（材料加工工程专业论文）热轧双相钢疲劳及冲击行为的研究.pdf

辽宁科技大学工程硕士论文摘要 摘要 近年来，汽车工业发展迅速，对汽车用钢提出更高的要求。双相钢以其优越 的性能引起了人们的重视，在汽车用钢板中具有广阔的应用前景。 本文以热轧双相钢为研究对象，对其疲劳和冲击等行为进行了研究，主要内 容如下： 1 通过对实验钢种进行高周和低周疲劳实验可以发现：疲劳裂纹起源于试样 的表面，裂纹源沿断口周边分布，为多源特征。材料本身的缺陷( 内部微裂纹、 夹杂物和第二相粒子等) 也可成为裂纹源；在疲劳扩展区可以清晰的观察到塑性 疲劳条带，伴随着疲劳条带的形成，产生与条带平行相间的二次裂纹，同时可以 观察到疲劳辉纹、疲劳台阶等一些疲劳断裂的微观特征； 2 通过对实验钢种的低温冲击实验可以发现：夹杂物以及微裂纹存在破坏了 钢基体的连续性，在外加载荷的作用下造成了该处的应力集中导致断裂，使得材 料冲击性能下降。通过不同终轧温度、卷取温度下实验用钢的冲击实验得知：随 着终轧温度降低和卷取温度的升高，晶粒细化，冲击性能增加。 3 通过热轧双相钢疲劳寿命和冲击性能的实验可以得知，提高冶金质量、细 化晶粒和优化工艺参数等手段可以改善材料的疲劳性能和冲击性能。 关键词：热轧双相钢，高周疲劳极限，低周疲劳极限，冲击韧性 t h e s t u d yo nt h ef a t i g u ea n di m p a c t b e h a v i o rf o ra s - h o tr o l l e dd u a l - p h a s es t e e l a b s t r a c t t h ed e m a n d sf o ra u t o m o t i v ep l a t e sa r eb e i n gi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yw i t ht h e n a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t r e c e n t l y ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no n d u a l - p h a s es t e e lf o ri t ss u p e r i o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ef a t i g u ea n di m p a c tb e h a v i o rw e r es t u d i e db a s e do nt h ec s i - m na s - h o tr o l l e d d u a l p h a s es t e e l t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 f r o mt h et e s to ft h eh i 曲一f r e q u e n c yf a t i g u ea n dl o w - f r e q u e n c yf a t i g u e ，i ti s f o u n dt h a tt h ef a t i g u ec r a c k ss t a r tf r o mt h es u r f a c eo ft h es a m p l e ，a n dt h es o u r c eo ft h e c r a c ki sa l o n gt h ee d g eo ff r a c t u r e t h ed e f e c t so fs a m p l e ( m i c r o f r a c t u r e ，i m p u r i t i e s ， t h es e c o n dp h a s e ) c a nb et h ec a u s eo fc r a c k t h ep l a s t i cf a t i g u eb a n dc a nb eo b s e r v e di n t h ef a t i g u ee x t e n dr e g i o n ，a n dt h es e c o n dc r a c kw h i c hi sp a r a l l e lt ot h eb a n do c c u r sw i t h t h ef o r m a t i o no f f a t i g u eb a n d t h em i c r o f e a t u r e s ：s u c ha sf a t i g u el i n e sa n df a t i g u es t e p s e a r la l s ob ef o u n d 2 f r o mt h ei m p a c td u c t l l i t yt e s ta tl o wt e m p e r a t u r e ，i ti sf o u n dt h a tt h ei m p u r i t i e s a