王亞北，岳峰麗，張士宏，宋鴻武，鄧偲瀛，鄒立春

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016;

3.長春一汽富維汽車零部件股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

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DP600雙相鋼疲勞分析

王亞北1，岳峰麗1，張士宏2，宋鴻武2，鄧偲瀛2，鄒立春3

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016;

3.長春一汽富維汽車零部件股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

摘要：對DP600雙相鋼進(jìn)行材料疲勞測試,考察材料的疲勞特性。DP600雙相鋼進(jìn)行拉壓疲勞測試，通過誤差系數(shù)評價指數(shù)數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式，得到DP600雙相鋼的S-N曲線擬合方程，并利用有限元模擬進(jìn)行驗證，得到該材料的疲勞極限為260.17MPa。

關(guān)鍵詞：DP600雙相鋼 ； 疲勞測試； S-N曲線擬合； Fe-safe

在全球面臨嚴(yán)重的能源匱乏和環(huán)境污染的情況下，汽車輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向，采用高強(qiáng)鋼板是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。由于雙相鋼具有各項同性、更高的應(yīng)變硬化指數(shù)、無屈服點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使得雙相鋼開始出現(xiàn)便廣泛應(yīng)用于汽車沖壓成型零件[1]。文獻(xiàn)[2]對 DP800進(jìn)行了疲勞性能研究，得到了DP800疲勞壽命計算公式，進(jìn)而得到疲勞極限。文獻(xiàn)[3]對比了不同的載荷比(R=-1和R=0.1)和不同模型(Goodman和Morro模型)的S-N曲線，得到Morrow疲勞模型在γ=0.85、R=0.1預(yù)測平均應(yīng)力的影響。本文在此基礎(chǔ)上對DP600進(jìn)行疲勞試驗和S-N曲線的擬合，并用有限元模擬方法進(jìn)行驗證。

1　DP600雙相鋼簡介

實驗采用臺灣中鋼，根據(jù)國標(biāo)GB/T4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》測得試驗鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1　DP600雙相鋼的化學(xué)成分　Wt.%

2　DP600雙相鋼疲勞分析

在工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力總是低于材料的屈服強(qiáng)度σs(σ0.2)。通常，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下，材料不會發(fā)生塑性變形，更不會發(fā)生斷裂。但是，在變動應(yīng)力作用下，即使所承受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，材料也有可能發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。

為保證機(jī)械和工程構(gòu)件能安全可靠的運(yùn)行，必須防止其零部件，尤其是重要零部件的失效，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測和機(jī)構(gòu)疲勞的可靠性評估[4]。

DP600雙相鋼疲勞試驗根據(jù)國標(biāo)GB/T3075-2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》，設(shè)計試驗樣件，如圖1所示，為便于測量，加了10mm的平行段。每個試樣均沿軋制方向切割，準(zhǔn)備15個樣件以備使用，樣件的厚度為4mm，樣件表面粗糙度應(yīng)小于或等于0.2μm。采用升降方法測定S-N曲線。

圖1　疲勞試樣尺寸/mm

采用對稱拉壓試驗得到的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　DP600母材疲勞試驗數(shù)據(jù)

從表2可知：σ≤265MPa時材料的壽命N≥107，隨著加載的應(yīng)力不斷增大，壽命降低，材料發(fā)生疲勞斷裂。

2.1　DP600 S-N曲線擬合

本疲勞試驗是高周疲勞試驗，因此進(jìn)行S-N曲線擬合時采用兩參數(shù)公式，其中包括指數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式[5]。

(1)指數(shù)函數(shù)公式擬合S-N曲線

將試驗所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成lgS和lgN，轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)如表3所示，利用指數(shù)函數(shù)公式進(jìn)行S-N曲線擬合。

表3　轉(zhuǎn)化成對數(shù)所得數(shù)據(jù)

指數(shù)函數(shù)公式為

N·eαs=C

(1)

式中α和C為材料常數(shù)。式(1)兩邊取對數(shù)可得

lgN=a+bS

(2)

式中的a和b為材料常數(shù)。由此可見，指數(shù)函數(shù)的S-N經(jīng)驗公式在半對數(shù)坐標(biāo)圖上為一直線。擬合的直線如圖2所示。擬合后的方程為

lgN=-0.0352S+16.072

(3)

(2) 冪函數(shù)公式擬合S-N曲線

冪函數(shù)擬合公式為

SαN=C

(4)

式(4)取對數(shù)，整理后得

lgN=a+b·lgS

(5)

圖2　指數(shù)函數(shù)公式擬合的S-N曲線

由此可見，冪函數(shù)的S-N經(jīng)驗公式在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上為一直線。擬合的直線如圖3所示。擬合后的方程為

lgN=-23.0038lgS+62.4811

(6)

