳寿命曲线，并对疲劳断口进行观察，分析了影响疲劳极限的因素，探讨了TRIP钢板电阻点焊接头的疲劳性能。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用TRIP800钢板厚1.8 mm，其显微组织主要由铁素体（F）、超级贝氏体（B+F）和残余奥氏体（γ）组成，如图1所示。试验钢的主要化学成分（质量分数/%）为 0.22C，0.021P，1.87Mn，1.54Si，0.050Al，＜ 0.005S;其抗拉强度为 915.73 MPa，屈服强度为 585.8 MPa，伸长率为17.5%。TRIP钢板母材、点焊接头的疲劳试样按日本标准JISZ 2273－1987和JISZ 3138－1989制取，尺寸如图2，3所示。点焊参数:电极压紧力4.0 kN，焊接时间20周波（1周波=0.02 s），焊接电流 8.0 kA。

图1 试验用TRIP800钢板的显微组织Fig.1 Microstructure of test TRIP800 steel p late

图2 母材疲劳试样的尺寸与形状Fig.2 Size and shape of basemetal fatigue sample

1.2 试验方法

根据 JIS Z2273－1987和 JISZ 3138－1989，在EHF－UM100K（SHIMADZU）型电液伺服静疲劳试验机上进行疲劳试验。试验加载方式为剪切拉伸，循环载荷比R=0，加载频率为8 Hz，加载波形为正弦曲线，试验温度为室温（19～21℃），空气环境。

图3 点焊接头疲劳试样的尺寸与形状Fig.3 Size and shape of spotwelded joint fatigue sample

在DM2500型体视显微镜上观察点焊接头的宏观形貌;采用FM－700型显微硬度计测点焊接头的显微硬度，加载载荷0.98 N，加载时间10 s;采用FV1000型共聚焦显微镜和 JSM－5600LV型扫描电镜观察点焊接头的显微组织和疲劳断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 点焊接头的形貌与硬度

从图4中可以清晰地看到点焊接头三个区域的分布，即熔核（SN）、热影响区（HAZ）和母材（BM），接头熔核区没有裂纹、缩孔等内部缺陷，熔核内部质量良好;熔核和母材的分界线明显，熔核未发生偏移。由图5可见，TRIP800钢熔核和热影响区的硬度比母材的高了很多，达到500 HV以上，导致材料变得硬而脆;热影响区的硬度比熔核的略高。虽然热影响区的加热温度比熔核的低，但没有受到塑性变形再结晶细化晶粒的影响，因此奥氏体晶粒比较粗大，转变形成的板条马氏体也粗大，导致热影响区的硬度比熔核的略高。

图4 点焊接头横截面形貌Fig.4 Macrograph of cross-section of spot welded joint

图5 点焊接头的显微硬度分布Fig.5 Microhardness of spotwelded joint

从图6可以看到，点焊接头的组织与母材的大不相同，其熔核区组织为板条状马氏体，热影响区为马氏体、铁素体及高温回火贝氏体组织。

2.2 疲劳性能

由图7可知，母材与点焊接头的疲劳极限分别为560，50 MPa。运用最小二乘法拟合出循环应力－循环次数（S-N）曲线的左支直线方程作为TRIP800钢母材与点焊接头的疲劳经验公式:

式中:σi为第i级应力水平的应力值;lg Ni为σi下的对数平均寿命;a，b为与材料相关的系数。

图6 点焊接头的显微组织Fig.6 Microstructure of spot welded joint:（a）nugget and（b）heat affected zone

图7 母材与点焊接头的疲劳S-N曲线Fig.7 Fatigue S-N curves of basemetal and spot welded joint:（a）basemetal;（b）spot welded joint

对疲劳试验数据进行处理，并参考文献［4］，经计算、整理后得到疲劳极限，如表1所示。相关系数绝对值越接近1，则疲劳经验公式准确性越高。

点焊接头的疲劳寿命仅为母材的1/10左右。主要原因有以下两点。其一，TRIP钢板的组织由铁素体、超级贝氏体和残余奥氏体组成，其延展性、韧性较好，故疲劳极限相应较高;在疲劳试验过程中，由于相变诱发塑性（TRIP效应）的产生，组织中的残余奥氏体首先转变为马氏体，当残余奥氏体转变完全后，铁素体才会发生组织转变，这在很大程度上延缓了疲劳裂纹的形成，从而使得TRIP钢板具有较高的疲劳性能。其二，点焊接头的应力集中较高、缺口效应严重，造成点焊接头疲劳性能较差;TRIP钢板经点焊后基体组织大部分转变为脆性的马氏体，硬度较高，在疲劳试验过程中易于疲劳裂纹的萌生和扩展。