n dm i c r o - f r a c t u r e sc a nd e s t r o yt h ec o n t i n u i t yo fs t e e lm a t r i x ，a n dt h ec a p t u r ec a u s e db y s t r e s sc o n c e n 仃a t l o nw i l ld e c r e a s et h ei m p a c tp r o p e r t i e s t h eg r a i nc a nb er e f i n e da n d i m p a c tp r o p e r t i e si n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go ft h ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e i n c r e a s i n go ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r eb yt h ei m p a c tt e s tu n d e rt h ed i f f e r e n tf i n i s h i n g t e m p e r a t u r ea n dc o i l i n gt e m p e r a t u r e 3 f r o mt h er e s u l to ft h ef a t i g u ea n di m p a c td u c t i l i t yt e s t ，i ti ss h o w nt h ei m p r o v e d f a t i g u ea n di m p a c tp r o p e r t i e sc a nb eo b t m n e db yt h ei n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo f m e t a l l u r g y , r e f i n i n gg r a i na n di m p r o v i n gt h ep a r a m e t e r so f h o tr o l l i n g ，e t c k e y w o r d s ： a s - h o t d u a l p h a s es t e e l ，h i g h - f r e q u e n c yf a t i g u el i m i t ， l o w f r e q u e n c yf a t i g u el i m i t ，i m p a c td u c t i l i t y l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 1 1 引言 l 绪论 近年来，汽车工业在我国得到了迅速发展，成为了我国国民经济的支柱，伴 随着世界汽车工业迅速发展，尤其是轿车生产的迅速发展，使得市场对于汽车用 高强度钢板的需求也随之增加。在此过程中同时出现了如下两个问题：一是随着 人们经济水平的提高，使得我国汽车使用数量急剧增加，造成了能源与环境问题 日益严重，解决这一问题的根本就在于能够是汽车降低油量的消耗和减轻汽车的 自重；二是随着汽车数量不断增加，车祸也会不可避免的随之增加，因此在减轻 车重的同时保证其安全性也是汽车设计过程中一个不可忽略的问题。综上所述， 随着汽车工业的不断发展，未来汽车将向着高安全性、经济环保、高寿命等方向 发展，因此提高汽车的安全性能、降低成本、减轻自重已经成为增加高强度钢用 量的动力 1 i o j 。 但是在早期的汽车制造中，汽车冲压件多采用普通的低碳钢，为了减轻车重 人们开发了低合金高强度钢( h s l a ) ”“，但是由于这种钢材的塑性不好，导致冲压 成型困难，于是双相钢( d u a lp h a s es t e e l ) 便应运而生。在最近几十年，双相钢以其 优越的性能引起了汽车工程师们的注意，并在减轻汽车重量和提高安全性能方面 提供了引人注目的选择机会，这充分说明了双相钢是一种极有潜力的汽车用钢板。 目前热轧双相钢板带在汽车板中所占的比例日益增加，欧美和日本均已经形成双 相钢的系列产品，并且在车轮的轮辐及轮盘制造、保险杠加强体、制动片及门防 撞击粱等零部件中得到广泛的应用 m 1 6 】。 1 2 双相钢的研究和发展 1 2 1 双报钢的机械性能要求 双相钢是一种由低碳钢或低合金钢经过临界区( a + f 区) 热处理或通过控轧控 冷工艺得到的一种高强度钢。它的显微组织为铁索体基体上弥散着体积分数约为 1 0 - - 一2 0 的马氏体【l7 l 。按照生产工艺分类，双相钢主要分为热处理双相钢和热轧 双相钢。其中热处理双相钢是指以热轧或冷轧带钢为原料，并通过热处理手段获 得铁素体和马氏体组织的双相钢。热轧双相钢主要是指双相钢是由低碳钢或低碳 合金钢经过临界区热处理或控制轧制工艺而得到的一种高强度钢。