(3)利用Basquin公式擬合S-N曲線[6]

Basquin公式為

(7)

兩邊取對數(shù)得

lgS=C+blg(2N)

(8)

由此擬合的S-N曲線如圖4所示。擬合的公式為

lgS=2.7-0.039lg(2N)即Sa=501.18(2N)-0.039

(9)

圖3　冪函數(shù)公式擬合的S-N曲線

圖4　Basquin公式擬合S-N曲線

2.2　S-N曲線擬合的比較和驗證

將試驗的應(yīng)力值分別帶入式(3)，對指數(shù)函數(shù)公式進(jìn)行檢驗，得到的疲勞壽命如表4所示。

表4　指數(shù)函數(shù)公式計算得到的試樣壽命

則指數(shù)函數(shù)公式得到的誤差系數(shù)μ=0.53；

將試驗應(yīng)力分別帶入公式(6)，對公式進(jìn)行驗證得到冪函數(shù)公式的誤差系數(shù)μ=0.54；將試驗應(yīng)力分別帶入公式(9)，對公式進(jìn)行驗證得到Basquin公式的誤差系數(shù)為μ=0.21。

由以上誤差系數(shù)的驗證可知Basquin公式擬合的S-N曲線更接近真實的S-N曲線，因此選擇Basquin公式擬合的S-N曲線，公式為Sa=501.18(2N)-0.039。根據(jù)Basquin公式擬合的方程得到材料的疲勞極限σ-1=260.17MPa，即σ-1=0.4σb(材料的抗拉強(qiáng)度σb=643.7MPa)。

3　疲勞模擬驗證S-N曲線的準(zhǔn)確性

根據(jù)疲勞試樣試件進(jìn)行有限元建模，隨機(jī)加載一個實驗應(yīng)力(295MPa)，進(jìn)行靜力分析，得到的最大應(yīng)力為299MPa，如圖5所示。然后將靜力分析的結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe進(jìn)行疲勞壽命模擬與預(yù)測，將Basquin公式擬合的S-N曲線加入本模擬，得到的最小壽命為527672，安全系數(shù)為0.858，如圖6所示。由模擬壽命和真實試驗壽命得到的誤差系數(shù)為μ=0.12，符合要求。

圖5　靜力分析結(jié)果

圖6　疲勞模擬壽命

4　結(jié)論

(1)通過誤差系數(shù)來評價指數(shù)函數(shù)公式、冪函數(shù)公式和Basquin公式，Basquin擬合結(jié)果誤差系數(shù)更小，因此得到DP600雙相鋼的S-N曲線擬合公式為Sa=501.18(2N)-0.039。

(2)根據(jù)Basquin擬合公式得到材料在加載頻率為10Hz拉壓循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下，DP600雙相鋼的疲勞極限為260.17MPa即0.4σb。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃全偉，宋仁伯.700MPa級熱軋雙相鋼的組織性能[J].鋼鐵研究學(xué)報，2009,21(8)：21-24.

[2]于燕，張小盟，江秋.汽車用高強(qiáng)鋼板DP800的疲勞性能研究[J].熱加工工藝,2013，42(20)：106-108.

[3] Irwan Herman Onn,Norhayati Ahmad,Mohd Nasir Tamin.Fatigue Characteristics of Dual Phase Steel Sheets [C].9th International Conference on Fracture & Strength of Solids，2013.

[4]王鳳雪.汽車用雙相鋼疲勞性能研究[D].長春：長春大學(xué)，2013.

[5]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[6]Giri SK,D.Bhattacharjee.Fatigue Behavior of Thin Sheets of DP590 Dual-Phase Steel[J].Journal of materials engineering and performance,2012,21(6):988-994.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Fatigue Analysis of DP600 Dual-phase Steel

WANG Yabei1，YUE Fengli1,ZHANG Shihong2,SONG Hongwu2,

DENG Siying2,ZOU Lichun3

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;

2.Shenyang Advanced Materials Research Center Institute of Metal Research,Shenyang 110016,China;

3.Changchun FAWAY Automobile components Co.,Ltd.R & D,Changchun 130011,China)

Abstract：The fatigue properties of DP600 dual-phase steel have been investigated using fatigue testing.The equation of S-N curve was fitted by evaluation of error coefficient and comparisons of exponent function,power function and Basquin equations.The fitted equation was verified using finite element simulation.Tension-compression fatigue tests were conducted to obtain the fatigue limit of 265MPa.

Key words：DP600 dual-phase steel；fatigue testing ；S-N curve fitting；Fe-safe

中圖分類號：TB302.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2015)01-0052-04

通信作者：

作者簡介：王亞北(1987—)，女，碩士研究生;岳峰麗(1970—)，女，副教授，研究方向：汽車現(xiàn)代設(shè)計及制造技術(shù)。

收稿日期：2014-03-27