一种超薄汽车钢板低周疲劳性能的快速评价方法与流程

本发明属于钢板低周疲劳性能测量技术领域，涉及一种超薄汽车钢板低周疲劳性能的快速评价方法，

背景技术：

在汽车用材料中，钢板的用量占相当大的比例。随着汽车轻量化理念的提出，业界通过减小钢板的厚度减轻车体重量，从而降低油、电等动力消耗，同时减少汽车尾气排放及能源消耗。然而，车用板材的减薄对于材料的强度、韧性、耐冲击以及抗疲劳性能提出了挑战，特别是汽车板的抗疲劳性能对汽车服役安全性的影响，而且随着钢板厚度的减小，板厚对于材料高应变幅条件下低周疲劳性能的影响更加突出。而在传统的应变控制的单轴拉-压疲劳加载方式下，薄或超薄钢板试样极易发生侧向屈曲，而难以获得此类板材的低周疲劳性能。因此，如何准确评价超薄汽车钢板的低周疲劳性能成为业界亟待解决的问题。

日本学者yoshida等人于2002年报导了一种通过粘合五块厚度均为1mm的钢板，对粘合后的五层样品施加大应变幅的轴向拉-压疲劳载荷的方法，通过增大样品厚度防止了样品屈曲的发生，获得了钢板大应变幅条件下的循环应力响应情况。然而，这种方法不仅材料用量增大五倍，而且钢板间粘结剂的使用易对测试结果的准确性产生影响。除此之外，一些研究者通过设计不同的防屈曲装置或采用非接触应变测量的方式进行了单轴拉-压疲劳加载实验，但仍然存在如何测量应变及应变量测量的准确性等问题。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供一种超薄汽车钢板低周疲劳性能的快速评价方法，通过对厚度为几十至几百微米、受单向拉-压载荷易于发生屈曲的超薄钢板或金属箔类试样的悬臂梁对称弯曲加载，实现对该材料毫米级厚度钢板低周疲劳性能的快速评价。该方法具有无需防屈曲装置的使用，快速、准确、节省材料的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超薄汽车钢板低周疲劳性能的快速评价方法，通过汽车钢板和金属薄箔试样的悬臂梁对称弯曲疲劳加载，对超薄钢板的低周疲劳性能进行评价，具体步骤如下：

步骤s1：确定悬臂梁对称弯曲疲劳加载方式下超薄钢板或金属薄箔试样的厚度范围；

步骤s11：设计超薄钢板或金属薄箔的试样尺寸，保证试样夹持端到加载端的距离l与试样厚度t之比l/t>5；将该材料制备金相试样，并经过腐蚀后测量其平均晶粒尺寸d；

步骤s12：试样近似处于平面应力状态，可采用下式估算疲劳裂纹扩展在第一阶段穿过的晶粒数目i，

其中y为几何因子，其值大小与裂纹形状有关，δσ为疲劳循环应力幅，σy'为循环屈服强度；

步骤s13：若板材试样可以进行拉-压无屈曲疲劳加载，且其裂纹扩展第二阶段穿过的晶粒数目为j，j值可用原始板材厚度t0与晶粒尺寸d之比估算，即

j≈t0/d

步骤s14：在疲劳裂纹扩展第二阶段，对于长度为a的裂纹，其裂纹扩展速率由paris公式可得，

式中c和m为常数，与材料的微观组织结构，温度及载荷比等因素有关，δk为应力强度因子范围，其表达式如下：

由以上两式可得，

其中为裂纹扩展速率的倒数，表示疲劳循环周次随裂纹扩展长度的变化率。通过对一定裂纹扩展长度范围积分，可得到相应的疲劳裂纹扩展寿命。

步骤s15：在疲劳裂纹扩展第二阶段，假设悬臂梁试样对称弯曲疲劳加载和拉-压对称疲劳加载条件下的疲劳裂纹长度由a0分别扩展至a1和a2(疲劳裂纹扩展第二阶段结束)，并且假设前者的平均循环应力幅与后者的循环应力幅δσt-c存在如下关系，

则悬臂梁对称弯曲疲劳加载条件下裂纹扩展的距离a1可由下式求得，

步骤s16：进一步估算薄箔试样厚度t，

当m＝2时，

t＝2i^3/4j^1/4·d

当m≠2时(m值一般大于2)，

当j数值很大时，上式可进一步简化为

步骤s2：参照步骤s16的计算结果，在获得的厚度范围中选取多个试样厚度，制备薄箔试样，从多个薄箔试样中选择符合实验要求厚度的试样，进行悬臂梁对称弯曲疲劳加载实验，获得钢板的应变幅-疲劳寿命关系。