双相钢具有如 辽宁科技大学工程硕士论文i 绪论 下的机械性能特点【1 8 2 1 ： ( 1 ) 力学性能： 1 ) 具有连续屈服的特点； 2 ) 小的屈强比os obo 一般为0 5 左右，而高强度低合金钢为0 8 以上； 3 ) 双相钢具有较大的加工硬化指数n 值，一般为o 2 左右，而高强度低合金 钢为0 1 5 左右； 4 ) 具有较好的强度一塑性组合。相同强度时，双相钢有较大延伸； 5 ) 较大的加工硬化能力，尤其在小变形阶段； 6 ) 有比高强度低合金钢低的缺口敏感性； 7 ) 双相钢的疲劳特性是和它的应力应交特性及高的加工硬化率紧密相关的。 双相钢疲劳寿命还受马氏体的体积分数，马氏体和铁素体的屈服强度比 值，以及马氏体的形态和分布的影响； 8 ) 双相钢的冲击韧性受第二相形貌的强烈影响。双相钢的冲击韧性高于热轧 状态的高强度低合金钢的冲击韧性，并且有更低的脆性转变温度； 9 ) 双相钢具有高的低温塑性。 ( 2 ) 成型性： 1 ) 双相钢具有良好的成型性，具有小的回弹和良好的形状保持性： 2 ) 焊接性与一般低碳钢相近； 3 ) 双相钢的耐蚀性与低碳钢相近。 1 2 2 双相钢的应用及发展趋势 1 9 6 8 年双相钢的第一个专利在美国提出，但是直到由1 9 7 5 年日本学者对双相 钢的特点做出了完整的描述之后，双相钢的巨大潜力才被人们所认识。1 9 7 8 年， c o l d r e n 和t i t h e r 研制了新的双相钢，这种钢的组织可以通过控制终轧温度和盘卷 前的冷却速度而获得，不需要临界退火处理，因此命名为“a r d p ”轧制双相钢 2 2 1 。 随后，日本、意大利、美国和德国相继开发了不同系列的双相钢。此后，双相钢 以优良的成型性能在汽车工业生产中得到了应用。最近二十多年来双相钢直处 于低合金高强度钢发展的前沿，它为汽车减重、高强韧性冲压构件的制造和简化 冲压工艺，开辟了一条新的途径。 ( 1 ) 双相钢在国外的应用情况 北美、日本、西欧处于双相钢的研究和生产发展的技术前沿，形成了双相钢 系列产品并得到了广泛的应用。 望童墼苎奎耋三堡堡圭篁奎，：，：!。，! ! ：；：，! 一：兰童 由于日本拥有先进的轧钢和热处理设备，特别是大型的连续退火生产线，使 得日本在双相钢的生产方面e l 前处于领先地位。新日铁公司用“双相轧制工艺” 生产出了低合金s i - - m n 系热轧双相钢。日本川崎制铁开发了以t i n 沉淀强化铁素 体基体的热轧双相钢。北美和西欧生产的热处理双相钢含有一定量的合金元素， 多以周期退火生产1 2 3 之钔。 ( 2 ) 双相钢在我国的应用情况 我国双相钢的研究起步较晚( 始于上个世纪七十年代) ，已经取得了一定的成 果，但主要生产用于汽车工业的热轧和热处理双相钢板。对于非冲压成型钢材， 如线棒材、管材和紧固件等领域，仍处于刚刚起步的阶段，有待进一步的研究。 武钢主要生产的双相钢有r s 5 5 型、r s 5 0 型热轧双相钢和s 0 7 0 m n 冷轧双相 钢。其强度、塑性、屈强比与日本同类钢种相当。r s 5 5 型、r s 5 0 型热轧双相钢 用于制造c h e r o k e e 吉普车的车轮和东风卡车车身的横梁。北京吉普有限公司用 s 0 7 0 m n 作为冲压件的原材料，制造了八十余件零件，试验结果得到了冶金工业部 的认可和高度评价 2 5 2 6 】。 宝钢在1 9 9 2 年试轧了一炉双相钢，用2 0 5 0 热连轧机组轧制两种厚度规格 ( 2 7 5 m m 和4 0 0 r a m ) 的热轧双楣钢，作为北京吉普车的车轮用钢。 鞍钢主要生产的双相钢有冷轧双相钢s x 5 5 和热轧双相钢s x 6 6 。目前鞍钢主 要进行了四方面的研究：热轧双相钢板( m n v 及m n - m o v 系钢) ；热处理热 轧双相钢板( m n - m o 和m o v - n 系钢) ；连续退火冷轧双相钢；周期退火双相 钢。 除上述几个钢铁公司之外，其他的一些科研单位也进行了双相钢的研究和开 发，并取得了良好的效果【2 7 枷1 。 ( 3 ) 双相钢的发展趋势 随着人们对双相钢的进一步研究，新一代的双相钢产品也会应运而生： 1 微合金化 由于双相钢可以在合金元素很低的铜中获得，因此可以通过添加廉价的合金 元素代替一些稀有元素的使用，同时能够起到与稀有元素相同的作用。以较低的 冷速获得双相组织，是双相钢发展的重要方向。 2 发展高强度双相钢 上个世纪9 0 年代以来，国外开始发展高强度级别的双相钢，其抗拉强度 1 0 0 0 m p a ，以满足不同构件的要求。综合地利用各种强化机制( 如：钢种加入微量 t i ，在两相区轧制，空冷，可在铁素体基体上分布马氏体小岛和t i c 微粒) ，显著 地改善双相钢的力学性能，可使其抗拉强度1 0 0 0 m p a ，延伸率l o ； 辽宁科技大学工程硕士论文 1 绪论 3 非冲压双相钢的发展 双相钢在汽车工业中的应用非常广泛，如轿车车身、车盖板、车轮轮辐等冲 压部件，可以减轻构件重量2 0 3 0 ，为了充分利用双相钢的特性，近年来，国 内外正在开展非冲压型双相钢的研究。如：冷拔钢丝采用双相钢盘条，不经中间 退火将直径0 6 m m 冷拔成0 0 2 r a m 的钢丝，其抗拉强度得到了很大的提高。 