由图8中可以看到，点焊接头的疲劳裂纹起源于焊点与母材交界的热影响区，而且焊点的失效是由贯穿板厚的裂纹扩展造成的。这是因为热影响区的金属过热，且没有受到塑性变形再结晶细化晶粒的影响，奥氏体晶粒比较粗大，从而形成了粗大的马氏体，应力集中更为明显，疲劳裂纹更易于形成和扩展。

表1 疲劳试验数据处理结果Tab.1 fatigue test data processing results

图8 点焊接头疲劳裂纹扩展的宏观形貌Fig.8 Macrograph of fatigue crack propagation on spot welded joint

2.3 疲劳断口形貌

从图9中可以看到，母材试样的疲劳源均位于外表面的缺陷处;而由于缺口应力集中作用，点焊接头的疲劳源位于缺口附近的微观缺陷处。虽然夹杂物的存在使得滑移带在很高应力下才能产生，但它也会产生很高的应力集中，导致低应力下也能出现局部的范性变形，使裂纹在夹杂物和基体的界面上萌生，或由于夹杂物的断裂导致裂纹萌生，即形成裂纹源。海滩状花纹（箭头所示）围绕着夹杂物产生，说明裂纹是以解理方式扩展的。

图9 不同试样疲劳裂纹源的SEM形貌Fig.9 SEMmorphology of fatigue crack source in different sam ples:（a）basemetal and（b）spot welded joint

由图10（a）可以看到，母材的裂纹扩展区为韧性断裂，且裂纹扩展区存在大量尺寸不等的等轴韧窝，部分韧窝中存在微小的夹杂物或第二相质点。大量等轴韧窝的形成是由于断面承受单轴拉伸应力，夹杂物或脆性第二相与基体界面脱离所致;韧窝大小各不相同，是由于第二相或夹杂物的形状、大小不同，各区域应力状态不同造成的。另外，TRIP钢较纯净并且形变硬化指数值低，这也使得它比一般钢种产生的韧窝更大、更深。由图10（b）可见，点焊接头的疲劳裂纹扩展区表现为脆性断裂的特征，在断口上几乎看不到韧窝，而可以看到明显的撕裂棱，这与点焊接头形成的脆性马氏体相关。

图10 不同试样疲劳裂纹扩展区的SEM形貌Fig.10 SEMmorphology of fatigue crack propagation region in different sam p les:（a）basemetal and（b）spotwelded joint

由图11可见，在母材与点焊接头的瞬断区均可见光亮凸起的撕裂棱，除了个别的位置外根本看不到韧窝，为明显的脆性断裂特征。撕裂棱是由微区塑性变形生成的，撕裂棱相当于塑性材料拉伸时的缩颈。相对而言，点焊接头因为组织淬硬性较高，造成撕裂棱高和宽都比母材的大。

3 结论

图11 不同试样疲劳裂纹瞬断区的SEM形貌Fig.11 SEMmorphology of fatigue crack transient region in different samp les:（a）basemetal and（b）spot welded joint

（1）TRIP800钢板点焊接头熔核区组织为板条状马氏体，热影响区为马氏体、铁素体及高温回火贝氏体组织，与母材的组织有很大不同;熔核区和热影响区的硬度比母材的高。

（2）点焊接头的缺口效应严重，且组织为大量脆性马氏体，使得点焊接头的疲劳寿命明显降低，只有母材的1/10左右。

（3）母材的疲劳源均位于试样外表面的缺陷处，由于缺口应力集中作用，点焊接头的疲劳源位于缺口附近的微观缺陷处，夹杂物的存在仍然是裂纹萌生的主要原因;母材的疲劳扩展区表现为韧性断裂，点焊接头表现为脆性断裂;它们的瞬断区都表现为脆性断裂。

［1］SUN Xin，STEPHENSE V，KHALEE1 MA.Effects of fusion zone size and failure mode on peak load and energyabsorption of advanced high strength steel spotwelds underlap shear loading conditions［J］.Engineering Failure Analysis，2007，136:1－12.

［2］叶平，沈剑平，王光耀，等.汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势［J］.机械工程材料，2006，30（3）:4－7.

［3］DONDERSS，BRUGHMANSM，HERMANSL.The effectof spot weld failure on dynamic vehicle performance［J］.Sound and Vibration，2005，39:16－25.

［4］姚卫星.结构疲劳寿命分析［M］.北京:国防工业出版社，2003.