新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究

第 4 8卷第 2 2期 2 0 1 2 年1 1月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG V0 1 48 NO V NO 22 2 0 1 2 DoI 1 O 3 90 1 J M E 2 01 2 2 2 0 2 7 新型热轧纳米析出强化超 高强汽 疲 劳性能研 究木 车板的 王晓南 杜林秀2 邸洪双 2 1 苏州大学沙钢钢铁学院苏州2 1 5 0 2 1 2 东北大学轧制技术及连轧 自动化 国家重点实验室沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要 利用 MT S 8 1 0疲劳试验系统进行高周疲劳试验 研究新型热轧 N b T i 微合金化抗拉强度 7 0 0 MP a级车厢板和 7 8 0 MP a 级大梁的疲劳性能 探讨晶粒尺寸 第二相 析出物 夹杂物 等对疲劳性能的影响机理 结果表明 在载荷比 R 一 1和循环 基数为 1 0 条件下 7 0 0 MP a 级车厢板和 7 8 0 MP a级大梁钢的条件疲劳强度分别为 4 3 8 I V P a 和 4 4 3 MP a 疲劳强度 比分别为 0 6 1 和 0 5 7 明显高于一般钢材 试验钢的疲劳裂纹源包含驻留滑移带 P e r s i s t e n t s l i p b a n d s P S B 和大尺寸析出物或夹杂物 析出物尺寸越细小 发生裂纹失稳扩展所需要的临界断裂应力越高 不易形成疲劳裂纹源 第二相尺寸相当的前提下 带尖 角的方形第二相较圆形或椭圆形第二相更易在交变载荷过程中发生应力集中 形成疲劳裂纹源 晶粒的超细化 析出物的纳 米化 颗粒状或短棒状碳化物 低夹杂物水平是新型超高强汽车板具有优良抗疲劳性能的主要原因 关键词 疲劳第二相超高强钢微合金钢疲劳强度比 中图分类号 T G1 4 2 S t ud y o n Fa t i g ue Pr o pe r t y o f Ne w T y pe Ho t r o l l e d Na n o Pr e c i pi t a t i o n S t r e n g t h e n i n g Ul t r a h i g h S t r e ng t h Au t o m o b i l e S t r i p WANG Xi a o n a n DU Li n xi u 2 DI Ho ng s h u a n g 2 1 S h a g a n g S c h o o l o f I r o n a n d S t e e l S o o c h o w Un i v e r s i t y S u z h o u 2 1 5 0 2 1 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Ro l l i n g a n d A u t o ma t i o n No r t h e a s t e rn U n i v e r s i ty S h e n y ang 1 1 0 8 1 9 Ab s t r a c t By h i g h c y c l e f a ti g u e t e s t o n MTS 一 8 1 0 ma t e ria l t e s t i n g s y s t e m t h e f a t i g u e p r o p e r t y o f n e w d e v e l o p e d h o t r o l l e d Nb a n d T i mi c r o a l l o y i n g 7 0 0 M e a g r a d e c a r r i a g e s t r i p a n d 7 8 0 M P a gr a d e c r o s s b e a m s t r i p a r e s t u d i e d an d t h e e ff e c t s o f gra i n s i z e s e c o n d p h a s e p r e c i p i t a t i o n a n d i n c l u s i o n h i g h l o w ang l e gra i n b o u n d a r i e s a n d c a r b i d e O i l f a t i g u e p r o p e r t y are i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t i n d i c a t e t h a t wh e n t h e l o a d r a ti o R o f 一1 a n d c y c l e b a s e n u mb e r o f 1 0 the c o n d i t i o n s f a t i gu e s e n g t h o f 7 0 0 M P a g r a d e c a r r i a g e s t r i p and 7 8 0 MPa gra d e c r o s s b e am s t ri p a r e 4 3 8 MPa a n d 4 4 3 MPa r e s p e c t i v e l y Th e f a t i gu e s t r e n g t h r a ti o o f 7 0 