预弯曲变形和退火工艺对双相...钢FB590疲劳性能的影响_杨旭静.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023材料性能与变形理论引文格式:杨旭静,王 韬,李茂君,等.预弯曲变形和退火工艺对双相高强钢 FB590 疲劳性能的影响 J.塑性工程学报,2023,30(2):88-96.YANG Xujing,WANG Tao,LI Maojun,et al.Effects of pre-bending deformation and annealing process on fatigue properties of duplex high-strength steel FB590 J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):88-96.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51875188)通信作者:李茂君,男,1984 年生,博士,副教授,主要从事材料成形理论与工艺、模具设计与装备制造研究,E-mail:第一作者:杨旭静,男,1969 年生,博士,教授,主要从事汽车轻量化、材料成形工艺与装备研究,E-mail:yangxujing 收稿日期:2022-04-18;修订日期:2022-10-09预弯曲变形和退火工艺对双相高强钢 FB590 疲劳性能的影响杨旭静1,王 韬1,2,李茂君1,秦银平1,齐 军2(1.湖南大学 机械与运载工程学院,湖南 长沙 410082;2.上海汇众汽车制造有限公司,上海 201814)摘 要:开展了汽车底盘部件典型材料双相高强钢 FB590 在预弯曲变形和退火工艺下的拉伸试验和疲劳试验研究,采用宏观和微观分析方法阐释了力学性能和疲劳性能的变化规律,并基于塑性应变能法建立了疲劳寿命预测模型。结果表明,预弯曲变形产生的冷作硬化和位错强化导致材料的强度提升以及伸长率下降,从而提高了双相高强钢 FB590 的低周疲劳性能,降低了其高周疲劳性能。经过退火处理后,消除了预弯曲变形产生的残余应力,试样具有优异的高周疲劳性能。疲劳断口分析发现,双相高强钢 FB590 呈现典型的疲劳断裂模式,预弯曲试样瞬断区的韧窝数量减少,使材料的延性下降,且经退火处理后未见明显改善。采用疲劳寿命预测模型计算的试样预测寿命和对应的试验数据都落在 2 倍分散带内,表明模型预测效果较好。关键词:双相高强钢;预弯曲;退火;疲劳性能;疲劳断口中图分类号:O346.2 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0088-09doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.011Effects of pre-bending deformation and annealing process on fatigue properties of duplex high-strength steel FB590YANG Xu-jing1,WANG Tao1,2,LI Mao-jun1,QIN Yin-ping1,QI Jun2(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China;2.Shanghai Huizhong Automobile Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 201814,China)Abstract:The tensile test and fatigue test of typical material duplex high-strength steel FB590 of automobile chassis components under pre-bending deformation and annealing process were carried out.Combined with macroscopic and microscopic analysis methods,the varia-tion laws of mechanical properties and fatigue properties were explained,and the fatigue life prediction model was established based on the plastic strain energy method.The results show that cold work hardening and dislocation strengthening from pre-bending deformation lead to the strength enhancement and elongation reduction of material,which improves the low-cycle fatigue property and reduces the high-cycle fatigue property of duplex high-strength steel FB590.After the annealing treatment,the residual stresses introduced by pre-bending de-formation was eliminated and the specimen exhibits excellent high-cycle fatigue property.It is found by fatigue fracture analysis that du-plex high-strength steel FB590 shows