800MPa级低合金高强度钢低周疲劳性能

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.019 第27卷第1期 北京科技大学学报 Vol27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 800MPa级低合金高强度钢低周疲劳性能 王建国”杨胜利)王红缨》康永林” 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)宝山钢铁股份有限公司制造管理部，上海201900 摘要对利用驰豫-析出-控制相变(TMCP+RPC工艺)技术获得的800MPa级超细晶粒低合 金高强度钢的低周疲劳性能进行了测试，并对其循环特性和疲劳断口进行了观察和分析，发 现该材料为循环软化，而且随着应变幅的提高，材料的软化速率逐渐增大，对材料的疲劳断 口观察表明，疲劳裂纹起始于试样表面，沿断口周边分布，呈多源性特征. 关键词低合金高强度钢：低周疲劳：循环特性：超细晶粒钢 分类号TG111.8,TG113.255 近几年来，世界各国展开了对新一代超细晶1.48%；Nb,0.056%:Ti,0.01%:Cu,0.42%:Ni, 粒钢铁材料的开发和研究，而对低合金高强度中 0.23%:Mo,0.26%:B,0.0013%:S,P较低.常规 厚钢板的研究和开发是其中的重要组成部分.我 力学性能为：a,=893MPa;-914MPa:8-15.3%:= 国利用驰豫一析出一控制相变技术已经把低合金 71.47%:E=206GPa. 高强度钢的屈服强度提高到了800MPa级.但是， 按照GB/T1524894加工成标距为30mm、 该材料的屈强比较高，在095以上，也就是说材 6mm的低周疲劳试样.材料回火后的组织如图 料的屈服强度和抗拉强度非常接近.材料的高屈 1所示.从图1中可以看出，材料的显傲组织以贝 强比将使得整个工程结构的总体应力水平较高， 氏体板条为主， 局部应力有可能接近或超过材料的屈服强度"， 实验在MTS810电液伺服材料试验机上进 也就意味着局部进入塑性，而材料的塑性性能直 行，采用轴向总应变控制方式，应变比R=一1，加 接影响其低周疲劳寿命. 载波形为三角波，应变范围为0.30%~1.5%.试验 作为工程结构材料的新一代800MPa级低合 环境为大气，温度为室温，疲劳寿命以材料的最 金高强度钢其服役时承受着循环载荷，其破坏形 终断裂作为失效判据 式也往往是大变形的低周疲劳失效.到目前为 止，国内外对超细晶粒钢力学性能的研究仅限于 其静态力学特性，很少涉及其疲劳特性，特别 是低周疲劳性能未见报道，本文对此低周疲劳特 性进行了研究 1实验材料与方法 I um 不同弛豫时间对低合金高强度钢的力学特 图1材料回火后的组织 性影响的研究结果表明，驰豫时间50s的试样 Fig.1 Microstructure of 800 MPa grade ultrafine-grain- 的强度性能为最佳.试件从经最佳驰豫时间处理 ed HSLA 的低合金高强度钢钢板上取料，取样方向为平行 2实验结果及分析 于钢板的轧制方向，取样后先进行回火处理： 650℃保温1.5h,然后空冷至室温.热处理后材料 2.1循环应力一应变曲线 的化学成分（质量分数）为：C,0.07%0.08%:Mm, 利用RPC工艺获得的8O0Pa级低合金高强 收稿日期：200403-26修回日期：2004-1109 度钢的静态拉伸曲线与循环应力一应变关系如 基金项目：国家自然科学基金资助项目No.50334010) 图2所示.由图可见，材料在本实验的应变范围 作者简介：王建国(1958一)，男，高级工程师，博士研究生 内为循环软化

第 2 , 卷 第 1 期 2 00 5 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u nr a l o f U n iv e招 iyt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij in g 、 b L2 7 N o . 1 F e b . 2 0 0 5 8 0 0 M P a 级低合金高强度钢低周 疲劳性能 王 建 国 ” 杨 胜 利 2 , 王 红 缨 ” 康 永林 ” l) 北 京科技 大学 新金 属材 料 国家重 点实验 室 , 北京 10 0 0 83 2) 宝 山 钢铁股 份有 限 公司制 造管理部 , 上海 2 0 19 0 摘 要 对利 用 驰豫一 析 出一控制 相 变 (T M C P + R卫C 工 艺) 技术 获得 的 8 0 M Pa 级 超细 晶粒 低合 金高强 度钢 的低 周疲 劳性 能进 行 了测 试 , 并对 其 循环 特性 和疲 劳 断 口 进 行 了观察 和分 析 , 发 现该材 料 为循 环软 化 , 而且 随着 应变 幅 的提 高 , 材 料 的软化 速率 逐渐 增 大 . 