底盘控制臂用800 MPa级高强度钢的疲劳特性研究

金 一 柳 进 甄 彤 张 梅

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

从20世纪80年代开始量产至今，先进高强度钢已逐步发展到第三代，其中汽车常用钢有双相钢、复相钢、相变诱发塑性钢和马氏体钢等，强度普遍为500～1 600 MPa,且具有高的碰撞吸收能、高的成形性和较低的平面各向异性。控制臂作为汽车底盘重要的承载件，在选材之初就应充分考虑其疲劳耐久性，因此有必要在工程应用前对底盘零部件材料的力学性能及疲劳性能进行评价研究。

微合金化高强度贝氏体钢由于其优良的强韧性及扩孔性而成为底盘零部件的选材之一，多用于车身悬架控制臂，如图1所示。铁素体贝氏体/马氏体复相钢是低碳钢或低合金高强度钢经双相区热处理或控轧控冷后获得，其组织特征是由强化相贝氏体/马氏体和塑性相铁素体构成的复相组织[1]。清华大学贝氏体钢研究中心[2]成功开发了Mn-B系、Mn-Cr系、Mn-Si-Cr系等多种贝氏体马氏体复相钢，提出添加Mn元素降低贝氏体转变温度，同时利用空冷及低温回火降低热处理成本，使贝氏体复相钢具有强韧性的同时提高了经济效益。Mn-Si-Cr系贝氏体复相钢具有良好的强度和延性匹配，在高强度下仍具有良好的成形性[3]，可用来制造热轧态控制臂。本文研究了两种Mn-Si-Cr系微合金化贝氏体钢CP800与FB800的疲劳性能，旨在提供汽车耐久可靠性设计的关键数据。

图1 控制臂Fig.1 Control arm

1 试验材料及方法

试验材料选用3.5 mm 厚的CP800钢与3.8 mm厚的FB800复相钢。 单轴拉伸试验在Zwick/RoellZ100型拉伸试验机上进行， 拉伸速率3 mm/min，采用标距为80 mm的标准试样。按照GB/T 26077—2010《金属材料 疲劳试验 轴向应变控制方法》[4]、GB/T 26076—2010《金属薄板(带)轴向力控疲劳试验方法》[5]分别制备低周疲劳、高周疲劳试样，尺寸如图2所示。用砂纸打磨试样表面去除加工痕迹，保证粗糙度Ra小于0.2，避免表面不光洁影响疲劳性能。

图2 疲劳试样尺寸Fig.2 Dimension of fatigue specimens

低周疲劳试验在室温和0.8%、0.6%、0.4%、0.3%、0.25%、0.2%及0.17% 7个应变幅值下进行，控制最大应变幅与最小应变幅之比为-1，恒定加载频率为1 Hz，加载波形为三角波。使用标距为10 mm的机械引伸计采集实际应变幅值，通过计算机辅助设备读取应力-应变的滞后环数据。根据Coffin-Manson-Basquin方程对低周疲劳试验数据进行拟合，得到疲劳强度系数σf′、疲劳强度指数b、疲劳延性系数εf′、疲劳延性指数c等参数用于预测应变-寿命(E-N)曲线。

高周疲劳试验采用力控加载，应力比R为0.1，通过“成组法”控制每级应力在试样65%屈服强度下依次递减25 MPa，选取6个应力级。随后采用“升降法”测定疲劳极限应力值，即前一根试样未达到107次循环就破坏，则下一次试验降一级(应力的变化通常低于平均疲劳强度初期预估值的5%左右)；如前一根试样完成107次循环(通过)，则后一次试验升一应力级，如此重复进行升降试验[6]。根据应力振幅S与断裂次数N的关系绘制应力-寿命(S-N)曲线。

2 试验结果

2.1 单轴拉伸力学性能

CP800与FB800钢在单轴拉伸状态下的工程应力-工程应变曲线如图3所示，性能列于表1。可见两种试验钢的屈服平台都不明显，CP800与FB800钢的屈服强度分别为770与715 MPa；两者抗拉强度相近，约835 MPa，但CP800钢的断后伸长率比FB800钢高约4%。

图3 CP800与FB800钢的工程应力-工程应变曲线Fig.3 Engineering stress-engineering strain curves of CP800 and FB800 steels

表1 CP800与FB800钢的单轴拉伸试验结果Table 1 Uniaxial tensile test results of CP800 and FB800 steels

