3种汽车大梁钢轴向加载低周疲劳性能的比较

(河钢集团唐钢公司, 唐山 063000)

随着人民生活水平的提高，汽车的使用越来越普遍，人们对汽车的使用性能也提出了更高的要求。耐久性作为汽车使用性能的一项重要指标受到汽车设计者的广泛关注，因此制造商在选用汽车制造材料时都会要求其供应商提供相应的疲劳性能数据。车架作为汽车重要的承载部件，其耐久性对于汽车的使用寿命和行车安全至关重要，车架的横纵梁通常选用大梁钢来制造，而大梁钢的疲劳性能数据对于分析车架的耐久性具有重要意义[1-4]。目前对大梁钢疲劳性能的研究主要集中在高周疲劳方面，而对其低周疲劳性能的研究报道较少[5-6]。为研究汽车大梁钢的轴向加载低周疲劳性能，笔者选取TCX420L，TCX510L，TCX610L 3种不同强度的大梁钢进行轴向加载低周疲劳性能测试，根据试验数据分析求得材料的应变-寿命曲线、循环应力-应变曲线及疲劳参数，并对材料的循环材料特性、Masing特性及过渡疲劳寿命进行了分析。

1 试验方法及试样制备

根据GB/T 15248—2008 《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》的技术要求，在室温(25 ℃)环境下使用INSTRON 8801型液压伺服疲劳试验机进行测试。采用应变控制方式，对每种大梁钢选取总应变幅为0.8%，0.7%，0.6%，0.5%，0.4%，0.3%，0.2%的7个应变水平进行测试，每个应变水平取3个有效试样进行数据拟合。疲劳试验的应变比为-1，应变控制的加载频率为0.4 Hz，试样的失效判据为位移变化±1 mm或加载力值下降10%。

从车间成品库取样，在板宽的1/4处，沿板材的轧制方向采用线切割加工出试样形状，并留出一定的加工余量，然后采用磨抛装置加工到标准要求的尺寸和精度。3种大梁钢采用相同尺寸的试样，其名义厚度均为3 mm，如图1所示。

图1 试样尺寸示意图Fig.1 Diagram of sample size

2 静态拉伸性能

材料的静态拉伸性能与其疲劳性能有一定的相关性[7]，因此首先测试每种材料的静态拉伸性能,用于汽车大梁钢循环材料特性的估计。根据GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的技术要求沿板材的轧制方向截取试样并进行拉伸试验。静态拉伸性能的测试结果如表1所示。可见3种汽车大梁钢中强度级别越高，其断后伸长率越低。

表1 3种大梁钢静态拉伸性能测试结果Tab.1 Test results of static tensile properties of three frame steels

3 试验结果及分析

3.1 应变-寿命曲线、循环应力-应变曲线及疲劳参数

(1)

式中：σ′f为疲劳强度系数；E为材料的弹性模量；b为疲劳强度指数。

(2)

式中：ε′f为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。

(3)

(4)

式中：K′为循环强度系数；n′为循环应变硬化指数。

对公式(1)，(2)，(4)两边取对数(以10为底的对数)，将试验所得的数据点采用最小二乘法进行线性拟合，即可求得相应的截距和斜率，然后通过截距和斜率即可求得疲劳强度系数σ′f，疲劳强度指数b，疲劳延性系数ε′f，疲劳延性指数c，循环强度系数K′和循环应变硬化指数n′等6个低周疲劳性能参数。

3种汽车大梁钢的低周疲劳性能参数如表2所示，相应的应变-寿命曲线和循环应力-应变曲线如图2～7所示。

表2 3种汽车大梁钢轴向加载低周疲劳性能参数Tab.2 Low cycle fatigue property parameters of three automobile frame steels under axial loading

图2 TCX420L钢的应变-寿命曲线Fig.2 Strain-life curve of TCX420L steel

图3 TCX420L钢的循环应力-应变曲线Fig.3 Cyclic stress-strain curve of TCX420L steel

图4 TCX510L钢的应变-寿命曲线Fig.4 Strain-life curve of TCX510L steel

图5 TCX510L钢的循环应力-应变曲线Fig.5 Cyclic stress-strain curve of TCX510L steel

图6 TCX610L钢的应变-寿命曲线Fig.6 Strain-life curve of TCX610L steel

图7 TCX610L钢的循环应力-应变曲线Fig.7 Cyclic stress-strain curve of TCX610L steel

3.2 循环材料特性

材料的瞬态循环响应反映了材料在循环载荷作用下抵抗变形的变化过程。如果一种材料受到对称循环应变控制的载荷作用，就会以下面的一种方式作出响应：周期性硬化、周期性软化、保持稳定或是以上几种响应方式的组合。