对 材料 的疲 劳 断 口 观察 表 明 , 疲 劳裂 纹起 始于 试 样表面 , 沿 断 口 周边 分布 , 呈 多源 性特 征 . 关键词 低 合 金高 强度钢 ; 低 周疲 劳 ; 循 环特 性 : 超细 晶粒 钢 分类号 T G 11 1 . 8 ; T G 1 1 3 . 2 5 + 5 近 几年 来 , 世 界 各 国展 开 了对 新一 代超 细 晶 粒 钢铁 材料 的开发 和研 究 , 而对 低 合金 高 强度 中 厚 钢板 的研究和 开 发 是其 中 的重要 组成 部 分 . 我 国利 用 驰 豫一析 出一 控制 相 变 技 术 已经 把 低 合 金 高强度 钢 的屈服 强度 提 高到 了 8 0 州p a 级 . 但 是 , 该材 料 的屈 强 比 较 高 , 在 .0 95 以上 , 也就 是 说 材 料 的屈 服 强度和 抗 拉 强度非 常 接近 . 材 料 的高 屈 强 比将 使 得整 个工 程 结构 的总 体应 力 水平较 高 , 局 部应 力 有 可 能接 近 或超 过 材料 的屈 服强 度 `1 , 也 就意 味着 局 部进 入 塑性 , 而材 料 的塑 性性 能 直 接 影 响其 低 周疲 劳 寿 命 . 作 为工 程 结构 材料 的新一 代 8 0 M P a 级 低 合 金 高强 度钢 其 服役 时承 受着 循环 载 荷 , 其破 坏 形 式 也 往 往 是 大变 形 的低 周 疲 劳 失效 . 到 目 前 为 止 , 国 内外 对超 细 晶粒 钢 力学 性 能的研究 仅 限于 其 静 态力 学特 性 口,3] , 很 少 涉 及其 疲 劳特 性 , 特 别 是低周 疲 劳性 能未 见报 道 , 本 文对 此低 周疲 劳特 性 进 行 了研 究 . 1 . 4 8% ; N b , 0 . 0 56% ; iT , 0 . 0 1% ; C u , 0 . 4 2% ; N i , 0 . 2 3% ; M o , 0 . 2 6% ; B , 0 . 0 0 1 3% : S , P 较 低 . 常规 力 学 性能 为 : 氏= 8 93 M P a ; 氏= 9 14 M P a ; 乒巧 . 3% ; 沂 7 1 . 4 7 % ; 五二 2 0 6 G P a . 按 照 6 B 厅 15 2 4 8 we 一 9 4 加工 成标 距 为 30 幻。 r n 、 中6 ~ 的低 周疲 劳 试 样 . 材 料 回火 后 的组 织 如 图 l 所 示 , 从 图 l 中可 以看 出 , 材料 的显 微 组织 以贝 氏体 板条 为 主 . 实 验 在 M T S 8 1 0 电液 伺服 材料 试 验 机 上 进 行 , 采 用 轴 向总应 变 控制 方 式 , 应变 比尺 ” 一 1 , 加 载 波形 为三 角 波 , 应 变 范 围为 .0 30 % 一 1 . 5 % . 试 验 环 境 为大 气 , 温 度 为 室温 . 疲 劳寿命 以材 料 的最 终 断裂 作 为 失效 判据 . 1 实 验 材 料 与 方 法 不 同弛 豫 时 间 对 低 合 金 高 强 度钢 的 力 学特 性 影 响 的研 究 结果 表 明 仪 , , 驰豫 时间 50 5 的试 样 的强度 性 能为 最佳 . 试 件 从经 最佳 驰豫 时 间处 理 的低合 金 高强度 钢 钢 板上 取料 , 取 样 方 向为平 行 于钢 板 的 轧 制 方 向 . 取 样 后 先 进 行 回火 处 理 : 65 0 ℃ 保温 1 . 5 h , 然 后 空冷 至室 温 . 热 处 理后 材 料 的化 学成 分 (质 量 分数 ) 为 : C , .0 07 % 一.0 08 % ; M 妇 , 收稿 日期 : 20 0今-0 3一6 修 回 日期 : 20 0 -4 1 刁9 基 金项 目 : 国家 自然科 学基 金资助 项 目N( .0 5 0 3 40 10) 作者 简介 : 王 建 国( 1 9 5 8一) , 男 , 高级 工程 师 , 博士研 究 生 图 1 材料 回 火后 的组 织 F ig . l M i e r o s t r u e tU re o f 8 0 0 M P a g r a d e u ltr a if n -e g r a i n - Cd R S L A 2 实验 结 果及 分析 .2 1 循 环应 力一应 变曲线 利用 RP C 工 艺 获 得 的 8 0 M P a 级 低 合金 高 强 度 钢 的静 态 拉 伸 曲线与 循 环 应 力一应 变 关 系 如 图 2 所示 . 由 图可 见 , 材料 在 本 实验 的应 变 范 围 内为循环 软化 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 019

