消除TRIP钢屈服平台的预拉伸实验及微观机理--《北京科技大学学报》2008年04期
消除TRIP钢屈服平台的预拉伸实验及微观机理
【摘要】：含铬高硅TRIP钢室温变形时通常具有较长的屈服平台,在成型过程中零件表面容易出现褶皱等缺陷.为了解决这个问题,采用预拉伸实验研究了不同预拉伸变形量对TRIP钢屈服平台的影响,并且对拉伸前后的TRIP钢试样做了TEM透射分析以期找出形成屈服平台的机制.实验表明:随着预拉伸量增加,屈服平台长度减少,当预变形量达到1.0%时屈服平台消失;在相同预拉伸条件下,奥氏体越稳定,屈服平台越短;柯氏气团和奥氏体的应力松弛机制共同对TRIP钢屈服平台的形成起作用.
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TG142.15【正文快照】：
TRIP钢在具有高强度的同时还具有良好的塑性,强塑积(强度和塑性的乘积)很高,因此在各行各业有着广泛的用途.目前TRIP钢主要应用于汽车工业、海上采油平台、输油管道、压力容器、中厚板等的某些结构件中[1-2].TRIP钢存在较长的屈服平台,在冲压成型或者抗弯曲变形的过程中,钢体
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相变诱发塑性的应力松弛机制及塑性增量计算方法
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3秒自动关闭窗口TRIP汽车钢板的高周疲劳性能
于燕, 张小盟, 刘云旭. TRIP汽车钢板的高周疲劳性能. 吉林大学学报: 工学版, ): [YU Yan, ZHANG Xiao-meng, LIU Yun-xu. High cycle fatigue performance of TRIP automobile steel. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), ): ]&&
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TRIP汽车钢板的高周疲劳性能
长春工业大学 材料学院, 长春130012
作者简介:于燕（1962-）,女,教授,博士生导师.研究方向:汽车材料强韧化.E-mail:
基金:国家自然科学基金项目（）
对TRIP钢板进行了一系列高周疲劳试验,对800 MPa强度级别的TRIP钢的疲劳极限、疲劳寿命系数进行了研究,并与同强度级别的DP钢板进行了对比。分析了TRIP钢疲劳断口的显微组织以及TRIP效应对TRIP钢疲劳性能的影响。结果表明:TRIP效应对钢的疲劳抗力有所贡献, 在循环基数为107次下,TRIP钢的疲劳极限值明显高于DP钢,拥有更高的抗疲劳性能,TRIP钢疲劳裂纹源与疲劳区有明显韧性断裂特征。
中图分类号:TG113; TG115
文献标志码:A
文章编号:14)05-1371-04
High cycle fatigue performance of TRIP automobile steel
ZHANG Xiao-meng,
LIU Yun-xu
Department of Materials, Changchun University of Technology,Changchun 130012, China
The high cycle fatigue performance of TRIP automobile steel is investigated. First, a series of high cycle fatigue experiments of TRIP steel were conducted. Then, the fatigue limit and fatigue life factor at 800 MPa tensile strength level were studied, and compared with that of DP steel plate at the same strength level. Finally, the microstructure of the fatigue fracture and influence of TRIP effect on the fatigue property of TRIP steel were analyzed. Results show that the TRIP effect improves the fatigue resistance of the steel to some extent. Under the 107 times cycle base condition, the fatigue limit of TRIP steel is obviously higher than that of DP steel, and its fatigue resistance performance is better. The crack source and fatigue area of TRIP steel show obvious ductile fracture characteristics.
