彭文杰 張彥文

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

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20kHz和140Hz下高強(qiáng)汽車彈簧用鋼的疲勞性能

彭文杰 張彥文

(武鋼研究院 湖北 武漢：430080)

對一種高強(qiáng)汽車彈簧用鋼分別進(jìn)行了常規(guī)疲勞和超高周疲勞試驗(yàn)。常規(guī)疲勞試驗(yàn)頻率為140Hz，超高周疲勞試驗(yàn)頻率為20kHz。采用掃描電鏡分別對失效試樣進(jìn)行斷口掃描分析。結(jié)果表明，140Hz和20kHz下的疲勞斷口表現(xiàn)出相似的特征，在106循環(huán)周次內(nèi)失效的試樣斷口起源萌生于試樣表面；而高周和超高周疲勞試樣斷口起裂于試樣次表面或內(nèi)部，且斷口呈現(xiàn)“魚眼”狀特征。另外，超高周疲勞斷口裂紋源周圍存在粒狀亮面特征區(qū)。彈簧鋼的超高周疲勞S/N曲線呈現(xiàn)二次下降型特性，其S/N曲線的形態(tài)特征跟試樣夾雜物尺寸密切相關(guān)。140Hz得到的疲勞試驗(yàn)結(jié)果與20kHz下的超高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果有著明顯的偏差，彈簧鋼頻率效應(yīng)明顯。

高強(qiáng)彈簧鋼；超高周疲勞；魚眼；粒狀亮面；頻率效應(yīng)

近年來，隨著汽車的輕量化和高性能化的發(fā)展，迫切要求提高彈簧鋼的強(qiáng)度和延長疲勞壽命。研究高強(qiáng)度長壽命彈簧鋼是當(dāng)今彈簧研究和開發(fā)的主要方向之一。彈簧鋼的疲勞性能是其最為關(guān)鍵的性能之一，且隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，彈簧鋼開始呈現(xiàn)107以上的超高周次的特征[1-2]，傳統(tǒng)的107循環(huán)壽命設(shè)計(jì)已不能滿足需要。采用常規(guī)的疲勞試驗(yàn)設(shè)備研究材料的超高周疲勞性能非常困難，用頻率100Hz的常規(guī)設(shè)備完成109周次的疲勞實(shí)驗(yàn)，大約需要116天，消耗大量的時間成本。超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超高周疲勞實(shí)驗(yàn)最有效的手段，其振動頻率高達(dá)20kHz，可以大大縮短了實(shí)驗(yàn)時間。

本文利用USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)，對一種高強(qiáng)汽車彈簧用鋼進(jìn)行了109超高周疲勞試驗(yàn)，對彈簧鋼超高周疲勞斷口特征和超高周S/N曲線形態(tài)進(jìn)行了分析和研究。同時利用常規(guī)電磁諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)，對彈簧鋼進(jìn)行了107高周疲勞試驗(yàn)，來對比不同級別頻率下彈簧鋼的斷口特征和頻率效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)超聲疲勞試樣時，其尺寸必須滿足與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)諧振的條件[3]。設(shè)計(jì)的試樣如圖1所示。在加工超聲疲勞試樣時，留出一定的加工余量，再利用細(xì)砂紙對試樣中間部位進(jìn)行研磨拋光，保證試樣表面粗糙度低于0.35。

圖1 彈簧鋼超高周疲勞試樣，L1=20mm, R1=2mm，R2=6mm，L2=10.55mm

本文試驗(yàn)用彈簧鋼的硬度HV=380，拉伸強(qiáng)度1120MPa。超高周疲勞試驗(yàn)在USF-2000超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)頻率20kHz，應(yīng)力比為R=-1，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室溫，使用冷卻空氣對試樣中部噴吹，同時設(shè)置時間振動時間和間歇時間各為100ms，便于試樣散熱。用Quanta 400掃描電鏡分析失效試樣斷口形貌，用EDAX能譜儀對疲勞源區(qū)進(jìn)行成分分析。

為了消除試樣形狀和尺寸對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，我們在進(jìn)行常規(guī)疲勞實(shí)驗(yàn)時，采用和超聲疲勞試樣相似的形狀和尺寸，如圖2所示，兩種頻率下的試樣最小直徑相同，并且過度弧跨度相同。試驗(yàn)中的超聲疲勞試樣和高頻疲勞試樣如圖3所示。

圖2 彈簧鋼高頻疲勞試樣尺寸

圖3 超聲疲勞試驗(yàn)和常規(guī)高頻疲勞試驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞斷口特征對比