.76” 北京科技大学学报 2005年第1期 1000 900 静态 -■-0.30% 800 800 -△-0.35% 循环 -0-0.45% 600 700 -★0.60% bA 400 600 200 0-0.80% 500 -a-1.00% 0 0.50 1.00 1.50 2.00 -t-1.20% 54 400 (△e/2)/% -◆-1.50% 6 图1静态和循环应力一应变曲线 300 1 10 102 103 10 Fig.2 Stress-strain curves ander monotonous and cyelic 循环周次，N/周 loading 图3不同应变幅值下材料的循环周次一应力幅值曲线 2.2循环特性 Fig 3 Curves of cyclic number-stress range under differ- 材料在0.3%~1.5%应变幅下的循环特性如 ent strain ranges 图3所示.从图中可以看出，在低应变幅△ε2 =0.3%时，材料循环变形初期就开始进入循环饱 开始循环变形就以很大的软化速率发生快速软 和阶段，直至材料最后断裂没有明显的循环硬化 化，一直到最后断裂，如图3中曲线8所示. 和循环软化发生，如图3中曲线1所示；当△e/2= 由上可知，800MPa级低合金高强度钢在不 0.35%时，在循环变形初期，发生轻微循环软化， 同应变幅下的疲劳循环特性为：(1)材料在各个应 但随着变形继续进行，大约在N-10周后，软化速 变幅值下循环变形的过程中，材料的变形特性是 率加快，当变形进行到约W=170周时，材料进入 循环软化.(2)随着应变幅值的增加，材料的疲劳 循环饱和阶段，然后变形继续进行，大约在= 寿命逐渐缩短：材料的软化速率增大，达到饱和 5100周时，材料发生快速软化，直至断裂，如图3 阶段所需的循环周次缩短，甚至当应变幅增加到 中曲线2所示：当△e2-0.45%,0.6%,0.8%, 一定程度时，材料不出现循环饱和阶段，连续发 1.0%,1.2%时，在材料循环变形初始几周内就进 生软化直至最后断裂 入快速软化阶段，几十周循环后，材料的软化速 2.3低周疲劳寿命 率降低，但仍有软化发生，直至最终断裂，如图3 材料的失效反向数、总应变幅、弹性应变幅 中曲线3,4,5,6,7所示；当△e/2=1.5%时，材料从 及塑性应变幅如表1所示， 表1材料的失效反向数、总应变幅、弹性应变幅及塑性应变幅 Table 1 Fatigue life,total strain range,plastic strain range and elastic strain range under different engineering strain ranges 序号工程应变范围 △e,/2 △.12 △8，/2 (△c/2)MPa加载频率Hz试样直径/mm2NW周 1 0.0030 0.002850 0.002850 0 624 2.0 5.94 27800 0.0030 0.003008 0.003008 0 628 1.5 5.92 32400 3 0.0035 0.003514 0.003074 0.000440 630 1.0 5.94 17360 Y 0.0045 0.004535 0.003390 0.001145 709 0.5 5.96 3720 0.0045 0.004540 0.003475 0.001065 702 0.5 5.96 4710 6 0.0045 0.004513 0.003269 0.001244 697 0.5 5.92 4710 7 0.0060 0.006018 0.003454 0.002564 715 0.33 5.96 1050 8 0.0060 0.006038 0.003857 0.002181 743 0.33 5.96 1770 9 0.0060 0.006033 0.003628 0.002405 681 0.33 5.98 2150 10 0.0080 0.008000 0.004150 0.003850 779 0.167 5.94 920 v 0.0080 0.008034 0.004002 0.004032 728 0.167 6.00 1380 农 0.0100 0.010012 0.004107 0.005905 754 0.1 5.98 560 13 0.0120 0.012000 0.003979 0.008021 794 0.1 5.98 370 14 0.0120 0.011600 0.003700 0.007900 788 0.1 5.96 380