metallic material;
TRIP steel;
fracture scanning;
fatigue performance
0 引言20世纪70年代初,由于马氏体铁素体双相钢(DP钢)具有高强度的同时,也有各向同性、更高的应变硬化指数、无屈服点延伸等优点,被广泛应用于汽车钢板冲压成型[]。进入90年代以来,相变诱发塑性钢由于自身优异的拉胀性和塑性,比双相钢、析出硬化钢、固溶强化钢具有更广泛的成形范围,更适合于需要很大压边力的冲压成形工艺,因而受到国内外钢铁行业和汽车工业界的密切关注[]。作为汽车轻量化的替代材料,目前对于这种钢板的常规力学性能以及冲压成型性能的研究较多,而对其疲劳性能的研究很少。为此,本文对800 MPa抗拉强度级别的低碳低硅锰系TRIP钢的疲劳性能进行了研究,并与同强度级别的DP钢进行了对比。1 试验制备与试验方法试验材料选用抗拉强度为800 MPa的1.5 mm厚的TRIP钢板和DP钢板,其化学成分见,力学性能见。表1Table 1表1(Table 1)
表1 试验材料的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical compositions of the test material %牌号CSiMnPSAlTP800DP8000.220.131.540.171.871.960.0210.012<0.005<0.0050.0500.050
表1 试验材料的化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical compositions of the test material %表2Table 2表2(Table 2)
表2 试验材料的力学性能
Table 2 Mechanical properties of the test material牌号 &#x003c3;s/MPa &#x003c3;b/MPa &#x003b4;5/%TRIPDP58060981683424.318.3
表2 试验材料的力学性能
Table 2 Mechanical properties of the test material疲劳试验选用电液伺服疲劳试验机EHF-UM100K(SHIMADZU),选择加载频率为8 Hz,最大加载应力 &#x003c3;max= S(试验中施加的应力值),最小加载应力值 &#x003c3;min=0,应力加载误差为&#x000b1;0.5%,应变测量误差为&#x000b1;0.5%,电源为380 V。用XJG-05型光学显微镜对断口进行组织观察,用JSM-5500LV型扫描电镜分析断口。参照金属轴向疲劳试验方法国家标准(GB-T )进行正弦等幅交变载荷疲劳试验。从钢厂提供的钢板上加工疲劳试验用试样的形状尺寸和技术要求如所示。图1Fig.1 图1 疲劳试样图示Fig.1 The direction of fatigue sample2 结果及分析2.1 S-N曲线对比分析
为TRIP钢板和DP钢板经一系列疲劳试验后,根据试验测得的数据用Origin逐点描迹法得到的 S-N曲线对比图,再利用单点法[]求得TRIP800钢的疲劳强度为560 MPa,DP800钢的疲劳强度为490 MPa。由于抗拉强度与疲劳极限成正比例关系,并且利用单点法所测的疲劳极限值精度不高,因而需要进行归一化处理,即应该用疲劳极限与抗拉强度的比值来进行比较。TRIP钢板的疲劳极限与抗拉强度之比高达0.69,明显高于DP钢的0.59。从可以看出:与DP钢板相比,TRIP钢板不仅疲劳强度比DP钢板高70 MPa,而且其过载疲劳断裂线也高出50~60 MPa。图2Fig.2 图2 S-N曲线对比图Fig.2 S-N curves for comparison of two steels尽管两种钢的抗拉强度相当,且疲劳强度都很高,但是TRIP钢的疲劳性能明显优于DP钢,主要归因于TRIP钢中贝氏体铁素体的存在及残奥发生相变时所带来的TRIP效应产生的强化效果大于DP钢中马氏体的弥散强化效果。TRIP钢板具有优化配置的多相组织:先共析铁素体+超级贝氏体(贝氏体铁素体+残余奥氏体),即[F+BSUP(BF+AR)],在疲劳应变过程中残余奥氏体发生相变,释放应力,延迟断裂。TRIP效应改善了高强度钢的疲劳性能,双相钢在进行疲劳拉-拉试验发生变形后,应力集中在基体相铁素体上,第二相马氏体起到弥散强化的作用,如果发生微量变形,运动着的位错滑移到晶界处,将会受到马氏体的阻碍而停止运动,当变形继续增大时,在马氏体强烈的阻碍作用下,晶体产生新的位错或者促使相邻晶粒中的滑移系开动[],故DP钢的疲劳断裂需要吸收的能量相应会提高很多,即DP钢的F+M双相结构对疲劳抗力提高有一定影响。