600 MPa級熱軋雙相鋼的高周疲勞性能

孫明軍 王 磊 劉 楊

(1.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819； 2.寶鋼股份中央研究院梅鋼技術中心，江蘇 南京 210039)

熱軋雙相鋼是近年來出現的一種新型高強鋼，因具有軟硬結合的兩相組織，低的屈強比，高的強度和高成形性，被廣泛應用在汽車輪輻、輪軸、輪盤等構件中[1- 3]。由于構件在服役過程中承受交變載荷，其壽命取決于材料的疲勞性能，因此進行熱軋雙相鋼疲勞性能的研究具有重要意義。本文采用不同的熱軋工藝獲得了兩種不同顯微組織的600 MPa級熱軋雙相鋼，用于研究高周疲勞性能與顯微組織之間的關系，以期為熱軋雙相鋼的理論研究與實際應用提供依據。

1 試驗材料及方法

試驗鋼分別為低溫卷取的Si、Cr系和中溫卷取的Cr、Mo系熱軋雙相鋼，化學成分見表1。厚度均為3.5 mm，熱軋參數見表2，均采用層流分段冷卻工藝。試制后取金相試樣及疲勞試樣，低溫卷取試樣編為1號，中溫卷取編為2號。采用MTS810疲勞試驗機進行高周疲勞試驗，參照GB/T 3075—2008進行，疲勞試樣示意圖見圖1。選用正弦波進行拉- 拉加載，載荷比為0.1，高應力區采用升降法，低應力區采用成組法。采用Zeiss Axiophot2型光學顯微鏡觀察顯微組織，采用Quanta FEG450掃描電鏡對疲勞斷口進行觀察，使用Tecnai G20透射電鏡對試樣斷口附近的位錯進行觀察[4- 6]。

表1 雙相鋼的化學成分 (質量分數)

表2 雙相鋼的熱軋工藝參數

圖1 拉- 拉疲勞試樣示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織與力學性能

兩種試驗雙相鋼的力學性能見表3，顯微組織見圖2。利用Image- Pro軟件計算得出，1號試樣的鐵素體(F)體積分數為77%，其余為馬氏體(M)，2號試樣的鐵素體體積分數為56%，其余為貝氏體(B)和部分馬氏體。2號雙相鋼含有貝氏體，因此具有良好的擴孔性能。

圖2 試驗雙相鋼的顯微組織

表3 試驗雙相鋼的力學性能

2.2 S- N曲線與疲勞性能

采用Origin軟件繪制兩種試驗雙相鋼的疲勞壽命S-N曲線，見圖3。可見，1號雙相鋼的疲勞極限為433 MPa，2號雙相鋼的疲勞極限為413 MPa，兩者S-N曲線在應力為475 MPa左右時相交。當應力幅值高于475 MPa時，2號試樣的疲勞性能較好，反之，則1號試樣的疲勞性能較好。S-N曲線對比表明：在較高應力幅值下，鋼的塑性提高，使晶界強度和晶界位錯塞積程度得到改善，從而有利于阻止晶界裂紋的萌生，因此2號雙相鋼的疲勞壽命高于1號雙相鋼；在較低應力幅值下，較高的屈服強度有利于阻止剪切滑移型裂紋的萌生，因此1號雙相鋼的疲勞壽命高于2號雙相鋼。當載荷接近疲勞極限時，1號雙相鋼的疲勞裂紋形成門檻值較高，抵抗裂紋擴展性能更佳。

圖3 試驗雙相鋼的S- N曲線

2.3 疲勞裂紋的萌生

對雙相鋼S-N曲線上高、低應力幅下的典型疲勞斷口進行分析，1號鋼取應力幅值為454、639MPa的疲勞試樣，2號鋼取應力幅值為457、646 MPa的疲勞試樣。圖4為疲勞源區照片，可見，裂紋源區位于試樣的頂角或側表面附近，伴有河流花樣向內部擴展。低應力幅時有一個疲勞源，如圖4(a,b)所示；高應力幅時試樣表面裂紋源的數量增加，如圖4(c,d)所示。原因是高的應力幅促進了試樣表層的位錯移動，可能在多個區域形成細小的滑移帶，最終發展成疲勞裂紋萌生區。裂紋源區與擴展區集中在試樣邊緣的一個區域內，即疲勞壽命主要取決于裂紋萌生及擴展階段的時間。高周疲勞拉- 拉加載時，由于疲勞試樣表面一側不受約束，且呈平面應力狀態，易于屈服造成疲勞損傷。同時，當疲勞試樣表面參差不齊時，由于晶界阻礙而積聚的位錯從此處釋放出來，容易形成疲勞微裂紋[7- 9]。