. 6 7 . 北 京 科 技 大 学 学 报 弓 年 第 期 2 0 1 8 00 6 3 4 975 . V ó芝、ǎ闪飞à 静态 一 , 0 ù1 0 00 ǎ UnUO 八U万àn C 64 `, 1 目之息óǎ宅 0 0 . 5 0 1 . 0 0 1 . 5 0 2 . 0 0 (△e2/ )%/ 图 2 静 态和 循环 应 力一应变 曲线 F ig . 2 S t er s s 一 s t ar 加 e u vr se u n d e r m o n o t o n o su a n d cy e血 l o a id n g .2 2 循 环 特性 材料 在 .0 3 % 一 1 . 5 % 应 变 幅 下 的循 环特 性 如 图 3 所 示 . 从 图 中可 以看 出 , 在低 应 变幅 山 . /2 司 . 3 % 时 , 材 料循 环 变形初 期 就 开始 进 入循 环 饱 和 阶段 , 直至 材料 最后 断裂没 有 明显 的循 环硬 化 和 循环 软 化 发 生 , 如 图 3 中 曲线 1 所 示 ; 当△日/ 2 = .0 35 % 时 , 在 循环 变 形初 期 , 发 生轻 微 循环 软 化 , 但 随着 变 形 继续 进 行 , 大 约在 =N 10 周 后 , 软化速 率 加快 , 当变 形进 行 到 约刀七 170 周 时 , 材 料 进入 循 环饱 和 阶 段 , 然 后 变 形 继续 进 行 , 大 约 在刀二 5 10 周 时 , 材料 发 生快速 软 化 , 直 至 断裂 , 如 图 3 中 曲 线 2 所 示 ; 当酝72司 . 45 % , 、 .0 6 % , .0 8 % , 1 . 0 % , 1 . 2 % 时 , 在材 料 循环 变 形初 始 几 周 内就进 入 快速 软 化 阶段 , 几 十周 循 环后 , 材料 的软 化速 率 降低 , 但 仍 有软 化发 生 , 直至 最 终 断裂 , 如 图 3 中 曲线 3 , 4 , 5 , 6 , 7 所 示 ; 当酝左= 1 . 5 % 时 , 材 料 从 遨洲姗~ _ 一 .03 % 尧头砚困喊澎醚抵 ~ ” · 35 % 一 飞准4 落纂、 一 ” · 45 % 一 二护斌3 艺 1 10 1少 10 3 10 4 循环周次 , N / 周 图 3 不同应 变幅 值 下材料 的循 环周 次一应 力幅值 曲线 F 馆3 C u yr 韶 Of yC c il c n u m b e -r s t州翔 s ar . ge u n d e r d 吐介-r eu t s t r a in ar . g es 开始 循 环 变 形 就 以 很大 的软 化 速 率 发 生 快速 软 化 , 一 直到 最后 断裂 , 如 图 3 中 曲线 8 所 示 . 由上 可知 , 8 0 M P a 级低 合 金 高强 度 钢在 不 同应变幅 下的疲 劳循 环特性 为 : ( l) 材 料在 各 个应 变 幅值 下循环 变形 的过程中 , 材料 的变形 特 性是 循环 软化 . (2 )随着应 变幅 值 的增 加 , 材 料 的疲 劳 寿 命逐 渐 缩短 ; 材料 的软化 速 率 增 大 , 达 到饱 和 阶 段所 需 的循 环周 次缩 短 , 甚 至 当应 变幅 增 加到 一 定程度 时 , 材 料 不 出现循 环饱 和 阶段 , 连续 发 生 软化 直 至最 后 断裂 . .2 3 低 周 疲 劳寿 命 材料 的失 效反 向数 、 总应 变 幅 、 弹 性 应变 幅 及 塑性 应 变幅 如 表 1 所 示 . 表 1 材 料 的失效 反 向数 、 总应 变幅 、 弹性应 变幅 及塑 性应 变幅 T a b le I aF 舫gU e 版 , t o at l s 臼, 加 ar . ge , laP s也 s t r a加 . o ge a 一 d ela s康 s扮 a 加 抽。 ge 皿de r d廿卜碑耐 加脚 e 血9 5加加 ar . 脚 序 号 工 程应 变 范 围 △欲 / 2 酝 。 / 2 酝 p / 2 (△班)瓜印a 加 载频 率用之 试 样 直径m/ m Z筑 /周 %94280 气àō、 ùó、`甘咤úō 5 尸、`J ù 6工ùō 0 . 0() 3 0 0 . 0 0 3 0 0 . 0 03 5 0 . 0 0 4 5 0 . 0 0 4 5 0 . 0 0 4 5 0 , 00 6 0 0 . 006 0 0 . 0 0 6 0 0 . 0 0 8 0 0 . 0 0 8 0 0 0 10 0 0 . 0 12 0 0 . 0 12 0 0 00 2 8 5 0 0 . 0 0 3 0 0 8 0 . 0 0 3 5 14 0 . 0 0 4 5 3 5 0 . 0 04 5 4 0 0 . 0 0 4 5 1 3 0 , 0 06 0 18 0 . 0 0 6 0 3 8 0 . 00 6 0 3 3 0 . 0 0 8 0 0 0 0 . 