4 相变诱发塑性的( t d p ) 双相钢 随着科学技术的进步，在双相钢的基础上有发展出了一种具有相变诱发塑性 的双相钢( t d p 钢) 。t d p 钢组织主要由铁素体、贝氏体和1 0 左右的残余奥氏 体组成，在变形过程中，残余奥氏体发生相变转变为马氏体，使钢的强度大大提 高。t d p 具有高强度( 达5 0 0 m p a 以上) 和较好的塑性，使新一代的高强度钢， 被世界各国工业界一致看好。 1 3 热轧双相钢的疲劳性能 1 3 i 研究疲劳性能的目的 金属的疲劳是在一个在交变应力作用下损伤逐渐积累、引起金属性质的变化、 产生裂纹和破坏的过程。疲劳强度是金属抵抗疲劳的性质。大多数机器、运输工 具和其他结构件在使用过程中承受着周期性交变载荷的作用。因此，大约有9 0 的零件损坏是与疲劳裂纹的产生和发展分不开的。而疲劳裂纹是脆性破坏的先导， 这也是疲劳破坏在工业生产中非常危险的主要原因之一。疲劳破坏时影响其强度 特性的因素很多，其中主要的因素有：材料性质和制造工艺、零件的结构、加载 方式、与零件相接触的介质等。 因此，要加快科学技术的发展，就必须改进各类产品的质量，提高资源的有 效利用率，只有这样才能达到降低产品材料消耗的目的。此外采用先进的结构设 计和工艺过程也要求我们要更加深入、更加综合地了解材料的疲劳性能，其中包 括循环载荷作用下的强度问题。由此可见，双相钢的疲劳性能在其各项力学性能 指标中具有不可忽视的作用，只有了解影响热轧双相钢疲劳性能的各种因素，才 能够帮助我们在双相钢产品的生产过中有效地避免疲劳现象的发生。 1 3 2 疲劳理论的发展 关于金属疲劳的最初研究2 9 - 3 3 1 是德国矿业工程师a l b e r t 在1 8 3 8 年前后完成 的。1 9 世纪中叶，德国工程师w o h l e r 对火车车轴的疲劳破坏进行的系统研究中， 首先提出了应力一寿命( s n ) 曲线和疲劳极限的概念，1 8 7 0 - 1 8 9 0 年间，在w o h l e r 辽宁科技大学工程硕士论文 i 绪论 兰篡i i i i i 一ii i 鼍曼! ! 苎毫! ! 皇曼毫! 皇邕量苎! ! 皇篁兰! 曼宣皇詈置置e 皇 工作的基础上，德国工程师g e r b e r 开始研究疲劳设计的方法，他的贡献之一是提 出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法，同一时期g o o d m a n 也讨论了类似的 问题，并提出了考虑平均应力影响的简单理论。 e w i n g 和h w m f r e y 的开拓性工作使人们摒弃了根据过时的晶化理论对疲劳机 理所作的解释。而把疲劳损伤起源，即疲劳裂纹的萌生同微观形变过程联系起来。 1 9 1 0 年b a s q u i n 提出了描述材料疲劳持久极限的经验规律。而b a i r s t o w 在金属循 环硬化和软化的早期研究中做出了有意义的贡献。这一时期，有关金属疲劳的研 究成果大量出现。1 9 2 6 年英国的g o u g h 发表t “金属的疲劳”书。一年之后， 美国的m o o r e 和k o m m e r s 也用同样的书名发表了他们的著作。在上个世纪二三十 年代，疲劳己发展成为一个重要的科学研究领域。有关疲劳破坏的累积损伤模型 也由p a l m g r e n 等人提出。 塑性应变造成损伤的理论是由c o f f i n 和m a n s o n 建立的。他们各自独立提出了 发生疲劳破坏时的载荷反向次数同塑性应变幅的经验关系；称为c o f f i n - m a n s o n 关 系，是目前应用最为广泛的根据应变来分析疲劳寿命的方法。 虽然在2 0 世纪初，e w i n g 等人已对微观裂纹慢速扩展所引起的金属疲劳作了 描述。但有关疲劳破坏定量处理模型是随i r w i n 的开拓性研究而出现的。在线弹性 断裂力学方法的基础上，p a r i s 等人首次将疲劳裂纹在每个应力循环过程中的扩展 量与应力强度因子范围k 联系起来。 本世纪初，光学显微镜的出现为研究疲劳机制提供了强有力的工具。使有关 循环形变和疲劳裂纹萌生机制的研究取得了长足的进展。各种力学、组织结构和 环境因素对工程材料循环形变、裂纹萌生和扩展的影响的研究成果大量涌现。 t h o m p s o n 等人根据对金属疲劳表面滑移带的研究成果提出了”驻留滑移带”( p s b ) 的概念，确认局部应变集中区的滑移线或滑移带是产生疲劳微裂纹的先兆。而电 子显微镜的出现极大地促进了疲劳机制的研究，k a t a g i r i 等人在多晶c u 疲劳试样 中获取了有关疲劳裂纹萌生和裂纹沿p s b 作早期扩展的直接证据。z a p p f e 在疲劳 断口上第一次观察到一神特殊的条痕，即疲劳辉纹。f o r s y t h 等人首次给出了相邻 疲劳辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间的关系，该关系对发展各种疲劳裂纹扩展 理论和进行工程构件疲劳断裂失效分析非常有用。