进一步地，步骤s2中具体包括以下步骤：

步骤s21：参照步骤s16的计算结果，在获得的厚度范围中选取多个试样厚度，制备薄箔试样；

步骤s22：在薄箔试样加载端施加不同的弯曲挠度v，拍照记录试样弯曲不同挠度v的弯曲轮廓线，对弯曲轮廓线进行数值拟合，采用下式计算弯曲轮廓线各处的曲率半径ρ及夹持端处的最大应变εmax，

式中x为直角坐标系下拟合曲线上各位置的横坐标(以夹持端为坐标原点，夹持端指向加载端为x轴正方向)，ρmin为试样夹持端处的最小曲率半径；

步骤s23：施加挠度v需保证试样夹持端处的曲率半径ρmin大于夹持端到加载端距离l，选择最终的试样厚度t以使最大应变εmax的变化范围及变化速率均符合测试要求；

步骤s24：选择不同的应变幅进行悬臂梁弯曲疲劳加载实验，获得对应的疲劳寿命。

本发明所测试的材料为难以进行轴向拉-压疲劳实验的超薄汽车钢板或其它金属薄板。

本发明所测试材料的低周疲劳部分的稳态疲劳扩展速率应该满足paris公式。

本发明中的薄箔试样在厚度方向应容纳一定数目的晶粒，在悬臂梁对称弯曲疲劳加载方式下的疲劳损伤与断裂机制与拉-压对称疲劳加载方式下的相应机制接近。

本发明中的薄箔试样在低周疲劳区域，位错的运动机制以可动统计存储位错的滑移为主，几何必要位错的影响可以忽略。

本发明的特点在于：

1、本发明通过选择一定厚度薄箔试样的悬臂梁弯曲疲劳加载，可实现对超薄汽车钢板低周疲劳寿命的评价；

2、本发明可以测试厚度小于2mm的汽车钢板或其它金属薄板在大应变幅加载条件下的低周疲劳寿命；

3、本发明通过建立薄箔试样弯曲挠度与最大应变间的关系，可实现应变控制的疲劳加载；

4、本发明无需防屈曲装置的辅助，不需粘合样品，节省实验材料，测试过程简便快速。

附图说明

图1为薄箔试样的尺寸示意图。

图2为dp590钢不同厚度薄箔试样弯曲挠度v与最大应变εmax间的关系。

图3为dp590钢2mm厚板材试样与95μm厚薄箔试样的低周疲劳寿命比较图。

图4厚度为95μm和2mm的dp钢试样(文献数据)的低周疲劳寿命比较。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

如图1所示，将宽度为w的汽车用钢板薄箔试样一端夹持，试样夹持端距离加载端距离为l，l0为加载端外侧非加载距离，根据加载装置可调。

首先依据步骤s1，确定薄箔试样的厚度范围，具体包括以下步骤：

步骤s11：设计薄箔试样尺寸，保证试样夹持端到加载端的距离l与试样厚度t之比l/t>5，制备金相试样并进行腐蚀，测量其平均晶粒尺寸d；

步骤s12：试样近似处于平面应力状态，可采用下式估算疲劳裂纹扩展在第一阶段穿过的晶粒数目i，

其中y为几何因子，其值大小与裂纹形状有关，δσ为疲劳循环应力幅，σy'为循环屈服强度；

步骤s13：若板材试样可以进行拉-压疲劳加载而不发生屈曲，而且其裂纹扩展在第二阶段穿过的晶粒数目为j，j值可用原始板材厚度t0与晶粒尺寸d之比估算，即

j≈t0/d

步骤s14：在疲劳裂纹扩展第二阶段，对于长度为a的裂纹，其裂纹扩展速率由paris公式可得，

式中c和m为常数，与材料的微观组织结构，温度及载荷比等因素有关，δk为应力强度因子范围，其表达式如下：

由以上两式可得，

其中为裂纹扩展速率的倒数，表示疲劳循环周次随裂纹扩展长度的变化率。通过对一定裂纹扩展长度范围积分可得到相应的疲劳裂纹扩展寿命。

步骤s15：在疲劳裂纹扩展第二阶段，假设悬臂梁对称弯曲疲劳加载和拉-压对称疲劳加载条件下的疲劳裂纹长度由a0分别扩展至a1和a2(疲劳裂纹扩展第二阶段结束)，并且假设前者的平均循环应力幅与后者的循环应力幅δσt-c存在如下关系，

则悬臂梁对称弯曲疲劳加载条件下裂纹扩展的距离a1可由下式求得，

步骤s16：进一步估算薄箔试样厚度t，

当m＝2时，

t＝2i^3/4j^1/4·d

当m≠2时(m值一般大于2)，

当j数值很大时，上式可进一步简化为

然后进行步骤s2，具体包括以下步骤：

步骤s21：参照步骤s16的计算结果选取几个试样厚度，制备薄箔试样；

步骤s22：在薄箔试样加载端施加不同的弯曲挠度v，拍照记录试样弯曲不同挠度v的弯曲轮廓线，对弯曲轮廓线进行数值拟合，采用下式计算弯曲轮廓线各处的曲率半径ρ及夹持端处的最大应变εmax；