00 8 0 3 4 0 . 0 1 0 0 12 0 . 0 12 0 00 0 . 0 1 1 6 0 0 0 . 0 02 8 50 0 . 0 0 3 0 0 8 0 . 0 0 3 0 7 4 0 . 0 03 3 9 0 0 . 0 0 3 4 7 5 0 0 0 3 2 6 9 0 . 00 3 4 54 0 , 0 0 3 8 57 0 0 03 6 2 8 0 , 0 0 4 1 50 0 0 0 4 0 0 2 0 00 4 1 0 7 0 . 003 9 7 9 0 0 0 3 7 00 0 0 0 0 0 0 4 4 0 0 . 0 0 1 1 4 5 0 . 0 0 1 0 6 5 0 . 0 0 1 2 4 4 0 . 00 2 56 4 0 . 002 18 1 0 . 0 0 2 4 0 5 0 , 0 0 3 85 0 0 . 0 0 4 0 3 2 0 . 0 0 5 9 0 5 0 . 0 0 8 0 2 1 0 . 00 7 9 00 6 2 4 6 2 8 6 3 0 7 0 9 7 02 6 9 7 7 15 7 4 3 6 8 1 7 7 9 7 2 8 7 5 4 7 9 4 7 8 8 2 . 0 1 . 5 1 . 0 0 . 5 0 . 5 0 . 5 0 . 3 3 0 . 3 3 0 . 3 3 0 . 1 6 7 0 . 167 0 l 0 . 1 0 l 5 9 8 5 . 9 6 2 7 80 0 3 2 4 0 0 1 7 3 6 0 3 7 2 0 4 7 1 0 4 7 10 1 0 5 0 1 7 7 0 2 1 5 0 9 2 0 1 3 80 5 6 0 3 7 0 3 8 0 2345678910 12134

Vol.27 No.I 王建国等：800MPa级低合金高强度钢低周疲劳性能 ·77。 根据表1取双对数坐标绘出材料的 △e2一2W,曲线如图4所示，材料的应变疲劳特 性参数：1=1282MPa,b--0.07128,e=0.69849,c =-0.75886,K=1085.45Ma,n-0.06716.由曼林- 科芬方程，得到材料的应变一疲劳寿命方程 式为： (2N+(2Ny-0.0622(2N) 应力 0.69849(2N)-07586 (1) 应变 材料的循环应力一应变关系式为： 图5在1.0%恒应变幅控制下的疲劳滞后回线 空-K个学=10854学“ (2) Fig.5 Stress versus strain hysteresis loops at a strain range 从材料的△c2一2W,曲线可以得到材料的疲 of1.0% 劳过渡寿命2Nr=1010周，即Nr=505周.疲劳过渡 3 断口观察 寿命是低周疲劳性能的关键指标之一，它主要 取决于材料的强度和延性，对疲劳设计有很大意 恒应变幅为0.6%的疲劳断口全貌如图6所 义.8O0MPa级低合金高强度钢的疲劳过渡寿命 示，疲劳裂纹起始于试样表面，裂纹源沿断口周 比较靠近△e2-2N,曲线的左侧，在2N点的左侧 边分布(A区)，为多源特征，如图7所示.裂纹向 塑性变形远大于弹性变形，此时的疲劳强度主要 内部扩展形成疲劳扩展区(B区)，该区约占整个 由塑性变形控制，决定因素是材料的塑性，产生 断口面积的23.斜断面为瞬断区(C区)，位于主 疲劳的应变幅较大，周次较低.因此，若需获得好 疲劳源的对面.图8和图9分别是裂纹扩展区和 的低周疲劳性能应着眼于提高材料的塑性，减少 瞬断区扫描电镜照片，可以看出，在瞬断区能看 应变局部化，使各组织间变形协调性好，降低裂 到明显的撕裂棱，材料在瞬断区出现撕裂棱反映 纹早期萌生的几率，改善裂纹扩展阻力的不均匀 了该材料承受拉压载荷时的塑性还是比较好的， 性，避免因局部抗力减少而加速裂纹扩展失稳。 10 10-2 2NT 芝10 ·△8/2 104作 。△en/2 ▣△e./2 10L 图6断口全貌(4e/2=0.6%) 102 103 10° 10 Fig.6 Fracture surface at a strain range of 1.2% 疲劳寿命，2N,/周 图4材料的△e/2-2N,曲线 Fig 4 Fatigue life curves of 800 MPa-grade ultrafine-gra- ined HSLA 2.4循环迟滞回线 800MPa级低合金高强度钢在循环过程中表 现出循环软化行为.图5为材料在1.0%恒定应变 幅下进行疲劳试验时从开始加载到最终疲劳失 效的滞后回线.可以看出，在材料疲劳变形的过 0.5mm 程中，应力幅逐渐下降，也就是说材料表现出稳 图7疲劳源及其裂纹扩展 定的循环软化行为. Fig 7 Location of fatigue crack initation