TRIP800钢的疲劳强度为560 MPa,已经接近其屈服强度 &#x003c3;0.2=580 MPa,而普通工业用调质钢的疲劳强度 &#x003c3;-1=(0.65~0.7) &#x003c3;s。这种现象主要是由于TRIP效应,既有应变诱发马氏体相变后产生的强度的提高,同时伴随体积膨胀,相变中应力的释放,又有应变诱发马氏体相变引起的塑性的提高,所以TRIP钢板在疲劳载荷作用下发生微量塑性变形,导致其强度、塑性同时提高,从而大大地提高了TRIP钢的疲劳强度。这种疲劳应该属于应变疲劳。2.2 TRIP效应改善疲劳断裂性能的机理分析TRIP钢疲劳断裂试样(见)以及疲劳试样断口的SEM(见)的结果表明:TRIP钢板的疲劳裂纹起源于试样受力最大(最窄处)的表面基体(表面划痕、小缺口或蚀坑、粗糙度的客观原因引起的应力集中),这主要是由于表面一侧不受约束,呈平面应力状态,图3Fig.3 图3 TRIP钢疲劳试样宏观裂纹Fig.3 Macroscopic crack of fatigue specimen图4Fig.4 图4 TRIP钢基体表面疲劳源断口形貌Fig.4 Fatigue source fracture morphology of the matrix surface易于屈服,造成疲劳损伤;其次,在拉-拉加载时的偏斜使应力最大值位于钢板最窄处的金属表面[],由于钢板较高的纯净度,并未起源于夹杂物。金属疲劳过程是晶体往复滑移的过程,进行疲劳试验时,疲劳应力最大处会首先发生微量变形,此处的AR因发生TRIP效应而强化抑制了塑性变形继续发生。如果形成疲劳裂纹,在其尖部局部的残余奥氏体转变为马氏体产生了显著的加工硬化,并伴随着相变产生的压应力阻碍了位错的运动,使金属表面难以形成驻留滑移带、挤出脊、侵入沟,从而推迟了疲劳裂纹的扩展,主裂纹上枝生的微裂纹以及前进着的主裂纹遇到残余奥氏体时或被钝化,或者发生转向或分岔[]。这样,为了使疲劳裂纹萌生、扩展以及钢板断裂,需要吸收更多的能量,这种残留奥氏体的形变诱发马氏体相变的高应变速率敏感性[]就大大改善了TRIP钢板的疲劳性能。此外,前进着的裂纹在位错塞积所造成的应力集中处会引伸出二次裂纹,二次裂纹消耗了能量,松弛了应力集中,再遇到残余奥氏体又发生上述的情况,疲劳裂纹如此间断前进,从而降低了其扩展速率,因此TRIP钢板疲劳寿命有所提高。残余奥氏体转变为马氏体的同时,会析出细小的碳化物颗粒,引起的沉淀强化对位错的运动起着阻碍作用,从而降低裂纹扩展速率,提高钢的疲劳强度。2.3 TRIP钢的疲劳断裂过程及断口形貌分析TRIP钢板具有典型的疲劳断口的3个形貌不同的区域,即疲劳源、疲劳区和瞬断区。由可知,在断口上,疲劳源位于基体承受应力最大处的表面,一般表面裂纹源是由于缺口、表面裂纹或蚀坑等缺陷引起,此处的应力集中引发疲劳裂纹萌生。由可以观察到基体表面有典型的裂纹源特征,即一些表面撕裂粘连痕迹,和撕裂后的凸起或凹坑。在靠近裂纹源处(如(a)所示)光亮度比较大,主要是因为此处在整个裂纹亚稳扩展过程中,扩展速率最低,扩展循环次数最多,断面不断摩擦挤压,故显示光亮平滑,而且因加工硬化表面硬度也有所提高;此处断口布满了韧窝,属于韧性断裂。图5Fig.5 图5 TRIP钢疲劳区断口形貌Fig.5 Fracture morphology of fatigue area在疲劳区(如(b)所示)也可以看到有大量大小各不相同的等轴韧窝,图中存在大空洞痕迹(箭头所指),附近韧窝尺寸也比较大,且均为等轴韧窝,说明此处可能有大裂纹源,第二相的形状、大小各不相同而且各区域应力状态也不相同,使得韧窝的大小形状都会有所差异。由于断面承受的是单轴拉伸应力,正应力垂直于微孔的表面,所以能够形成等轴韧窝。另一方面,TRIP钢板较高的纯净度、形变硬化指数值低[]使其相对于一般钢种来说产生的韧窝更大更深。在一些韧窝的底部可以看到有圆形的第二相质点,部分较大的韧窝里面还可以看到较小的韧窝。疲劳最终都是脆性断裂,由于疲劳应力水平低于屈服强度,所以不管韧性材料或脆性材料在疲劳断裂前均不会发生塑性变形及有形变征兆,损伤长期累积后,裂纹缓慢亚稳扩展到临界尺寸突然发生断裂,如(a)所示。在图中可以看到左上部分有明显的脆性断裂的特征,右下部分有大小不一的韧窝存在。此处可能是裂纹疲劳区向瞬断区发展的过渡部位(箭头所指为脆韧交界线),说明试样即将发生失稳断裂。由(b)可以看到光亮凸起的撕裂棱,撕裂棱是由微区塑性变形生成的,相当于塑性材料拉伸时的缩颈,此处为瞬断区断口,比疲劳区粗糙,宏观特征与静载的裂纹件断口一样[]。图6Fig.6 图6 TRIP钢瞬断区疲劳形貌Fig.6 Fatigue morphology of interruptions area3 结论(1)在拉-拉应力循环基数为107次下,TRIP钢的疲劳极限值明显高于DP钢,具有更高的疲劳抗力,疲劳强度高,抗过载疲劳损伤能力强。(2)TRIP钢在变形过程中,残余奥氏体发生应变诱发马氏体相变后产生的强化效果对位错运动产生阻碍作用,且在起到强化作用的同时,伴随体积膨胀相变中应力释放,又起到韧性加强作用。故使得强度和塑性同时提高,即TRIP效应大大提高了TRIP钢的疲劳强度。(3)TRIP钢板疲劳裂纹源与疲劳区有明显韧性断裂特征,瞬断区失稳发生脆性断裂。