许多研究人员在这一方面的工 作还提供了有关导致材料发生循环硬化和软化的亚结构变化和微观结构变化的有 用信息，也提供了有关这些机制对疲劳裂纹形核和扩展的作用的重要信息。 对工程材料疲劳研究的一百多年历史中，尽管它与工业实际中设计思想和工 程方法的发展密切相关，但是材料疲劳研究本身无疑已经成为科学研究领域中的 ，垫塞墼垫垡鹜墼墼奎：! ：，! 。，。一! ! ! 丝墼 一门主要学科。随着各种高强度金属材料、先进的非金属材料和复合材料在工程 中应用的增加，材料疲劳断裂的研究工作还远远没有完成，将会更加深入的发展。 1 3 3 疲劳现象 ( 1 ) 疲劳断裂过程及其机理 疲劳现象【3 0 、3 4 3 8 1 主要通过以下阶段形成： 1 疲劳裂纹的萌生 a 驻留滑移带处形成疲劳裂纹 在低应力的交变载荷作用下，金属表面局部区域首先出现一些滑移线，如图 1 - 1 ( a ) 所示。图1 - 1 ( a ) 中的短线表示滑移面上的位错源增殖的位错受阻后形成的位 错塞积，它使位错源停止工作。在交变载荷作用下，平行滑移线上的螺型位错能 改变滑移面，发生交滑移，于是，异号位错将在交滑移面上相遇，随后相互抵消， 使原滑移面上的位错源重新被激活。继续增殖位错，滑移线的滑移量也随之增加。 许多滑移线的发展就表现为滑移带向两侧不断加宽。这样，就造成在交变载荷下， 滑移带变宽加深，滑移集中在局部地区，乃至最终形成驻留滑移带，并发展为疲 劳裂纹。 一s i s l ( & ) 形成细穗咎鳃 璩雏精善战越袅 图1 1 驻留滑移带的形成 f i g 1 1f o r m a t i o no f s l i pb a n d b 挤出峰和侵入谷处形成疲劳裂纹 图1 2 为柯垂尔一赫尔提出的挤出峰、侵入谷形成模型。此模型以交变滑移为 前提，认为在应力循环每个前半周期内，两个取向不同的滑移面上的位错源( 图 1 - 2 中l ，2 为滑移面，s 1 ，s 2 为两个滑移面上相应的位错源) 交替激活，后半周 期内又交替沿两个滑移面的相反方向激活，从而形成挤出峰和侵入谷。 6 p j )”( c )( d ) 图i 2 挤出峰、侵入谷形成模型 f i g 1 - 2t h em o d e lo f e x t r u s i o na n di n r u s h 在拉应力的半周期内，先是取向最有利的滑移面上相应的位错源s 1 被激活， 它增殖的位错滑移到表面，便在p 处留下一个滑移台阶，如图1 - 2 ( b ) 所示。在同一 半周期内，随着拉应力增大，在另一个滑移面上的位错源也被激活，它增殖的位 错滑动到表面，在q 处留下一个滑移台阶；与此同时，后一个滑移面上位错运动 使第一个滑移面错开，造成位错源s l 与滑移向相反方向滑移，在晶体表面上留下 一个反向滑移台阶p ，于是，在p 处形成一个侵入谷；与此同时，也造成位错源 s 2 与滑移台阶q 不再处于一个平面内，如图1 2 ( c ) 。同半周期内，随着压应力 增加，位错源s 2 又被激活位错沿相反方向运动，滑出表面后，留下一个反向的滑 移台阶q ，于是，在此形成一个挤出峰，如图1 - 2 ( d ) 与此同时，又将位错源s i 带 回原位置，与滑移台阶处于一个平面内。此时，应力不断循环下去，挤出峰高度 和侵入沟深度将不断增加，而宽度不变。 从几何和能量上看，柯垂尔一赫尔模型都是可能的，但它所产生的挤出峰和 侵入谷分别出现在两个滑移系统中，与实际情况不大一致，因为挤出峰和侵入谷 常常处于同一滑移系统的相邻部位上。 驻留滑移带、挤出峰、侵入谷等都是金属在交变载荷作用下疲劳裂纹核心簸 源地。晶界、孪晶界以及非金属夹杂物等也常常是产生疲劳裂纹核心的地方。 2 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展是一个不连续的过程，可分为两个阶段。第一个阶段是从个别 侵入谷( 挤出峰) 处开始，沿着最大切应力方向 3 d 或3 6 1 5 6 ) a或5 6 注：1 进行具有循环压缩应力试验时，应使l c 4 d 或l c 4 b 。 2 在采取特殊措施的情况下，可进行a b 3 0 r a m 2 的矩形横截面的试验。 ( 2 ) 圆形试件实际最小直径的测量误差不大于0 o l m m ； 矩形试件实际最小截面的尺寸的测量误差不大于o 5 。 测量试件时应防止损伤试样的表面。 ( 3 ) 试样的夹持部分的形状和尺寸应根据试验机的央具和试料合理设计，其横截面 积与试样最大应力截面面积之比依夹持方法而定，但不应小于1 5 。若试样为旋转 夹持，则上述值应尽量大些，并采用细牙螺纹为宜。 ( 4 ) 试样的制各与贮存 1 选取的试样毛坯应能代表原材料的组织性能，取样部位取向和方法按有关 标准执行。 2 所采用的加工工艺应尽量使试样表面产生的残余应力和加工硬化减至最 小；在加工过程中，应防止过热或其他因素的影响而改变材料的疲劳性能，力求 试样表面质量的均匀一致；在铣削、车削和磨削过程中，应适当地逐次减小切削 深度和走刀量，并提供足够的冷却。 3 样坯进行热处理时，应防止变形和表面层变质。 4 建议纵向铣削、精车和精磨后，再用纵向抛光的方法进行工作部分表面的 最后精加工。 5 试样精加工后，应仔细清洗，妥善保存，防止试样变形，表面损伤和腐蚀。 