0 MP a gra d e c a r r i a g e s t r i p and 7 8 0 MP a gra d e c r o s s b e a m s t ri p are 0 6 1 a n d O 5 7 r e s p e c ti v e l y wh i c h h i g h e r tha n g e n e r a l s t e e 1 F a t i gue c r a c k s o u r c e o f e x p e ri me n t a l s t e e l are p e r s i s t e n t s l i p b a n d s P S B a n d c o ars e p r e c i p i t a t i o n o r i n c l u s i o n Wh e n the s i z e o f p r e c i p i t a t i o n i s s ma l l t h e c ri t i c a l f r a c t u r e s tr e s s o f c r a c k i n s t a b i l i t y p r o p a g a t i o n i s h i ghe r S O n a n o s c a l e p r e c i p i tati o n v e r y h ard t o b e c o me f a t i gue c r a c k s o ur c e Whe n th e s i z e o f s e c o n d p h a s e i s n e arl y c o n tra s t t o r o u n d e d c l o s e d a n g l e c o ars e p r e c i p i t a t i o n o r i n c l u s i o n t h e q u a d r a t e p r e c i p i tat i o n o r i n c l u s i o n are e a s i l y t o g e n e r a t e s tr e s s c o n c e n t r a t i o n an d b e c o me t o f a t i gu e c r a c k s o ur c e Th e r e a s o n s o f e x p e r i me n tal s t e e l s h a v i n g e x c e l l e n t a n t i f a t i gu e p e r f o r manc e are u l tra fi n e g r a i n s i z e n a n o me t e r p r e c i p i tati o n an d granu l ar o r s h o r t b ar c arb i d e s Ke y wo r d s F a t i gue S e c o n d p h a s e Ul tr a h i gh s e n g t h s t e e l Mi c r o a l l o y s t e e l F a t i gue s tr e n g t h r a t i o 0 前言 汽车工业是 目前工程领域发展最快行业之一 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 1 C B6 0 6 3 0 6 2 和教育部基 本科研业务费项 目研究生科研创新 N0 9 0 6 0 7 0 0 3 资助项 目 2 0 1 2 0 6 1 4 收到初稿 2 0 1 2 1 0 0 8收到修改稿 随着温室效应的加重及石油价格的不断攀升 重载 汽车 的轻量化步伐也逐渐加快 采用超高强度薄 钢板替代低强度厚钢板 可在减少钢材用量同时提 高有效负载能力和运输效率 J 从而达到节能减排的 目的 对国民经济 的健康可持续发展具有重要意义 新产 品开发及汽车 结构 设计 需要着 重考 虑钢板 的 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第 4 8 卷第 2 2期 疲劳性能 疲劳性能的优异直接决定着产品使用寿 命 3 5 一般而言 钢材的疲劳强度与抗拉强度存在 正比例关系 钢材的抗拉强度越高其疲劳强度 越高 晶粒尺寸 M A岛形态及体积分数 夹杂物水 平等影响钢材的疲劳性 能 研究表 明L 6 J 在抗拉强 度相同的条件下 粒状珠光体较片状珠光体具有更 高的疲劳强度 如共析钢片状珠光体和粒状珠光体 的弯 曲疲劳强度 1 分别为 2 3 5 MP a 和 2 8 6 MP a 等温 淬火获得 的贝氏体较淬火 回火组织具有更 高 的疲劳强度 含有残余奥 氏体薄膜的准贝氏体钢具 有更高的疲劳强度及寿命 孙淑华 j 研究表明细化 珠 光体片层间距可 有效减缓疲 劳裂纹扩展速率 Z H ON G等 8 认为晶界处 M A 岛薄膜结构通过提高 粗糙度诱发闭合效应来降低裂纹扩展速率 可有效 阻碍疲劳裂纹扩展 K I M 等 认为当组织中存在面 积超过 1 t x m2 的 M A 岛时 将会导致疲劳裂纹快速 形成并扩展 随钢板强度级别的提高 夹杂物对疲劳 性能的影响更为显著 夹杂物会成为疲劳裂纹源 钢 中的夹杂物尺寸越小 数量越少越有利于提高疲劳性 能 Y A NG等 o J 提出 零夹杂 的概念 即通过特殊 冶炼方法 尽量减少钢中氧 硫等杂质元素 使钢中 