The authors have declared that no competing interests exist.
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The phase transformation rule of test steels and the microstructure evolution for different process parameters were investigated by using thermal simulation, scanning electron microscope (SEM). 700 MPa grade hot rolled dual phase steels were pilot?produced based on the results of thermal simulation, and the hot rolling and cooling parameters were also optimized. The results of experiments indicate that the microstructure is comprised of fe tensile strength is 730 MPa, yield ratio is 0?62, and elongation rate is 23?6%, ratio the tested steel reaches the desired properties of DP700 class of these steels. And the influence of coiling temperature on final mechanical property was discussed.
采用热模拟并借助光学显微镜、SEM技术研究了双相钢的相变规律及不同工艺参数下的组织演变规律。根据热模拟结果在实验室试制出700 MPa级热轧双相钢，优化了轧制和冷却工艺参数。实验结果表明：热轧双相钢组织为多边形铁素体+马氏体岛，抗拉强度730 MPa，屈强比0?62，伸长率23?6%，达到了DP700级双相钢的性能要求，并讨论了热轧卷取温度对双相钢最终力学性能的影响。
... 0 引言20世纪70年代初,由于马氏体铁素体双相钢(DP钢)具有高强度的同时,也有各向同性、更高的应变硬化指数、无屈服点延伸等优点,被广泛应用于汽车钢板冲压成型[1] ...
... 进入90年代以来,相变诱发塑性钢由于自身优异的拉胀性和塑性,比双相钢、析出硬化钢、固溶强化钢具有更广泛的成形范围,更适合于需要很大压边力的冲压成形工艺,因而受到国内外钢铁行业和汽车工业界的密切关注[2] ...
鉴于疲劳性能在车身零件使用中的重要性,选取车身冲压件经常使用的厚度规格均为1.2mm、2.0mm的两种冷轧钢板St13、St14,分别进行0%(无残余变形)、5%、10%、15%及20%5种变形量的预拉伸,之后制成疲劳试样进行疲劳试验,并比较分析不同残余变形冷轧钢板的疲劳性能.
... 1 S-N曲线对比分析图2为TRIP钢板和DP钢板经一系列疲劳试验后,根据试验测得的数据用Origin逐点描迹法得到的S-N曲线对比图,再利用单点法[3]求得TRIP800钢的疲劳强度为560 MPa,DP800钢的疲劳强度为490 MPa ...
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... TRIP效应改善了高强度钢的疲劳性能,双相钢在进行疲劳拉-拉试验发生变形后,应力集中在基体相铁素体上,第二相马氏体起到弥散强化的作用,如果发生微量变形,运动着的位错滑移到晶界处,将会受到马氏体的阻碍而停止运动,当变形继续增大时,在马氏体强烈的阻碍作用下,晶体产生新的位错或者促使相邻晶粒中的滑移系开动[4],故DP钢的疲劳断裂需要吸收的能量相应会提高很多,即DP钢的F+M双相结构对疲劳抗力提高有一定影响 ...