辽宁科技大学工程硕士论文 2 实验方案的确定 ( 5 ) 试验条件 1 负荷 可使用不同类型的轴向疲劳试验机，试验时应满足以下要求： f 1 ) 静负荷示值精度 a 负荷示值误差不大于0 1 ： b 负荷示值变动度不大于1 。 ( 2 ) 在连续试验十小时内，动负荷示值波动度： a 平均负荷示值波动度不大于使用负荷满量程的o 1 ； b 负荷振幅示值波动度不大于使用负荷满量程的2 。 ( 3 ) 负荷需轴向施加 上下夹具牢固地夹紧试件端部。夹具的中心线应尽量与试验机的施力轴线重 合，确保沿试样轴线无间隙地准确传递循环负荷。 2 频率 应力循环频率取决于所用试验机类型、试样刚度和试验要求，所选取的频率 不得引起试样试验部分发热，建议试样频率在1 0 2 0 0 h z 范围内。 本实验的应力循环频率取：3 0h z 5 0 h z 。 同一批次试样的试验应在大致相同的频率下进行。 ( 6 ) 试验方法 1 安装试样 安装时必须仔细操作，是试样与试验机上下夹具轴线重合，尽量减少试样承 受规定轴向应力以外的其他应力。 2 施加负荷 施加负荷应平稳、准确，不得超载，在整个试验过程中，动负荷示值波动度 应符合规定。 3 终止试验 试样在规定应力下，通常一直连续试验至试样失效或规定循环次数，本试验 规定试样的循环次数为5 1 0 5 次。试样失效应发生在试样的l c 内，否则试验结果 无效。试验若有中断，应在试验报告中注明中断时的循环次数和间歇时间。 ( 7 ) 高周疲劳相关实验参数的确定 根据上述高周疲劳实验【3 2 j 的相关要求，本文制定了高周疲劳实验的相关实验 参数( 详见表2 4 ) 辽宁科技大学工程硕士论文2 宴验方案的确定 表2 - 4 试验各项参数 t a b l e2 - 4p a r a m e t e r so f e x p e r i m e n t 竺兰竺! 翌篮鐾兰兰竺竺翌 la 3 2 3 ( 头)s = 4 3 1 76 0 05 0正弦波5 1 0 52 6 2a 3 2 3 ( 头) 3a 3 2 3 ( 头) 4a 3 2 3 ( 尾) 5a 3 2 3 ( 尾) 6a 3 2 3 ( 尾) 7a 3 2 3 ( 中) 8a 3 2 3 ( 中) 9a 3 2 3 ( 中) s = 4 3 4 7 s = 4 2 8 3 s = 3 8 5 0 s = 3 7 0 4 s = 3 7 7 4 s = 4 2 _ 3 0 s = 4 2 3 3 s ；4 2 5 9 正弦波 止弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 5 1 0 5 ( 8 ) 条件疲劳极限的测定 用升降法测材料的疲劳极限。试样的数量通常需要1 3 根以上，但由于一 些客观原因本试验取9 个试样。应力增量1 盯一般在预计疲劳极限的5 以内，试 验可在3 5 级应力水平下进行。应使第一根试样的试验应力水平略高于预计疲劳 极限。根据上一根试样的试验结果( 失效或通过) ，决定下一根试样的试验应力水 平( 升高或降低) ，直至完成全部试验。对第一次出现相反结果( 失效和通过；通 过和失效) 以前的试验数据，如在以后试验数据的波动范围之外，则予以舍弃； 如在上述波动范围内，则作为有效数据加以利用，即在试验过程中，陆续将他们 平移到第一对相反结果之后，作为该试样所在应力水平下第一个有效数据。条件 疲劳极限的计算公式： o - n = 圭k q 2 i 缈m ( 2 - 1 ) 式中：m 为有效试验的总次数( 失效及通过的数据点均计算在内) ； 为试验应力水平级数； 三f 为第i 级应力水平； 阳为第i 级应力水平下的试验次数。 k 5 = 呈 3 m m 舯 1 1 2 2 3 4 如 如 瑚 | 萎 瑚 瑚 瑚 啪 渤 姗 辽宁科技大学工程硕士论文 2 实壁查苤的确定 2 2 3 低周疲劳试验方案 低周疲劳是指金属在重复塑性变形下，破坏循环次数小于5 t 0 5 时发生的疲 劳失效，失效准则可以是出现宏观微裂纹，也可以是完全破坏。对各种在使用条 件下加载次数少的结构材料进行低周疲劳试验，对工作时承受高周疲劳，但在使 用过程中出现次数虽然很少，而过载度却很大的过载的结构材料也进行低周疲劳 试验。许多材料低循环下的疲劳强度分布与静强度分布都和高周疲劳极限的分布 有很大区别，低周疲劳曲线可按完全破坏的数据绘制，也可以按裂纹开始形成的 数据绘制。低频加载时疲劳过程积累的规律性不同于高频加载时的规律性( 尽管 两者的载荷水平是相同的) 。在一般情况下可以认为，如果零件工作时有次数较少 的过载，则在评定它的使用可靠性时进行两种试验：一种是通常的高频高周疲劳 试验，一种是低频条件下的低周疲劳强度试验。 低周疲劳应理解为低频低周疲劳，至于高频低周疲劳则属于循环过载的范畴。 低周疲劳也称为静疲劳，也就是在重复静载荷下的强度。低频低周疲劳断口常常 ( 对高强度和中强度的结构材料来说) 具有典型的疲劳区，从外形看不出与经典 的疲劳断口有什么区别。 低周疲劳的特性，可用下述的三个阶段说明： 第1 阶段：金属内部按统计学规律分布的弧立孔隙和弧立裂纹的积累； 第n 阶段：裂纹沿晶界、双晶和在滑移带上的扩展； 第1 i i 阶段：主裂纹在布满微小裂纹的材料中的发展。 