最大非金属夹杂物尺寸小于 1 m 一般钢材最大夹杂 物尺寸在几十微米 可以大幅度提高钢材的疲劳强 度 目前 该项研究已取得一定的进展 但仍有很多 技术 问题如临界夹杂尺寸控制 表面加工质量与其 内 部夹杂尺寸对疲劳性能影响的竞争机制 夹杂物控制 成本等有待于进一步研 究与探讨 汽车结构件的疲劳破坏是零件失效 的主要形 式之一 而且钢材的疲劳性能是进行产品设计和使 用寿命预测的重要参数 但是 由于疲劳试验周期 较长且成本较高 S N 曲线的建立和条件疲劳强度 确定相对困难 因此 有关于超高强汽车板的条件 疲劳极限 以及 晶粒尺寸 纳米尺度析出物 大小 角度晶界 粗大的析 出物及夹杂物等对其疲劳性能 方面 的研 究相对较少 但对 于新 开发汽车用钢来 说 深入分析研究其疲劳性能对产品使用及推广应 用有着重要的指导作用 本文通过对所开发的新型 热轧纳米析出强化超高强汽车板开展疲劳试验 建 立试验钢的 曲线和确定其条件疲劳极限 揭示 显微组织 纳米尺度析 出物及第二相 粗大析出物及 夹杂物1 对疲劳性能的影响机理 1 试验材料及方法 学成分 通过控制轧制和控制冷却工艺 综合运用 细 晶强化 析出强化 固溶强化 位错强化及相变 强化强化机制 获得 良好的组织形态和大量弥散分 布尺寸在 1 0 h i l l 以下f Nb T i C析出物 使得试验钢 具有优 良的力学性能及成形性能 1 卜 用于疲劳试 验 的钢板取 自某厂 1 7 5 0 I T l l n热连轧线 表 2列出 试验钢 的力学性能及成形性能 表 2中 d表示冷弯 试验的弯 曲半径 弯曲角度为 1 8 0 试验钢的冷弯 性能优 良 表 1 试验钢 的主要化学成分 表2 试验钢的力学性能及成形性能 根据 G B T 3 0 7 5 2 0 0 8金属材料疲劳试验轴 向 力控制方法进行疲劳试样的设计 图 1 示 出疲劳试 样尺寸 试样在机械加工过程中需要控制进给量及 加工速度 以减少试样表面加工硬化层对疲劳性能 的影响 最后 采用金相砂纸对工作部分进行最后 的表面处理 试验在 MT S 8 1 0材料试验系统上完 成 试验在室温条件下进行 采用纵向拉压加载方 式 应力循环 曲线为正弦线 频率为 5 0 Hz 拉压 载荷 比 一 1 循环基数为 1 0 图 1 疲劳试样尺寸图 采用 4 硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀 利用 F E I Q u a n t a 6 0 0扫描电子显微镜对试验钢的微 观组织进行观察 采用 6 9 高氯酸酒精溶液对 厚度为 5 0 g m 的 l n l l l 试样进行 电解双喷 溶液温 度控制在一 3 0 2 0 电压为 1 5 2 0 V 利用 F E I T e c n a i G F 2 0 场发射透射 电子显微镜对典型试样的 精细组织进行观察 工作电压取 2 0 0 k V 在断裂的 疲劳试样上取样 利用扫描 电镜对疲劳断 口微观形 貌进行观察 利用 E D A X 能谱确定断 口上的夹杂物 的化学成分 2 试验结果 抗拉强度 7 0 0 MP a 级车厢板和 7 8 0 MP a 级大梁 钢均 以低含碳量高含锰量为基础化学成分 复合添 2 1 试验钢的微观组织 加微合金元素铌和钛 表 1 给出了试验钢的主要化 图 2示出抗拉强度 7 0 0 MP a级车厢板 图 2 a 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 2年 l 1 月 王晓南等 新型热轧纳米析出强化超高强汽车板的疲劳性能研究 3 3 a d v a n c e d l l a n o p r e c i p i t a t e s tr e n g t h e n e d u l t r a h i g h s tr e n g t h s t e e l s J Ma t e ri a l s C h i n a 2 0 1 1 3 0 1 2 6 1 1 2 MI S R A R D K N AT H AN I H H AR T MA NN J E e t a 1 Mi c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o n i n a n e w 7 7 0 M P a h o t r o l l e d N b T i mi c r o a l l o y e d s t e e l J Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g A 2 0 0 5 3 9 4 3 3 9 3 5 2 3 赵阳 陈礼清 王贵桥 等 V 和 V 微合金非调 质钢疲劳性能 J 机械工程学报 2 0 1 0 4 6 1 6 1 31 1 3 5 Z HAO Ya n g CHEN Li q i n g W ANG Gu i q i a o e t a 1 F a t i g u e b e h a v i o r s o f Nb V and V mi c r o a l l o y e d f o r g i n g s t e e l s J J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 2 0 1 0 4 6 1 6 1 3 1 1 3 5 4 L I U Y B L I Y D L I S X e t a 1 P r e d i c t i o n o f t h e c u r v e s o f h i g h s tr