本钢技术研究院, 辽宁　本溪　117000

摘要:对汽车用高强钢QStE340TM进行低周疲劳实验，采用等幅应变控制方式，应变比R=−1，在疲劳试验机上测定了应力-应变迟滞回线，循环应力响应特征曲线，拟合出应变-寿命曲线，利用扫描电镜对疲劳断口形貌观察，分析了裂纹萌生区、扩展区及瞬断区形貌。实验结果表明：QStE340TM的循环应力响应特征表现为应变幅<0.8%为循环软化，>0.8%为循环硬化。根据Manson-Coffin公式拟合疲劳数据，获得了QStE340TM疲劳寿命预测公式，疲劳断裂方式为韧性断裂。QStE340TM低周疲劳性能的研究为高强钢疲劳行为分析和寿命预测提供了理论依据。

随着汽车产业对轻量化要求的标准越来越高，各汽车厂采用高强钢来实现轻量化目标，目前高强钢被广泛使用在大部分汽车零部件上。然而，汽车在行驶过程中，长期处在动态服役条件下，受到交变载荷的作用，会导致疲劳裂纹的产生甚至破坏，降低汽车的使用寿命[1-3]。因此疲劳性能是汽车选材、冲压成形过程中的重要指标，直接涉及车体的使用性能和安全性能。

QStE340TM以其较高的强度、良好的冲压成形性能和焊接性能，广泛应用于成形加工性能良好的汽车构架、车轮等汽车结构件[4]。目前对QStE340TM的研究多为成形性能和点焊性能。彭扬文对汽车用钢QStE340TM进行了电阻点焊实验，研究了不同焊接电流及压力对QStE340TM电阻点焊接头性能的影响等[5]。杨泰波等人建立了反映焊缝、热影响区和母材3部分结构的焊管有限元模型，采用应变增量比作为数值仿真中的颈缩判据，计算出液压成形条件下QSTE340TM焊管的成形极限曲线，并利用数值仿真的工艺路径完成了QSTE340TM焊管成形极限的实验测定[6]。

因此，本文以汽车常用规格的QStE340TM板料为研究对象，采用轴向应变控制进行低周疲劳实验。参照材料力学性能参数，研究了在应变比R= −1状态下QStE340TM的滞回曲线、循环应力-应变曲线、应变-寿命曲线，并对疲劳断口形貌进行分析，为QStE340TM在汽车结构件的寿命估算和抗疲劳设计提供实验数据。

1. 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为厚度为2.5mm的QStE340TM板料，化学成分见表1。图1是根据GB/T15248—2008“金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法”设计的低周疲劳试样[7]，平行段长度为15 mm，试样在线切割机上进行加工。

表 1QStE340TM的化学成分（质量分数，%）

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图 1疲劳试样尺寸

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1.2 实验方法

QStE340TM板料力学性能在Zwick Z100电子拉伸试验机上进行，拉伸试样尺寸如图2所示。测定材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率，为疲劳性能实验选取合适的实验参数提供依据。力学性能如表2所示。

图 2拉伸试样尺寸

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表 2QStE340TM力学性能

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低周疲劳实验在MTS landmark疲劳试验机上进行，按照“ASTM E 606-92 Standard Practice for Strain-controlled Fatigue Testing”[8]，采用应变控制，在低周情况下，三角波测试频率为2 Hz，应变比为R=−1；按照GB/T 15248—2008 “金属材料轴向等幅低循环疲劳实验方法”，一般需要20根试样；按照GB/T 26077—2010“金属材料疲劳实验轴向应变控制方法”[9]，得到的疲劳应变-寿命曲线在循环周次上最少应覆盖3个数量级。实验以峰值载荷下降25%或者试样断裂为失效判据，最终获得Manson-Coffin方程并绘制QStE340TM的应变-寿命曲线。

由于试样厚度较薄，在拉压加载循环实验中容易发生失稳破坏，导致实验无法顺利进行，因此在实验过程中使用防屈曲装置，防止板料发生压向失稳。

2. 实验结果及分析

2.1 应力-应变迟滞回线

图3为QStE340TM钢在不同应变幅条件下的应力-应变迟滞回线。迟滞回线所包围的面积代表材料塑性变形时外力所做的功，也表示材料抵抗循环变形的能力。由图3可以看出，应变幅为0.25%的迟滞回线所包围的面积最小，而应变幅为1.0%的迟滞回线所包围的面积最大。随着应变幅的增加，迟滞回线的面积也越大，说明QStE340TM钢在塑性变形时，吸收的塑性应变能就越大，抵抗循环变形的能力增强，可以防止材料突然发生断裂。

图 3QStE340TM疲劳迟滞回线

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2.2 循环应力响应特征曲线

循环应力响应特征曲线与静态拉伸曲线进行比较，是判断QStE340TM这一钢种发生循环硬化或循环软化的标志。图4为QStE340TM在不同应变幅条件下的循环应力响应曲线。由图4可知，在应变幅为0.8%，QStE340TM表现为循环软化，随着循环周次的增加，发生循环软化。这是由于在循环变形初期位错密度增加，随着循环变形的继续，位错密度逐渐降低，使得位错间的相互制约作用减弱，宏观上表现出循环应力的降低。在应变幅大于0.8%以上，QStE340TM表现为循环硬化。