2.2 低周疲劳试验

(1)

(2)

(3)

(4)

CP800与FB800钢的应变-寿命(E-N)拟合曲线对比如图4(d)所示，发现FB800钢在短寿命区的疲劳性能更好，即在相同应变幅下表现出更高的疲劳寿命。但底盘部件寿命评估合格区间通常为105～106次，因此在低应变长寿命区CP800钢表现出更高的疲劳寿命。

根据Coffin-Manson-Basquin的E-N曲线拟合方法，长寿命区拟合结果与弹性应变幅线性斜率拟合相关。试样的弹性应变影响线性斜率的拟合如图4(c)所示，在低应变幅控制下CP800钢表现出弹性应变主导循环变形，而FB800钢主要由塑性应变控制。在长寿命低应变区疲劳寿命主要取决于弹性应变，在相同抗拉强度级别条件下，CP800钢的屈服强度更高[7]，因此在弹性阶段更高的抗疲劳损伤性能是其长寿命区疲劳寿命较高的主要原因。

图4 循环应变-寿命(E-N)对数曲线Fig.4 Logarithm relation of cycle strain to fatigue life(E-N)

2.3 高周疲劳试验

(5)

式中：S为应力级；n为试样数；i为事件数。

图5 CP800与FB800钢的疲劳应力升降图Fig.5 Up-and-down figures of fatigue stress of CP800 and FB800 steels

两种试验钢的高周疲劳寿命如图6所示，发现在给定应力级350～450 MPa区间内(图中蓝色区域)，CP800钢的高周疲劳寿命较低。但与低周疲劳性能相似的是，当应力级降低至300 MPa以下时，CP800钢的高周疲劳寿命略微提高。CP800与FB800钢具有相同的升降通过(Runout)应力级260 MPa，因此采用高周疲劳试验评价两者的疲劳性能无明显差异，CP800钢的平均疲劳极限值略高。

图6 CP800与FB800钢的高周疲劳试验结果Fig.6 High cycle test results of CP800 and FB800 steels

3 疲劳特性对比

根据单轴拉伸试验与疲劳试验结果，CP800钢由于更高的屈服强度与弹性应变能力，在低应变控制下有更好的低周疲劳性能，且高周疲劳试验条件下有略高的平均疲劳极限值。

为了进一步比较强度对疲劳性能的影响，结合文献及之前的研究成果，给出了覆盖500～800 MPa强度级别高强度车身材料的低周疲劳E-N预测曲线，包括TL1114[8]、TRIP-SH[9]、FB590、HZFB590、FB780以及本文试验钢CP800与FB800，如图7所示。

图7 常用高强度钢低周疲劳E-N曲线Fig.7 E-N curves of low-cycle fatigue life of the common high-strength steels

通过比较一定应变幅下的循环次数，能够更直观地比较不同强度钢之间低周疲劳性能的差异。车身部件的失效寿命区间为105～106周次，如图7中方框所示。发现CP800钢在弹性应变阶段的疲劳性能均高于其他几种高强度钢，其次为强度级别相近的FB800与FB780钢，而几种600 MPa强度级别的钢均表现出较低的疲劳寿命。

通过比较分析得出，强度级别(屈服强度)越高的材料在低应变长寿命区，即弹性应变起主导作用的阶段具有更好的低周疲劳性能。因此在底盘零部件疲劳耐久设计前，可以根据零件实际受载情况，在寿命评估区内选择合适强度级别的材料，以符合耐久疲劳性及经济性。

4 结论

(1)CP800与FB800钢的抗拉强度相近，但CP800钢的屈服强度约高50 MPa，断后伸长率分别约为15%和11%。

(2)Coffin-Manson-Basquin方程能准确地拟合预测CP800及FB800钢的低周疲劳性能，且CP800钢在长寿命低应变区的低周疲劳性能更优。

(3)CP800与FB800钢具有相似的高周疲劳极限应力级，通过升降法计算得到的平均疲劳极限分别为278和270 MPa。

(4)比较7种车用高强度钢的低周疲劳寿命预测曲线发现，CP800钢在相同应变幅下的105～106周次寿命区间具有更好的低周疲劳性能，其次为FB800及FB780钢，而几种600 MPa强度级别的钢在长寿命区间的疲劳性能较差。