丫 】 b 一 7 2 N o 一 王 建国等 l : p 0 M 8 级 低合 金 高强度 钢低 周疲 劳性 能 a 根 据 表 取 双 对 数 坐 标 1 , , 绘 出 材 料 的 △日2一 ZNf 曲线如 图 4 所 示 , 材 料 的应 变 疲 劳特 性 参 数 : 。 l = 1 2 82 M P a , b = 一 0 . 0 7 1 2 8 , 。咨二0 . 6 9 8 4 9 , c 二一 0 . 7 5 8 8 6 , K =, 1 0 8 5 . 4 5 M P a , n 任 0 . 0 6 7 16 . 由曼林一 科 芬 方程 `5 , , 得 到材 料 的应 变 一疲 劳 寿 命 方 程 式 为 : 粤 = 誉* )件。 `N2r ,=c 0 · 0 0 6 2 2 6`2Nt , 一。 ” ” `+ 0 . 6 9 8 4 9 ( 2凡 ) 一 0, , “ 6 ( l ) 材 料 的循环 应 力一应 变 关 系式 为 : △口 , 一 △￡. 、 丫 . _ _ , , 尸 `△￡” 、 。肠? ’ ` 书井 = K l 上尝 卫 一 ! = 10 8 5 . 4 5 !书拌 l ( 2 ) 2 ` “ t Z ) ` “ “ “ ` ’ “ t Z ) 、 一 / 从材 料 的配/ 2一刀认曲 线 可 以 得 到 材 料 的疲 劳 过渡 寿命 2从= 1 01 0 周 , 即凡= 5 05 周 . 疲 劳过 渡 寿 命 是低 周 疲 劳 性 能 的关 键 指 标 之 一 , 它 主 要 取 决于 材料 的 强度和 延性 , 对疲 劳设 计 有很 大意 义`6] . 8 0 M P a 级低 合金 高 强度 钢 的疲 劳过 渡 寿命 比较 靠 近△ e2/ 一乞铸曲线 的左 侧 , 在 ZN i 点 的左 侧 塑 性变 形远 大于 弹性 变形 , 此 时的疲 劳 强度 主要 由塑性 变 形控 制 , 决 定 因素是 材 料 的塑 性 , 产 生 疲 劳 的应 变 幅较 大 , 周 次较低 . 因 此 , 若 需获 得好 的低 周疲 劳 性 能应着 眼于 提 高材 料 的塑 性 , 减少 应 变 局部 化 , 使 各 组 织 间变 形协 调 性好 , 降低 裂 纹 早期 萌生 的 几率 , 改 善裂 纹扩 展 阻力 的不 均匀 性 , 避免 因局部 抗 力减 少 而 加速 裂 纹扩 展 失 稳 . 10 一 ’ 「一一一一一一一一一一一 — — 一 ] 图 5 在 1 .0 % 恒应 变幅 控制 下 的疲 劳滞后 回 线 F i g · 5 S etr s s v e r s u s s tr a in h y s t e er s is l o o P s a t a s t r a in r a n g e o f 1 . 0 0/ 3 断 口 观 察 恒 应 变 幅 为 .0 6 % 的疲 劳 断 口 全 貌 如 图 6 所 示 , 疲 劳裂 纹 起始 于 试样 表 面 , 裂 纹 源沿 断 口 周 边分 布 (A 区 ) , 为 多源 特 征 , 如 图 7 所 示 . 裂 纹 向 内部 扩 展形 成 疲 劳扩 展 区 (B 区 ) , 该 区 约 占整个 断 口 面积 的 2 3/ . 斜 断 面 为瞬 断 区 (C 区 ) , 位 于主 疲 劳源 的对 面 . 图 8 和 图 9 分 别 是裂 纹 扩展 区和 瞬 断区 扫描 电镜 照片 . 可 以看 出 , 在 瞬 断 区能看 到 明显 的撕裂 棱 , 材 料在 瞬 断 区出现撕 裂 棱反 映 了该 材料 承受 拉 压载荷 时 的 塑性还 是 比较好 的 . 1 0 一 2 r 闷 拐 10 一 , 。 △￡。 2 2 。 酝 p / 2 · △￡。 / 2 10 3 10 4 疲劳寿命 , 2丛 / 周 图 4 材 料 的△以2一ZNr 曲线 l血 l0z F i g 4 F a igt u e ljfe e u vr e s o f 8 0 0 Mp a 一 g r a d e u l t r a血 e 一 g r a - in e d n S L A 2.4 循环 迟 滞 回 线 80 0 M aP 级 低 合金 高强度 钢 在循环 过 程 中表 现 出循 环软 化行 为 . 图 5 为材料 在 1 . 0 % 恒 定 应变 幅 下 进行 疲 劳 试 验 时 从 开始 加 载 到 最 终疲 劳 失 效 的滞 后 回线 . 可 以看 出 , 在 材 料疲 劳 变 形 的过 程 中 , 应 力 幅逐 渐 下 降 , 也 就是 说 材料 表 现 出稳 定 的循 环 软化 行 为 . 图 7 疲 劳源 及其 裂纹 扩展 iF g 7 L o ca 6 o n o f af it gU e e ar e k i o iat 如 n