失效試樣斷口掃描發(fā)現(xiàn)140Hz和20kHz下106周次以內(nèi)斷裂的試樣失效均起源于試樣表面，高周(Nf>2.0×106)和超高周次(Nf>1.0×107)下斷裂的試樣失效起源于試樣次表面或試樣內(nèi)部。圖4和圖5分別給出了20kHz下高周和超高周次失效試樣斷口形貌。可以看出兩個試樣失效均起源于試樣內(nèi)部，且疲勞斷口均呈現(xiàn)“魚眼”狀。不同的是Nf=1.86×108的斷口夾雜物附近存在一個由許多細(xì)顆粒狀粗糙的亮面區(qū)，稱其為粒狀亮面GBF(Granular Bright Facet)，如圖5所示。GBF是超高周疲勞斷口的一個重要特征，它的形成占據(jù)了整個疲勞壽命的90%以上的比例[4-6]，因此大量的超高周疲勞研究都集中于GBF的形成機(jī)理[4-8]。

圖4 σa=575MPa,Nf=5.75×106的失效試樣斷口

圖5 σa=500MPa,Nf=1.86×108的失效試樣斷口

圖6 140Hz下的高周疲勞斷(σa=525MPa,Nf=5.97×106)

140Hz下失效試樣斷口掃描同樣發(fā)現(xiàn)高周(Nf>2.0×106)疲勞試樣斷口起裂于試樣內(nèi)部，如圖6所示。對比圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn)，140Hz和20kHz下的高周疲勞斷口均起裂于試樣內(nèi)部不均勻組織結(jié)構(gòu)，且均呈現(xiàn)“魚眼”狀，其GBF區(qū)都不明顯。截取文獻(xiàn)中100Hz下的超高周疲勞斷口如圖7所示[9]，可以發(fā)現(xiàn)，在100Hz下的超高周疲勞斷口起裂于試樣內(nèi)部夾雜物，其夾雜物周圍也存在明顯的GBF區(qū)，這與20kHz下的超高周疲勞斷口特征同樣類似。綜上所述，可以看出，高頻和超聲頻率下的疲勞斷口特征類似，其共同特征一般為：

(1)低周疲勞斷口(Nf<2.0×106)起裂于試樣表面。

圖7 高頻下的超高周疲勞斷口[9]

(2)高周疲勞斷口(1.0×107>Nf>2.0×106)起裂于試樣內(nèi)部不均勻組織，斷口起源點(diǎn)附近GBF區(qū)不明顯。

(3)超高周疲勞斷口(Nf>1.0×107)起裂于試樣內(nèi)部不均勻組織，斷口起源點(diǎn)附近有明顯的GBF區(qū)。

2.2 超高周S/N曲線特征

圖8為測得的彈簧鋼超高周和高周S/N曲線。由圖8可以看出，彈簧鋼的超高周S/N曲線為臺階型，曲線由兩部分組成，一部分對應(yīng)于短壽命曲線；另一部分為長壽命曲線；在中間轉(zhuǎn)變應(yīng)力處存在一個較短的水平平臺。在臺階以上高應(yīng)力幅區(qū)，材料的疲勞破壞均起源于試樣的表面基體，而在水平臺階以下的超長壽命范圍，疲勞斷裂起源于試樣內(nèi)部，隨著應(yīng)力幅值的減小，彈簧鋼的S/N曲線持續(xù)下降。在水平平臺的應(yīng)力水平上，疲勞裂紋的表面萌生和內(nèi)部基體萌生均會發(fā)生。

除了臺階型曲線外，還有連續(xù)下降型和疲勞極限型S/N曲線，超高周S/N曲線形態(tài)與材料的夾雜物尺寸密切相關(guān)[10]。傳統(tǒng)的常規(guī)疲勞試驗(yàn)由于頻率限制，一般只做到107周次，因此，相應(yīng)的只能得到疲勞極限型S/N曲線。

圖8 測得的彈簧鋼140Hz和20kHz下的S/N曲線

2.3 頻率效應(yīng)

由圖8可以看出140Hz和20kHz下彈簧鋼的疲勞壽命相差較大，20kHz下的疲勞壽命明顯高于140Hz。如果直接將20kHz的疲勞結(jié)果用于常規(guī)頻率，會帶來危險的結(jié)果。因此，需要對頻率效應(yīng)的進(jìn)行研究。

超聲疲勞試驗(yàn)頻率20kHz一般比實(shí)際工程應(yīng)用的頻率范圍高出2～4個數(shù)量級。而疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展與材料局部塑性變形有關(guān)，局部塑性變形是通過位錯增殖和滑移來實(shí)現(xiàn)。頻率的改變將通過影響應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、應(yīng)變局部化、斷裂模式來影響材料的疲勞性能，本質(zhì)上是以改變應(yīng)變率而體現(xiàn)。假設(shè)疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比為-1，應(yīng)力幅值為σ0，加載應(yīng)力隨時間的變化公式為：

σ=σ0sin(2πft)

(1)

假設(shè)金屬材料位錯能夠沿著滑移面自由移動，根據(jù)Johnston-Gilman公式，位錯運(yùn)動的速率(v)可以寫為[11]：

(2)