typical fatigue fracture mode,and the number of dimples in the final fracture zone of the pre-bent specimen decreases,which reduces the material ductility and the significant improvement is not found after the annealing treatment.Both the predicted life of specimens calculated by the fatigue life prediction model and corresponding test data locate within the 2 times scatter band,which indicates that the prediction effect of model is good.Key words:duplex high-strength steel;pre-bending;annealing;fatigue property;fatigue fracture 引言近年来,先进高强钢由于其高比强度和比刚度等优点被广泛应用于制造汽车结构件,以期实现汽车轻量化要求1。铁素体-贝氏体双相钢(FB 钢)属于典型的先进高强钢,铁素体基体有助于提高 FB钢的伸长率和成形性能2,且贝氏体相有利于提高其强度3-4,因此 FB 钢主要用于汽车底盘结构件等需要高强度高成形性材料的部件。然而,此类零部件在冲压成形过程中会产生较大的塑性变形,导致钢材厚度和形状发生变化,从而产生塑性应变,不可避免地会影响到材料的疲劳性能5,研究 FB 钢在预弯曲前后的疲劳性能变化规律对汽车底盘零部件材料的应用有着重要意义。此外,这类部件在成形后通常会经过退火热处理,由于退火工艺会导致材料相变和微观组织的变化6-7,因此退火对 FB 钢的疲劳性能也具有显著影响。当前,关于预变形对先进高强钢的疲劳性能的影响已有部分研究。GHOSAL P 等8-9研究了双相钢 DP590 在单轴和等双轴预应变作用下的低高周疲劳性能变化,研究表明,预变形导致材料强度提高以及延性降低,从而提高了 DP590 双相钢的高周疲劳性能,但降低了其低周疲劳性能。DAS B 等10探究了预应变路径对双相钢 DP600 疲劳性能的影响,结果表明,所有预应变路径加载下的材料高周疲劳寿命均得到提升。WANG B 等11发现孪晶诱导塑性(Twin Introduced Plasticity,TWIP)钢在适当的预拉伸应变下可以有效提高其疲劳寿命。LY A L 等12研究 了 相 变 诱 导 塑 性(Transformation Introduced Plasticity,TRIP)钢在预拉伸变形下的疲劳性能变化规律,研究表明,预拉伸变形导致材料疲劳性能发生变化的原因是其内部的铁素体相变。然而,对于预变形后 FB 钢的疲劳性能变化规律鲜见相应报道。此外,在合适温度条件下的退火处理可以在一定程度上提升先进高强钢的疲劳性能。SHAMANTH V 等13发现双相钢退火后的疲劳寿命提升是由于退火过程中材料奥氏体相的应变硬化现象,从而提高了材料在疲劳试验循环载荷下的塑性变形抗力。ZHANG Z 等14研究了 TRIP 钢在退火处理下低周疲劳裂纹的扩展规律,结果表明,退火减小了粗糙度引起的裂纹闭合,从而减缓了裂纹扩展速率,提高了材料的疲劳寿命。SUN H 等15探讨了复相钢CP800 在预拉伸应变和退火条件下的疲劳性能,合理的预应变范围可以提高材料的强度,较大的预应变对材料疲劳寿命有负面影响,而通过退火处理可以适当提高其疲劳寿命。综上所述,预变形和退火会显著影响先进高强钢的疲劳寿命和疲劳行为。此外,弯曲变形在汽车结构件成形过程中较普遍,容易引起材料更复杂的疲劳损伤情况。为了获得双相钢在汽车底盘部件制造后的疲劳性能变化规律,本文以双相高强钢FB590 为研究对象,研究预弯曲变形和退火工艺对材料疲劳性能的影响。首先,通过拉伸试验探究材料静态力学性能的变化,然后通过单轴疲劳测试和疲劳断口分析研究材料的疲劳性能变化规律及其断裂模式,最后基于塑性应变能法建立 FB590 在预弯曲变形和退火工艺下的疲劳寿命预测模型,以期为工艺优化设计提供理论和技术支撑。1 试验1.1 试验材料本文研究的材料为 HZFB590 先进高强度结构钢(简称 FB590),厚度为 3.2 mm。通过拉伸试验得到FB590 的屈服强度和抗拉强度分别为(5586)MPa和(6354)MPa,伸长率为 19.8%0.6%,其化学成分通过 Optima8000 电感耦合等离子体发射光谱仪和 CS-2800 碳硫分析仪测定获得,如表 1 所示。表 1 FB590 钢的化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of FB590 steel(%,mass fraction)元素CSiMnAlSNbFe含量0.100.151.270.030.040.02余量1.2 试样制作与试验方法由于汽车底盘结构件形状复杂,同一部件不同位置的弯曲变形程度不同,本文设计了原始板材试样(简称 AR 试样)、2 组预弯曲试样和 2 组预弯曲退火试样进行试验,以期为实际工艺优化提供理论指导。首先对 FB590 原始板材进行冲压预变形,使其 产 生 预 弯 曲 应 变 并 得 到 内 表 面 弯 曲 半 径 为16.8 mm、外表面弯曲半径为 20 mm 的预弯曲试样(简称 R20 试样)以及内表面弯曲半径为 6.8 mm、外表面弯曲半径为 10 mm 的预弯曲试样(简称 R10试样)。然后结合企业现场热处理工艺,对预弯曲试样在 400 进行退火处理,保温 60 min 后空冷至98 第 2 期杨旭静 等:预弯曲变形和退火工艺对双相高强钢 FB590 疲劳性能的影响室温,得到退火试样(分别简称为 R20