圖4 不同應力幅下疲勞源區形貌

2.4 疲勞裂紋的擴展

低應力幅時，1號和2號疲勞試樣的裂紋擴展區形貌如圖5(a～d)所示，均出現了大小不等的韌窩、二次裂紋。進一步放大可觀察到1號試樣的疲勞輝紋較窄，說明1號鋼在低應力幅時抵抗裂紋擴展的性能較好，疲勞壽命較高。高應力幅時，1號、2號試樣裂紋擴展區形貌如圖5(e～h)所示，除出現大小不等的韌窩外，還有一些破碎的第二相粒子，2號試樣的韌窩較深，韌性較好；放大可觀察到1號試樣存在疲勞輝紋及輪胎花樣，2號試樣也有疲勞輝紋，但間距較1號試樣的略窄，因此，高應力幅時2號試樣的疲勞性能好于1號試樣。此外，疲勞斷口中還出現了大量等軸韌窩，是由于疲勞斷面承受單軸拉伸應力，正應力垂直于微孔表面，能夠形成等軸韌窩，隨著韌窩的聚集長大，最后相互連接形成疲勞斷口，當韌窩較深時，說明在此應力幅下雙相鋼的韌性較好。一些韌窩的底部還存在破碎的第二相粒子，阻礙了位錯的運動，導致在第二相粒子附近形成位錯塞積并產生應力集中，隨著應力的增加最后將其破碎，彌散細小的第二相粒子可以延緩裂紋的擴展，有利于提高雙相鋼的疲勞性能。

圖5 不同應力幅下試樣中裂紋擴展區形貌

2.5 疲勞斷口的形貌

不同應力幅下，1號和2號疲勞試樣斷口的側面組織如圖6(a～d)所示(箭頭為加載方向)。在疲勞載荷作用下，疲勞源區均產生了一定的塑性變形，1號試樣在兩相邊界區產生裂紋，如圖6(a,c)所示。這主要是由于鐵素體、馬氏體兩相硬度差較大，導致疲勞裂紋易在鐵素體內或者鐵素體與馬氏體兩相界面間擴展。2號試樣主要為穿晶擴展，如圖6(b,d)所示。這主要是由于組織中含有貝氏體，鐵素體與貝氏體兩相之間的硬度差減小，導致疲勞裂紋進入貝氏體后發生穿晶擴展。

圖6 不同應力幅下疲勞斷口側面組織形貌

2.6 疲勞斷口附近位錯組態

低應力幅時，1號、2號疲勞試樣斷口附近的位錯組態如圖7所示。可見，1號試樣斷口附近產生了大量的位錯纏結和塞積，位錯密度明顯高于2號試樣，高密度的位錯纏結阻礙了位錯的進一步運動，因此低應力幅時1號試樣的疲勞性能較好。高應力幅時，2號試樣內部位錯的纏結和塞積比1號試樣嚴重，如圖7(c,d)所示，因此高應力幅時其疲勞性能較好[10]。

3 結論

(1)熱軋組織為F+M的1號雙相鋼疲勞極限為433 MPa，F+B+部分馬氏體的2號雙相鋼疲勞極限為413 MPa，兩種雙相鋼的S-N曲線在應力為475 MPa時相交。低應力幅時1號試樣的疲勞輝紋較窄，疲勞壽命高于2號試樣，高應力幅時2號試樣的韌窩較深，疲勞壽命高于1號試樣。

(2)低應力下疲勞試樣斷口為單一疲勞源，高應力下為多疲勞源，裂紋擴展區除有大量韌窩外，還有第二相粒子、疲勞輝紋等特征。拉- 拉載荷作用下，1號試樣的裂紋為沿晶擴展，2號試樣為穿晶擴展。

(3)較高應力幅時，塑性應變是影響疲勞壽命的重要因素，2號雙相鋼的疲勞壽命高于1號試樣；較低應力幅時，較高的屈服強度有利于阻止剪切滑移型裂紋萌生，1號雙相鋼的疲勞壽命高于2號。在相近的應力幅下，疲勞斷口附近的位錯密度較高并有位錯纏結，雙相鋼的疲勞性能較好。