在低周疲劳范围所吸收的能量，从第一次加载循环开始就被消耗到破坏上， 这是低周疲劳和高周疲劳的区别之一。低周载荷引起整个塑性变形或局部( 在切 口与裂纹项部) 塑性变形的扩展。塑性变形积累的数值及积累的规律性确定了向 极限状态过渡的条件，并控制了材料的破坏特性( 准静态的、疲劳的) 。如从低周 疲劳转变为高周疲劳破坏，则会使极限塑性变形急剧降低。 对低周疲劳试验来说，应力集中对疲劳的影响具有独特的性质，因为此时有 效集中系数k o 随破坏的循环次数而变化。当寿命小于1 0 0 0 次循环时，如应力集 中( o 。= 2 8 ) 不很厉害，则不致降低低周循环的破坏强度，然而，当循环加载次数 增多时，应力集中则总是使低周疲劳强度降低。如果选择的试验基数与真实使用 情况不相符合，则根据不同结构形状试样( 带有不同应力集中) 的低周疲劳试验 结果对结构进行评定时，就会得出错误结论。应力集中对疲劳曲线的位置有很大 影响，它甚至可能使带切口的试样比光滑试样的强度更高，不过，只是在寿命曲 线的起始部分( 带曲线的交点为止) 才有这种提高。 辽宁科技大学工程硕士论文2 实验方案的确定 对具有很尖切口的试样可以确定循环次数烈o ) r a i n ，此数值将循环载荷情况 分成寿命降低两个区域。对于每种具体的材料来说，( nn ) r a i n 均有其完全特定的 数值，该参数有着明确的物理意义，即计算的结构元件不论在任何可能的应力集 中下和任何表面状态条件下，只有其寿命低于( na ) r a i n 值，则切口元件的强度不 会低于光滑试样的强度。 ( 1 ) 试验设备 低周疲劳试验设备与高周疲劳试验为同一设备，均为m t s 8 1 0 金属材料疲劳 试验机。其系统误差不大于士1 ，偏差不大于1 ，若误差达士2 时仍可使用，但 必须作出校正曲线并加以修复。误差超过士2 时，则不允许使用。相继两循环的重 复性应在所试应力或应变范围内的l 以内，或平均范围的o 5 以内，整个试验应 稳定在2 以内。 ( 2 ) 试样的制备和贮存 低周疲劳试样的尺寸和形状与高周疲劳的相同。试样应从均质的原材料或毛 坯上切取，以便统计地表征材料的性能。当材料条件允许时，根据试验目的可以 从构件和所要求的轧制方向上切取试样。试样在整个制作过程中，除试验目的在 于测定特定表面条件对疲劳的影响外，不应使金属受冷作硬化或过热作用。采用 一致的机械加工而使其表面光洁度高而均匀，以及采用使表面金属畸变最小的机 加工或抛光工艺作为最后工序。试样精加工后应仔细清洗，立即防护，妥善保存， 以防试样变形、表面损伤和腐蚀。 ( 3 ) 频率 应力循环频率取决于所用试验机类型、试样刚度和试验要求，所选取的频率 不得引起试样试验部分发热，建议试样频率在0 5 5 h z 范围内。本实验的应力循 环频率取3 h z 。同一批次试样的试验应在大致相同的频率下进行。 ( 4 ) 试验方法 1 实验条件 试验在室温，大气条件下进行。 2 试样安装 安装时必须仔细操作，是试样与试验机上下夹具轴线重合，尽量减少试样承 受规定轴向应力以外的其他应力。 3 施加负荷 施加负荷应平稳、准确，不得超载，在整个试验过程中，动负荷示值波动度 应符合试验要求。 4 终止试验 试样在规定应力下，通常一直连续试验至试样失效或规定循环次数，本试验 规定试样的循环次数为1x 1 0 5 次。试样失效应发生在试样的l c 内，否则试验结果 无效。试验若有中断，应在试验报告中注明中断时的循环次数和间歇时间。 ( 5 ) 实验方案相关参数 结合低周疲劳的实验方法和相关要求，本文制定了如表2 5 所示低周疲劳实验 相关参数： 表2 - 5 低周疲劳实验相关参数 t a b l e2 - 5p a r a m e t e r so fl o w - c y c l ef a t i g u e 编号钢种警瓣鬻波形循环次数。嚣 1 a 2 3 5 ( 中) s = 3 8 3 23 5 03 0正弦波5 1 0 41 2 7 6 2 a 2 3 5 ( 中)s = 3 9 2 33 5 0 3a 2 3 5 ( 中)s = 3 9 1 4 4 a 2 3 1 ( 尾) s = 4 3 9 5 a 2 3l ( 尾) 8 = 4 4 2 5 6a 2 3 1 ( 糕)s = 4 2 5 6 7a 2 3 2 ( 尾)s = 3 7 7 9 8 a 2 3 2 ( 尾)s = 3 8 8 3 9 b 3 3 ( 头1 s = 5 5 1 0 b 3 3 ( 头) s - - = 5 6 5 6 1 1 b 3 3 ( 头) 1 2 b 3 3 ( 中1 1 3 b 3 3 ( 中) 1 4 b 3 3 ( 中) 1 5 b 3 1 ( 尾) 1 6 b 3 1 ( 尾) 1 7 b 3 l ( 尾) s = 5 6 1 2 s = 4 9 3 4 s = 4 8 6 5 s = 4 8 j 4 s = 5 9 8 8 s = 6 0 2 6 s = 5 9 9 8 3 0 0 3 2 0 3 0 0 2 9 0 3 5 0 2 9 0 5 