式中x为直角坐标系下拟合曲线上各位置的横坐标(以夹持端为坐标原点，夹持端指向加载端为x轴正方向)，ρmin为试样夹持端处的最小曲率半径；

步骤s23：施加挠度v需保证试样夹持端处的曲率半径ρmin大于夹持端到加载端距离l，选择最终的试样厚度t以使最大应变εmax的变化范围及变化速率均符合实验要求；

步骤s24：选择不同的应变幅进行悬臂梁弯曲疲劳加载实验，获得对应的疲劳寿命。

实施例1

对一种原始厚度为2mm的汽车用dp590钢薄板进行悬臂梁对称弯曲疲劳加载，按照步骤s1确定悬臂梁弯曲疲劳加载试样的厚度范围，依据步骤s11，设计薄箔尺寸为：l:11mm,l0:3mm,w:3.5mm，测量其铁素体平均晶粒尺寸为d＝9.5μm；由步骤s12计算疲劳裂纹扩展第一阶段穿过的晶粒数，y≈1，σy'≈400mpa,δσ值约为400～450mpa，算得i＝3～4；由步骤s13，如果板材受拉-压对称疲劳加载方式，计算其裂纹扩展第二阶段穿过的晶粒数j≈2000/9.5≈210；结合步骤s14、s15和s16，m的取值范围为2.5～4，计算得到薄箔试样的厚度范围为t＝60～160μm。然后进行步骤s2，由步骤s21，选取薄箔厚度为50μm，100μm，150μm，200μm；按照步骤s22建立最大应变εmax与弯曲挠度v间的关系，如图2所示(图2中的“×”表示薄箔弯曲挠度已经不满足步骤s23的条件)；依据步骤s23，考虑实验过程中最大应变εmax的变化范围及变化速率，选择厚度为100μm左右的薄箔进行悬臂梁弯曲疲劳加载实验；由步骤s24，进行悬臂梁对称弯曲疲劳加载实验，实际实验过程中薄箔的平均厚度为95μm，加载波形为三角波，加载频率为20hz。同时为比较测试结果，对原始2mm厚板材进行轴向拉-压对称疲劳加载，加载波形为三角波，测试频率2hz，得到如图3所示的结果。图3中dp590钢在两种加载方式下的低周疲劳寿命十分接近(测试频率在上述两种加载方式下的影响可以忽略)，可见采用薄箔试样的悬臂梁对称弯曲疲劳加载方式可以很好地评价汽车薄板低周疲劳寿命。

实施例2

对一种原始厚度为2mm的马氏体体积分数为14％的汽车用dp钢薄板进行悬臂梁对称弯曲疲劳加载，按照步骤s1确定悬臂梁弯曲疲劳加载试样的厚度范围，依据步骤s11，设计薄箔尺寸为：l:11mm,l0:3mm,w:3.5mm，测量其铁素体平均晶粒尺寸为d＝9.5μm；由步骤s12计算疲劳裂纹扩展第一阶段穿过的晶粒数，y≈1，σy'≈400mpa,δσ值约为400～450mpa，算得i＝3～4；由步骤s13，如果板材受拉-压对称疲劳加载方式，计算其裂纹扩展第二阶段穿过的晶粒数j≈2000/9.5≈210；结合步骤s14、s15和s16，m的取值范围为2.5～4，计算得到薄箔试样的厚度范围为t＝60～160μm。然后进行步骤s2，由步骤s21，选取薄箔厚度分别为50μm、100μm、150μm、200μm；按照步骤s22建立最大应变εmax与弯曲挠度v间的关系，如图2所示(图2中的“×”表示薄箔弯曲挠度已经不满足步骤s23的条件)；依据步骤s23，考虑实验过程中最大应变εmax的变化范围及变化速率，选择厚度为100μm左右的薄箔进行悬臂梁弯曲疲劳加载实验；由步骤s24，进行悬臂梁对称弯曲疲劳加载实验，实际实验过程中薄箔的平均厚度为95μm，加载波形为三角波，加载频率为20hz。将测试结果与hilditch等人于2009年发表的原始厚度为2mm与马氏体的体积分数为15％、铁素体的平均晶粒尺寸为9μm的dp双向钢在轴向拉-压对称疲劳加载方式下的低周疲劳寿命数据进行对比，如图4所示。dp钢薄箔试样的悬臂梁对称弯曲疲劳加载方式下的低周疲劳寿命与文献中的低周疲劳寿命十分接近，说明采用本发明可以很好地评价汽车超薄板的低周疲劳寿命。