e n g t h s t e e l s i n t h e v e r y h i 曲 c y c l e f a t i gue r e g i me J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e 2 0 1 0 3 2 1 3 5 1 1 3 5 7 5 鲁连涛 张卫华 高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为 的研究 J 机械工程学报 2 0 0 5 4 1 1 0 1 6 L U Li an t a o Z HANG We i h u a F a t i gu e b e h a v i o u r o f a h i g h c a r b o n c h r o mi u m b e a r i n g s t e e l i n s u p e r l o n g l i f e r e g i o n J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 2 0 0 5 4 1 1 0 1 6 6 刘宗昌 任慧平 过冷奥氏体扩散型相变 M 北京 科学出版社 2 0 0 7 L I U Z o n g c h a n g REN Hu i p i n g Di ffu s i o n tra n s f o r ma t i o n o f s u p e r c o o l e d a u s t e n i t e M B e ij i n g S c i e n c e P r e s s 2 00 7 7 孙淑华 显微组织对珠光体钢疲劳裂纹扩展速率的影 响 J 物理测试 2 0 0 4 2 7 1 0 S UN S h u h u a E ffe c t o f mi c r o s t r u c t u r e o n p r o p a g a t i o n r a t e o f f a t i gue c r a c k i n p e a r l i t i c s t e e l s J P h y s i c s E x a mi n a t i o n a n d T e s t i n g 2 0 0 4 2 7 1 0 8 Z I I O NG Y o n g XI AO F u r e n Z H A NG J i n g w u e t a 1 I n s i t u TE M s t u d y o f t h e e ff e c t o fM A fi l ms a t g r a in b o u n d a r i e s o n c r a c k p r o p a g a ti o n i n a l l u l t r a fi n e a c i c ula r f e r r i t e p i p e l i n e s t e e l J A c t a Ma t e r i a l i a 2 0 0 6 5 4 4 3 5 4 4 3 9 KI M S H K A NG D H K I M T w e t a 1 F a t i gue c r a c k g r o wt h b e h a v i o r o f t h e s i mu l a t e d HAZ o f 8 0 0 M P a g r a d e hig h p e r f o rm anc e s t e e l J Ma t e r i a l s S c i e n c e and E n g i n e e r i n g 2 0 1 1 A5 2 8 6 2 3 3 1 2 3 3 8 1 0 Y A NG Z G Y A O G L I G e t a 1 T h e e ff e c t o f i n c l u s i o n s o n t h e f a t i gu e b e h a v i o r o f fi n e gra i n e d h i g h s t r e n gth 4 2 G r Mo V Nb s t e e l J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Fa t i gu e 2 0 0 4 2 6 9 5 9 9 6 6 1 1 宋勇军 王晓南 徐兆国 等 7 0 0 MP a级超高强重载 汽车车厢板的研制 J 机械工程学报 2 0 1 1 4 7 2 2 6 9 7 9 S O NG Y o n g j u n WANG Xi a o n an XU Z h a o g u o e t a 1 De v e l o p me n t o f 7 0 0 M P a g r a d e u l tra h i g h s tre n g t h h e a v y d u t y a u t o mo b i l e c a r r i a g e s t r i p j J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g 2 0 1 1 4 7 2 2 6 9 7 9 1 2 WA NG Xi a o n an DU L i n x i u D I H o n g s h u a n g e t a 1 E ffe c t o f d e f o r m a t i o n o n c o n t i n u o u s c o o l i n g p h a