0 0 5 0 0 4 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 正弦波 5 x 1 0 4 5 1 0 4 5 1 0 4 5 1 0 4 5 x 1 0 4 5 x 1 0 4 5 1 0 4 1 x 1 0 4 】1 0 4 1 1 0 4 1 1 0 4 1 1 0 4 1 1 0 4 1x 1 0 4 1 1 0 4 1 1 0 4 1 3 0 6 1 0 9 6 1 4 5 5 1 2 3 9 1 1 9 2 1 3 2 3 1 0 8 7 2 7 5 0 2 8 2 8 2 5 2 8 2 4 6 7 2 1 8 9 i9 2 6 2 9 9 4 2 7 1 2 2 3 9 9 如 如 如 如 如 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 冲击试验 2 3 1 试验设备 j b 3 0 b 冲击试验机。 2 3 2 试样制备及试验方案 本试验采用夏比冲击试验进行试验，试样选自板材中心部位，分别取横向和 纵向冲击试样，按a p l 5 ls p a c e 标准采用l 2 厚度试样，试样尺寸为5 m m x1 0 m m 5 5 m m ，加工试样时保留了原板的一面( 仅为磨光) ，4 5 。v 型缺口深2 m m ，试 验温度为2 0 。冲击试样尺寸如图： 图2 - 2 冲击试样尺寸( m m ) f i g 2 2 d i m e n s i o n s o f s a m p l e f o r s h a r p y i m p a c t t e s t ( m m ) 2 4 疲劳断口和冲击断口的形貌观察 工程构件或机械零件的尺寸、形状或材料性能都会在某种外界因素的作用下 发生变化，甚至会发生局部或整体的断裂，导致无法执行其预定的功能，我们称 其为机械失效现象。只有通过正确地辨、认和评价才可能影响设计和产品呢生产的 全部潜在失效形式，才能够成功的设计并生产出防止过早出现失效现象的材料。 因此本文通过扫描电镜对实验中疲劳试样和冲击试样的断口进行扫描，并对其失 效形式和失效原因进行了分析，从而为改善热轧双相钢疲劳性能和冲击性能提供 理论依据。 盾 辽宁科技大学工程硕士论文 3 热轧双相钢疲劳性能的研究 3 1 引言 3 热轧双相钢疲劳性畿研究 疲劳断裂时引起工程结构和工件失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳断裂 的原因并未完全认识，尚待进一步地深入研究，但是掌握材料疲劳断裂的基本规 律，对广大工程人员在材料研制、机械设计等领域无疑是十分重要的l ”j 。 对于处于循环应力水平低、寿命较长情况下，用s - n 曲线来描述材料疲劳陛 能是十分合适的。本章进行了高周疲劳实验来测定实验钢种的疲劳极限及s - n 曲 线，并结合疲劳试样的金相组织观察、疲劳断口形貌等实验对热轧双相钢疲劳性 能规律进行了初步的研究。 3 2 高周疲劳实验 3 2 1 实验铜化学成分及实验方案 ( 1 ) 化学成分 表3 - 1 钢种化学成分( 质量分数，) t a b l e3 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t e s ts t e e l ( m a s s ，) 开轧温度( ) 终轧温度( ) 卷取温度( ) 变形制度( r a m ) 1 0 5 0 7 4 04 0 0 4 0 _ 2 8 2 0 一1 4 _ l o 一7 _ 5 _ 3 5 3 2 2 实验结果 表3 - 3 高周疲劳实验测试结果 t a b l e 3 - 3r e s u l t so f h i g hc y c l ef a t i g u ee x p e r i m e n t 3 2 3 疲劳极限的测定 根据条件疲劳极限的计算公式 一击喜v 盯 可得试验用钢a 3 2 3 的条件疲劳极限为 盯。= 9 ( 6 0 0 + 2 3 0 + 3 5 。十3 8 0 + 3 5 0 + 3 2 0 + 2 9 0 + 3 2 0 + 3 5 0 ) = 3 5 1 ( m p a ) 3 2 4s - n 曲线的测定 ( 3 1 ) 工件在交变载荷的作用下，金属所承受的交变应力和断裂循环周次之闻的关 系通常用疲劳曲线( s - n 曲线) 进行描述。多年来入们通过对金属疲劳现象的研究 发现，金属承受的交变应力越大，则断裂时交变的次数越少：反之，如果交变应 力越小，则断裂时交变的次数越多。如果将所加的应力和断裂周次绘制曲线，则 得到了疲劳曲线。 图3 1 所示曲线即为实验钢种的高周疲劳s ，n 曲线，实验结果显示：在应力 低于3 2 5 m p a 时，s - n 曲线的下降趋势发生了明显的变化，并出现了明显的平台， 也就是说此时试样不会发生疲劳断裂。因此，从s n 曲线中可以得知疲劳试样的 疲劳极限为3 2 0 m p a 左右。这与实际的计算结果是比较吻合的。 疲劳寿命n 图3 - 1 高周疲劳s - n 曲线 f i g 3 - 1s - nc u r v eo f