·78· 北京科技大学学报 2005年第1期 (2)在03%应变幅下，材料没有明显的循环 软化发生：随着应变幅的提高，材料的循环软化 速率明显加快：到1.5%应变幅时，材料以较高的 软化速率直至材料最终断裂， (3)800MPa级低合金高强度钢的低周疲劳应 变与寿命关系曲线为△e/2-0.006226(2N)om+ 0.69849(2N)“,循环应力一应变关系为△c2= 1085.45(△e,/2)°6116 (4)800MPa级低合金高强度钢的疲劳过渡寿 图8疲劳扩展区 命N为505周. Fig 8 Fatigue crack propagation surface viewed in SEM 参考文献 [1】尹志新，于维成，姚戈，等.42CMo淬火后的疲劳性能研 究.见：新一代钢铁材料研讨会论文集。北京金属学会， 2001.402 [2]杨胜利，王建国，张向葵，等.不同弛豫时间下低合金高强 度钢的组织和拉伸性能.物理测试，20041)13 [3)戮新亚.8O0MPa级低合金中厚板的工艺及力学性能分析： [学位论文1北京：北京科技大学，2001 [4]王晓天，黄小平，耿峰，等.高强度材料402钢的低周疲劳 性能实验研究.哈尔滨工程大学学报，2000,21(3)：75 [)Surech S..材料的疲劳.王中光等译.北京：国防工业出版 图9瞬断区撕裂棱 杜，1993 Fig 9 Fatigue failure surface viewed in SEM [阿张哲峰，李广义，王中光，等.铜双晶体中晶界及组元晶体 的疲劳寿命.金属学报，1998,341)：51 4结论 [刀邓增杰，周散恩工程材料的断裂与疲劳，北京：机械工业 出版社，1993 (1)800MPa级低合金高强度钢具有循环软化 [⑧]谢里阳，徐额，王德俊.疲劳过程中材料强化和软化现象 的探讨.机械强度，1991,13(1)69 特性，即在恒应变控制变形的条件下，随循环次 [9引商宏学，鲁阳，丁皓江.材料低周疲劳中循环硬化或循环 数增加，其应力幅值逐渐降低 软化的新描述，浙江大学学报，1995(5)：140 Low-cycle fatigue properties of 800 MPa-grade ultrafine-grained steel WANG Jianguo",YANG Shengli,WANG Hongying,KANG Yonglin 1)State Key Laboratory for Advanced Materials and Metals,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Baoshan Iron and steel Co.Ltd,Shanghai 201900,China ABSTRACT The low-cycle fatigue test of 800 MPa-grade ultrafine-grained HSLA was done.The result showed that the low-cycle fatigue cycle characteristic of the material is cyclic softening under the experimental condition and the softening velocity increases with the increasing of strain amplitude.Observations of the fatigue fractogra- phy revealed that fatigue cracks start from the material surface and distribute along the fracture border,which have multi-fatigue origins. KEY WORDS ultra fine-grade steel;low-cycle fatigue;cycle characteristic;HSLA

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 1 期 (2 ) 在 0. 3 % 应变幅 下 , 材料没 有 明 显 的循环 软化发 生 ; 随着应 变幅的提高 , 材料 的循环 软 化 速率 明显 加快 : 到 1 . 5 % 应变幅 时 , 材料 以较 高 的 软化 速 率 直至 材料最 终断 裂 . (3 ) 8 0 0 M P a 级低 合金 高 强度钢 的低周 疲劳 应 变 与 寿命 关 系 曲 线 为 酝了2 = 0 .0 06 2 2 6( 2抓 犷07 ,件 .0 69 8 49 ( 2凡) 075 , 肠 , 循 环应 力一应 变 关 系 为△武 = 1 0 8 5 , 4 5 (△习2 ) 0 067 ’ ` . (4 )8 0 0 M P a 级低 合金 高强度 钢 的疲 劳过 渡寿 命NT 为 5 05 周 . 