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... 如果形成疲劳裂纹,在其尖部局部的残余奥氏体转变为马氏体产生了显著的加工硬化,并伴随着相变产生的压应力阻碍了位错的运动,使金属表面难以形成驻留滑移带、挤出脊、侵入沟,从而推迟了疲劳裂纹的扩展,主裂纹上枝生的微裂纹以及前进着的主裂纹遇到残余奥氏体时或被钝化,或者发生转向或分岔[6] ...
. ):156-159
文章以CR600TRIP工业成品钢为研究对象,利用彩色金相和EBSD等技术手段,在详细考察TRIP钢的微观组织,特别是残余奥氏体分布规律的基础上,进一步利用定量变形和SEM原位拉伸试验,对钢中残余奥氏体的相变行为和钢的断裂机制进行了考察分析.研究发现,钢中残余奥氏体的相变顺序表现出显著的选择性,而其断裂机制主要为微孔聚集型断裂.
... 这样,为了使疲劳裂纹萌生、扩展以及钢板断裂,需要吸收更多的能量,这种残留奥氏体的形变诱发马氏体相变的高应变速率敏感性[7]就大大改善了TRIP钢板的疲劳性能 ...
. ):379-382
含铬高硅TRIP钢室温变形时通常具有较长的屈服平台,在成型过程中零件表面容易出现褶皱等缺陷.为了解决这个问题,采用预拉伸实验研究了不同预拉伸变形量对TRIP钢屈服平台的影响,并且对拉伸前后的TRIP钢试样做了TEM透射分析以期找出形成屈服平台的机制.实验表明:随着预拉伸量增加,屈服平台长度减少,当预变形量达到1.0%时屈服平台消失;在相同预拉伸条件下,奥氏体越稳定,屈服平台越短;柯氏气团和奥氏体的应力松弛机制共同对TRIP钢屈服平台的形成起作用.
... 另一方面,TRIP钢板较高的纯净度、形变硬化指数值低[8]使其相对于一般钢种来说产生的韧窝更大更深 ...
. ):629-632
1.Faculty of Materials and Metallurgical E Kunming University of Science and T Kunming .Institute for Structural M Central Iron & Steel Research I Beijing .The Chinese Society for M Beijing 100711
Bending rotating fatigue properties and fatigue crack growth (FCG) characteristic of a medium&carbon TRIP steel at different tensile strength (Rm) levels were investigated. The results show that the fatigue& limits & &1 of austempering (AT) specimens are higher than those of quenching and tempering (QT)& specimens at the strength levels of 1100 MPa and 1300 MPa. The ratios of & &1 to R m (& &1 /R m ) of AT& specimens can reach 0.56, which are higher than those of QT specimens (0.51&~ 0.52), and the FCG& results show that the stage&Ⅱ fatigue crack growth rates da/dN of AT specimens are lower than those& of QT specimens at the same tensile strength level. Moreover, the differences in fatigue limit and da/dN & between AT and QT conditions decreased with the increase of tensile strength from 1100 MPa to 1300& MPa.
对比研究了不同强度中碳TRIP钢的旋转弯曲疲劳性能和疲劳裂纹扩展速率特征. 结果表明, 对于1100 MPa和1300 MPa两种强度级别,等温淬火(AT)处理试样的旋转弯曲疲劳强度均高于淬火回火(QT)处理的试样.两种强度级别的AT样的疲劳极限与抗拉强度之比均高达0.56, 明显高于QT样的0.51--0.52, 同时, AT样的疲劳裂纹扩展速率均明显低于QT样. 此外,实验钢的抗拉强度从1100 MPa级提高到1300 MPa级,AT样与QT样的疲劳强度和疲劳裂纹扩展速率之间的差异均缩小.
... 由图6(b)可以看到光亮凸起的撕裂棱,撕裂棱是由微区塑性变形生成的,相当于塑性材料拉伸时的缩颈,此处为瞬断区断口,比疲劳区粗糙,宏观特征与静载的裂纹件断口一样[9] ...
TRIP汽车钢板的高周疲劳性能
[于燕, 张小盟, 刘云旭]}