图 4QStE340TM循环应力响应曲线

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2.3 应变-寿命曲线

图5给出了QStE340TM总应变幅、塑性应变幅和弹性应变幅与疲劳寿命关系曲线。由图5可以看出，QStE340TM低周疲劳寿命随应变幅范围的增大而逐渐降低，而且塑性应变幅-寿命曲线和弹性应变幅-寿命曲线相交于一点，此点所对应的低周疲劳寿命被称为过渡疲劳寿命NT，当疲劳寿命＞NT时，弹性应变对疲劳的贡献大于塑性应变，即材料的强度对疲劳抗力起主要作用；当疲劳寿命＜NT时，塑性应变对疲劳的贡献大于弹性应变。

图 5QStE340TM应变-寿命曲线

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对于总应变控制的低周疲劳循环变形，材料的应变疲劳寿命常用Coffin-Manson公式（1）来表达，即：

按照ASTM E606，拟合疲劳寿命曲线采用计算弹性应变幅值和塑性应变幅值。试件的总应变幅值和弹性应变幅可由机器实时测得。通过公式（2）可计算出塑性应变幅值。

疲劳强度系数σ′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$，疲劳强度指数b，弹性应变幅值Δεe/2$\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{e}}/\phantom{\mathrm{}{}_{}\mathrm{}}2$和疲劳寿命存在以下关系，根据公式（3），拟合成Δεe/2−2Nf$\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{e}}/\phantom{\mathrm{}{}_{}\mathrm{}}2-2{?}_{\mathrm{f}}$曲线，其中b为斜率，σ′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$为截距。

疲劳延性系数ε′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$，疲劳延性指数c，塑性应变幅值Δεp/2$\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{p}}/\phantom{\mathrm{}{}_{}\mathrm{}}2$和疲劳寿命存在以下关系，根据公式（4），拟合成Δεp/2−2Nf$\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{p}}/\phantom{\mathrm{}{}_{\mathrm{}}\mathrm{}}2-2{?}_{\mathrm{f}}$曲线，其中c为斜率，ε′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$为截距。

循环强度系数K′${?}^{\prime }$，循环应变硬化指数n′${?}^{\prime }$，塑性应变幅值Δεp/2$\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{p}}/\phantom{\mathrm{}{}_{}\mathrm{}}2$和应力幅值Δσ/2$\mathrm{\Delta }?/\phantom{\mathrm{}\mathrm{}}2$存在以下关系，根据公式（5），拟合成Δσ/2−Δεp/2$\mathrm{\Delta }?/\phantom{\mathrm{}\mathrm{}}2-\mathrm{\Delta }{?}_{\mathrm{p}}/\phantom{\mathrm{}{}_{}\mathrm{}}2$曲线。其中n′${?}^{\prime }$为斜率，K′${?}^{\prime }$为截距。

拟合得到的曲线斜率和截距可以计算出该材料的疲劳强度系数σ′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$=1107.36MPa，疲劳延性系数ε′f${?}_{\mathrm{f}}^{\prime }$=0.44018，疲劳强度指数b=−0.1206，疲劳延性指数c=−0.5420，循环强度系数K′${?}^{\prime }$=1089.41 MPa，循环应变硬化指数n′${?}^{\prime }$=0.2015。

将上述参数带入Coffin-Manson公式中，获得QStE340TM的应变-寿命曲线为：

2.4 断口分析

为了研究QStE340TM的疲劳破坏规律，利用扫描电镜对疲劳断口形貌进行分析。图6为QStE340TM在应变幅为0.4%的断口形貌。图6（a）为断口宏观形貌，可以看出断口分为3个区域，分别为裂纹萌生区、裂纹扩展区瞬断区。裂纹在试样的表面萌生并向外扩展。图6（b）是裂纹扩展区的形貌，裂纹扩展区的断口表面比较光滑，这是由于在裂纹萌生初期，试样裂纹两面在交变应力作用下发生挤压，形成光滑区。该区可以明显观察到有近似平行的疲劳辉纹。图6（c）是瞬断区形貌，这一区域均匀分布了大量韧窝，显现出韧性断裂的微观特征，形成这一特征的原因是材料经过塑性变形产生空洞，经形核、长大和聚集，最终相互连接，达到强度极限后发生断裂，这表明QStE340TM在经历疲劳变形后，最终的断裂为韧性断裂。

图 6QStE340TM低周疲劳微观断口形貌

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QStE340TM这一材料的疲劳破坏是由于在试样表面出现小裂纹，造成应力集中，在循环应力的持续作用下，裂纹越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，最终QStE340TM试样发生破坏。

3. 结束语

（1）本文研究了QStE340TM板材在等幅应变控制方式下的的低周疲劳性能，通过对应力-应变迟滞回线和循环应力响应特征曲线的研究发现QStE340TM具有较好的塑形变形能力，可以有效预防瞬间断裂，并且QStE340TM材料在小于应变幅0.8%条件下表现为循环软化，大于应变幅0.8%表现为循环硬化。

（2）通过对Manson-Coffin方程的曲线拟合，获得了QStE340TM疲劳寿命预测公式，为高强钢的疲劳性能分析和寿命预测提供了理论依据。

（3）QStE340TM试样疲劳断口在试样表面出现裂纹源，且发生扩展；断裂方式为韧性断裂。QStE340TM的微观分析，有助于对QStE340TM断裂机理深入理解，对新钢种的研发和应用起到指导作用。