4 结论 (l )8 o M p a 级低 合金 高 强度钢 具有 循环 软 化 特 性 , 即在 恒 应变 控制 变形 的 条件 下 , 随循 环 次 数增 加 , 其 应 力幅 值 逐渐 降低 . 参 考 文 献 川 尹志 新 , 于维 成 , 姚戈 , 等 . 42 C lr 以O 淬火后的 疲劳 性能研 究 . 见 : 新 一代钥 铁材 料研讨会 论文 集 . 北京 金属 学会 , 2 0 0 1 . 4 0 2 2[ ] 杨胜 利 , 王建 国 , 张 向葵 , 等 . 不 同弛 豫时 间下 低合 金 高强 度锅 的组 织和 拉伸性能 . 物 理测 试 , 20 0 4 ( 1) : 13 13 ] 魏 新亚 . 8 0 人 P[ a 级低合 金 中厚板 的工 艺及 力学性 能分析 : 【学位 论 文1 . 北 京 : 北 京科技 大 学 , 2 0 1 4I] 王 晓天 , 黄 小平 , 耿 峰 , 等 . 高强度 材 料 4 02 钢 的低 周疲 劳 性 能实验 研究 . 哈尔演 工程 大学 学报 , 2 0 0 , 21 (3) : 75 5[ 』 S世 e c h s . 材料 的疲 劳 . 王 中光 等译 . 北京 : 国防工 业 出版 社 , 199 3 6[] 张 哲峰 , 李广 义 , 王 中光 , 等 . 铜 双晶 体 中晶界 及组 元 晶体 的疲 劳寿 命 . 金属 学报 , 19 98 , 3《 :1) 51 7[ ] 邓 增杰 , 周 敬恩 . 工 程材料 的断裂与疲 劳 . 北京 : 机械 工业 出版 社 , 1 9 3 81[ 谢里 阳 , 徐翻 , 王 德俊 . 疲 劳过程 中 材料强化和 软化 现象 的探 讨 . 机械强度 , 19 9 1 , 13 ( l ) : 6 9 9[ l 商宏 学 , 鲁阳 , 丁 皓江 . 材料 低 周疲劳中循 环硬 化或 循环 软化 的新 描述 . 浙 江大 学学 报 , 19 5 ( 5) : 140 L o w 一 e y e l e fat ig u e P r o P e irt e s o f 8 0 0 M P a 一盯a d e u ltr a if n e . g r a in e d s t e e l 侧N G iaJ n g材。 1), YA N G hS e gn l护气开通 N G oH ” g) 声 i心气犬月 N G oY州’in , l ) S at t e K ey L ab o ar t o ly fo r A d y 明 c e d M at e ir ia s 即d M e ajt s , U山 v e 路iyt o f s c i enc e an d eT c bn o l o g y B iej 吨 , B iej 吨 10 0 0 8 3 , C恤 a 2 ) B aos h an orI n an d s t e e l C o . L t成 S h an 沙aj 2 0 1 9 00 , C b让旧 A B S T R A C T T b e l o w 一 cy c l e 肠itL 邵犯 et st o f 8 00 M P 含g 甩d e ul tr a if n e . g 田口 e d H S LA 、 v a s d o n e . hT e er s ul t s ho we d ht at ht e l o w 一 cy e l e fat i邵姆 cy c l e hc 印傲 e t e ir s it c o f ht e m at e ir al 1 5 e y e li e s o ft e 加由9 u n d e r ht e ex pe r 住n e nl at l c o n id iot n 助d het so fet n i n g ve lo c iyt I n c r e as es 初ht het in er as ing of sit a in aJ . Pli ot d e . Ob s e vr at i ons of het ifat gu e fr 朗t o g ar ~ p hy ver e a l e d ht at 如itL g 沈 c 六` 地 就时 丘℃m ht e m at e ir 公 钊d 如e an d dist ir b ut e ia o n g het fr 即h 甘e b or d e r , w hi hc h aV e m u lit 一 fat ig u e iot g l n s · K E Y WO R D S ul tr a 加 e 一 g 叻。 s et ;el l o w . c y c l e 肠ilt g u e ; cy cl e c h ar a e ot ir ist ;c H S L A