由式(1)和(2)可計(jì)算出1/4個循環(huán)周期內(nèi)位錯的距離為：

(3)

由式(3)可知，提高加載頻率f可以有效減小L值，從而提升疲勞壽命。這解釋了材料在疲勞試驗(yàn)過程中的頻率效應(yīng)。

上述計(jì)算是基于位錯可以自由滑動的假設(shè)。而對于高強(qiáng)度的金屬材料(一般抗拉2000MPa以上)，其組織內(nèi)部存在大量固定位錯、雜質(zhì)粒子、晶界等障礙來阻礙位錯的運(yùn)動，顯著降低加載頻率對位錯移動距離的影響，材料疲勞性能的頻率效應(yīng)隨之降低，甚至消除。目前已有大量的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一結(jié)論[9,12-14]。

因此，超高強(qiáng)鋼20kHz下的試驗(yàn)結(jié)果可以直接用于工程實(shí)際。而對于一般的鋼材，則需要對20kHz下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。王弘[15]提出了采用低應(yīng)變率(常規(guī)疲勞時的應(yīng)變率)的斷裂強(qiáng)度和高應(yīng)變率下(超聲疲勞時的應(yīng)變率)的斷裂強(qiáng)度的比值作為修正系數(shù)來修正超聲疲勞試驗(yàn)結(jié)果。最近，日本的Benjamin & Akira[16-17]采用試驗(yàn)得到了不同加載頻率下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，他們將不同加載頻率下的應(yīng)力除以該加載頻率對應(yīng)的應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度，來對疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，如圖9所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修正后0.2Hz～140Hz下的試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好，但是20kHz下的試驗(yàn)結(jié)果依然相差較大。這說明頻率達(dá)到20kHz后，除了應(yīng)變率還有別的因素影響頻率效應(yīng)，因此并不能簡單采用不同應(yīng)變率下的拉伸強(qiáng)度或者屈服強(qiáng)度來修正超聲疲勞試驗(yàn)結(jié)果，這也是目前極少有人提出超聲疲勞試驗(yàn)結(jié)果修正公式的原因。這需要對頻率效應(yīng)的機(jī)理有著深入徹底地研究，而目前這一問題已有突破，但還有待進(jìn)一步地深入研究。

圖9 采用不同應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度修正前后的疲勞試驗(yàn)結(jié)果[15-16]

3 結(jié)論

(1)彈簧鋼20kHz和140Hz下的失效試樣斷口對比表明，高頻和超聲頻率下的疲勞斷口特征類似，其共同特征一般為：1)低周疲勞起裂于試樣表面。2)高周和超高周疲勞均起裂于試樣內(nèi)部不均勻組織(奇異晶粒、夾雜物、氣孔等)，并且斷口都呈現(xiàn)“魚眼”狀，高周疲勞斷口起源點(diǎn)附近GBF區(qū)不明顯，超高周疲勞斷口起源點(diǎn)附近有明顯的晶粒亮面特征區(qū)。

(2)本文中的彈簧鋼頻率效應(yīng)明顯，如果直接將20kHz下的試驗(yàn)結(jié)果用于工程實(shí)際，會帶來不安全的結(jié)果。超高強(qiáng)鋼組織內(nèi)部存在大量障礙來阻礙位錯的運(yùn)動來消除其頻率效應(yīng)。而對于一般的鋼材，需要對20kHz下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果修正。這需要對頻率效應(yīng)的機(jī)理有著深入徹底地研究，而這一問題還有待進(jìn)一步地研究。

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(責(zé)任編輯：李文英)

Fatigue Behavior of Automotive Spring Steel at 20kHz and 140Hz

Peng Wenjie Zhang Yanwen

(Research and Development center of WISCO， Wuhan 430080, Hubei)

The fatigue property of a high strength automotive spring steel was investigated via the conventional fatigue testing and ultrasonic fatigue testing. The fatigue fracture surfaces are observed using SEM respectively. The results show that the characteristic of fracture surface of the specimen at 20kHz and 140Hz are similar, i.e. for the specimen of fatigue lifetime within 106， the fracture are prone to initiate from the surface. However for high cycle fracture(HCF) and very high cycle fracture(VHCF), the fracture are prone to initiate from specimen subsurface or internal inhomogeneities with a distinct feature of so-called “fish-eye”. For the VHCF, there is a characteristic “granular-bright-facet(GBF)” area around the origination. Step-wise S/N curve with a horizontal part was observed for the spring steel, and the S/N curve character is related to the size of the inclusion. There is obvious difference of fatigue lifetime at 20kHz and 140Hz. i.e. the frequency effect of spring steel in the paper is obvious.

high strength spring steel; very high cycle fatigue; fish-eye; granular bright facet; frequency effect

2016-11-08

彭文杰(1982～)，男，博士，高級工程師.E-mail：31467900@qq.com

TG115.5+7

A

1671-3524(2016)04-0009-05