低合金高强钢B340LA低周疲劳性能研究

供稿|韩丹，赵广东/ HAN Dan, ZHAO Guang-dong

随着汽车技术的发展，各大钢厂越来越重视汽车用钢动态性能的研究。汽车在行驶过程中，汽车构件会产生持续的振动，在承受循环荷载作用下产生应力集中，逐步产生疲劳损伤，最终导致断裂。疲劳与断裂是构件失效的主要形式之一，也是导致汽车车身承载结构早期破坏的主要原因[1]。对于汽车用钢的研发及生产，除了要考虑材料的静态性能，还应对疲劳性能进行分析。因此，本文对牌号B340LA低合金高强钢的低周疲劳性能进行了实验研究。从循环应力-应变曲线、循环应力响应特征、应力-应变迟滞回线方面进行了分析，拟合出B340LA的循环应力-应变关系方程及应变-寿命关系方程，估算疲劳过渡寿命。弥补了对B340LA的研究多集中在焊接及静态性能方面，在疲劳性能方面的研究匮乏[2,3]的缺憾。不仅可以用于指导B340LA在汽车结构方面的开发及应用，也为汽车用钢合理选材提供了依据。

实验材料及方法

实验材料

实验材料采用本钢生产的冷轧低合金高强钢B340LA，板厚2.0 mm，力学性能见表1。

表1 B340LA力学性能

疲劳试样尺寸如图1所示。

实验方法

疲劳实验按照GB/T15248－2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法》要求进行。在Instron E10000动静态拉伸试验机上进行，实验过程采用控制总应变范围，轴向应变幅范围取0.15%～1.5%。实验频率为0.5～2 Hz，应变比R为-1，实验在室温中进行。

图1 低周疲劳试样尺寸(mm)

结果与分析

循环应力响应特征

B340LA的循环应力响应特征曲线，详见图2。应力幅△σ/2为拉应力和压应力峰值的平均值。

图2 B340LA的循环响应特征曲线

由图2可看出，当应变幅△εt/2低于0.30%时，材料在初始阶段表现出循环硬化，达到循环应力峰值后出现循环软化。随着循环次数的增加，材料在之后的很长寿命阶段内趋于循环稳定。当应变幅△εt/2高于0.40%时，材料在初始阶段表现出循环软化，随着循环次数的增加，趋于循环稳定状态。不论是高应变幅还是低应变幅，当循环次数增大到一定周次时，循环应力开始减小，直至试样断裂。

综上所述，虽然B340LA在初始阶段表现出先循环硬化后循环软化或是只出现循环软化，但对于整个疲劳寿命而言，材料表现为循环稳定。这一特性有利于材料在承受较大的循环载荷时保持较长寿命，不至于过早发生断裂或失效。

循环应力－应变曲线

循环应力-应变曲线反映了低周疲劳条件下的真实应力-应变的特性。材料的循环应力-应变曲线，可以通过公式(1)表达：

式中△σ/2为应力幅，K为循环强度系数，△εp/2为塑性应变幅，n为循环应变硬化指数。

B 3 4 0 L A低周疲劳循环应力-应变曲线，详见图3。对图3中数据进行拟合，确定出K=680.99 MPa，n=0.121，将这两个参数代入公式(1)中，可得到B340LA的循环应力-应变曲线方程△σ/2= 680.99(△εp/2)0.121。

图3 循环应力-应变曲线

应力-应变迟滞回线

材料的应力-应变迟滞回线，表征在一个循环周次内材料所吸收的塑性应变能。通常将其作为判断材料损伤的一个重要指标。因为当材料受到的载荷超过其屈服强度时，可以通过塑性变形来吸收能量，使载荷在局部重新分布，达到防止构件发生突然断裂[4]的目的。

B340LA在不同应变幅时的循环迟滞回线，详见图4。我们可以清楚地看到，试样的循环应力-应变滞后曲线闭合、光滑、对称性好，说明实验控制过程良好。当应变幅△εt/2低于0.30%时，循环初始阶段的迟滞回线近似为一条直线，此时材料发生弹性变形，塑性应变能几乎为零。随着循环次数的增加，迟滞回线的宽度及面积增大，产生塑性变形。当应变幅△εt/2高于0.40%时，初始循环就产生了塑性变形。可见，随着应变幅的增大及循环周次的增加，B340LA的迟滞回线宽度增大，滞后回线面积越大，材料塑性应变能增加，抵抗破坏能力也增强，可以防止试样发生突然断裂。

图4 不同应变幅下的迟滞回线

应变-寿命曲线

B340LA的△εt/2-2Nf、△εe/2-2Nf和△εp/2-2Nf曲线，详见图5。可以看出，△εe/2-2Nf曲线和△εp/2-2Nf曲线线相交于一点2Nt，即疲劳过渡寿命，是评价材料低周疲劳性能的关键指标之一，主要取决于材料的强度和塑性。

当2Nf＜2Nt时，塑性应变幅大于弹性应变幅，此时的疲劳强度由塑性变形控制，可防止变形局域化，降低了裂纹早期萌生的概率，获得良好的低周疲劳性能。相反，当2Nf＞2Nt时，弹性应变幅大于塑性应变幅，此时疲劳强度主要取决于材料的强度，弹性变形对疲劳寿命起主要作用。

因此，预测材料的疲劳寿命是研究低周疲劳性能的重点。低周疲劳的应变与寿命关系可用Basquin公式和Manson-Coffin公式表示，其关系可写成：

式中，△εt/2为应变幅；σf′为疲劳强度系数，MPa；b为疲劳强度指数；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数；2Nf为疲劳寿命；E为弹性模量，MPa。通过对B340LA低周疲劳试验的应变-寿命数据进行拟合，得到疲劳性能参数的数值，详见表2。

将表2中的疲劳性能参数代入公式(2)中，得到B340LA应变-疲劳寿命曲线方程

图5 应变-寿命曲线

表2 B340LA低周疲劳性能参数

利用公式(3)可计算出B340LA疲劳过渡寿命，经计算2Nt=11714。

结论

通过一系列的实验和数据分析，我们可以清楚地看到低合金高强钢B340LA的低周疲劳性能。

1) 在整个疲劳过程中，低合金高强钢B340LA的循环响应特征表现为循环稳定。

2) 应变幅低于0.30%时，低合金高强钢B340LA先发生弹性变形，随着循环次数的增加逐渐产生塑性变形。应变幅高于0.40%时，B340LA在初始循环阶段就发生了塑性变形。

3) 随着应变幅的增大，疲劳循环次数的增加，低合金高强钢B340LA的塑性应变能增大，有利于预防材料突然断裂。

4) 低合金高强钢B340LA的循环应力与应变曲线方程为：△σ/2=680.99(△εp/2)0.121。低合金高强钢B340LA的应变与疲劳寿命关系方程为：△εt/2=0.00486(2Nf)-0.105＋0.3823(2Nf)-0.571。其疲劳过渡寿命2Nt为11714周。

[1] 黄金陵．汽车车身设计．机械工业出版社，2007．

[2] 唐炳涛，原政军．张保仪，等．B340LA与B1500HS钢激光拼焊板热冲压淬火性能．材料热处理学报，2013，34(2)： 62-66．

[3] 毛博文，孙晓屿，王武荣，等．预应变和应变速率对HC340LA低合金高强钢力学性能的影响．塑性工程学报，2014，21(1)： 7-12.

[4] 付常伟，邹春锋，吴彦国，等．345BH型钢高应变低周疲劳性能研究．莱钢科技，2010 (4)：53-56．