估计材料在对称循环加载时的响应方式有一个简单的经验方式。如果Rm/ReL>1.4，材料表现为循环硬化；如果Rm/ReL<1.2，材料表现为循环软化；当Rm/ReL的比值处于1.2～1.4时，材料可能表现为循环硬化，也可能表现为循环软化，或者两者兼而有之[8]。根据表1中材料的静态拉伸测试结果可知，对于TCX420L钢，Rm/ReL=450/341=1.32，处于1.2～1.4，根据经验方法估计材料可能表现为循环硬化，也可能表现为循环软化，或者兼而有之；对于TCX510L钢，Rm/ReL=558/473=1.18，小于1.2，估计其瞬态材料特性应该表现为循环软化；对于TCX610L钢，Rm/ReL=656/575=1.14，小于1.2，根据经验方法判断其瞬态材料特性应该表现为循环软化。分别选取TCX420L钢在0.5%总应变幅，TCX510L钢和TCX610L钢在0.6%总应变幅水平试验时一组循环次数-应力值曲线，如图8～10所示。

图8 TCX420L钢总应变幅为0.5%的循环次数-应力值曲线Fig.8 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.5% for TCX420L steel

图9 TCX510L钢总应变幅为0.6%的循环次数-应力值曲线Fig.9 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.6% for TCX510L steel

图10 TCX610L钢总应变幅为0.6%的循环次数-应力值曲线Fig.10 Cycle time-stress curve with total strain amplitude of0.6% for TCX610L steel

可知在应变控制的循环加载条件下，随着循环次数的增加，TCX420L钢的应力峰(最大拉应力和最大压应力)值先减小后增大，也就是先表现为循环软化，后表现为循环硬化，符合经验公式的估计结果，软、硬化兼而有之。TCX510L钢的应力峰值先减小后增大再减小，循环特性表现为先软化再硬化再软化，与经验公式的估计结果有差异，但硬化段循环次数较少，整体呈软化趋势。TCX610L钢的应力峰值随循环次数增加呈一直下降的趋势，即表现为循环软化，与经验公式估计结果相同。通过3种大梁钢的循环应力-应变响应来看，实际测试的循环材料特性与经验公式估计的材料特性比较一致。

3.3 Masing特性

将不同应变幅下应力-应变迟滞回线的最低点平移到与坐标原点重合，如果各迟滞回线的上行段轨迹相吻合，则称该材料为Masing材料，具有Masing特性；反之则不具有Masing特性，称为非Masing材料[9-10]。

选取每种汽车大梁钢不同应变幅下的应力-应变迟滞回线，将其最低点平移到坐标原点，得到相应材料的Masing特性或非Masing特性曲线，如图11～13所示。

图11 TCX420L钢的非Masing特性曲线Fig.11 Non-Masing curve of TCX420L steel

图12 TCX510L钢的非Masing特性曲线Fig.12 Non-Masing curve of TCX510L steel

图13 TCX610L钢的Masing特性曲线Fig.13 Masing curve of TCX610L steel

从图中可以看出TCX420L钢和TCX510L钢的各应力-应变迟滞回线上行段不重合而TCX610L钢的各应力-应变迟滞回线上行段基本重合，因此TCX420L钢和TCX510L钢为非Masing材料，TCX610L钢为Masing材料。TCX420L钢各条迟滞回线间距较大，TCX510L钢各条迟滞回线间距相比TCX420L钢的较小，TCX610L钢的迟滞回线则基本重合，TCX420L钢和TCX510L钢有由非Masing特性材料向Masing特性材料过渡的倾向。

3.4 过渡疲劳寿命

过渡疲劳寿命是指塑性应变幅等于弹性应变幅时的疲劳寿命。如图2,4,6所示，过渡疲劳寿命2NT是弹性应变-寿命曲线和塑性应变-寿命曲线的交叉点。在该点的左侧，疲劳寿命小于过渡疲劳寿命的区域塑性应变起主要作用，即是低周疲劳区域，交叉点的右侧，疲劳寿命高于过渡疲劳寿命区域弹性应变起主要作用，称为高周疲劳区域[11]。

4 结论

(1) 循环加载条件下，TCX420L钢的材料特性表现为先软化后硬化，TCX510L钢表现为先软化再硬化再软化，TCX610L钢表现为持续软化。与经验公式法估计的循环材料特性比较一致。

(2) TCX420L钢和TCX510L钢为非Masing材料，而TCX610L钢为Masing材料，且TCX420L钢和TCX510L钢有由非Masing材料向Masing材料过渡的趋势。

(3) 3种大梁钢中抗拉强度越高，其过渡疲劳寿命就越低。