东北大学学报:自然科学版  2020, Vol. 41 Issue (8): 1148-1152  
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高彩茹, 朱长友, 张大伟, 杜林秀. 车轮轮辐钢S500LF的疲劳性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(8): 1148-1152.
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GAO Cai-ru, ZHU Chang-you, ZHANG Da-wei, DU Lin-xiu. Fatigue Property of Spoke Steel S500LF[J]. Journal of Northeastern University Nature Science, 2020, 41(8): 1148-1152. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.08.014.
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基金项目

国家高技术研究发展计划项目(2015AA03A501)

作者简介

高彩茹(1965-), 女, 内蒙古赤峰人, 东北大学副教授, 博士。

文章历史

收稿日期：2019-07-24
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
车轮轮辐钢S500LF的疲劳性能
高彩茹 1, 朱长友 1, 张大伟 1,2, 杜林秀 1     
1. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;
2. 首钢技术研究院 薄板研究所, 北京 100043
收稿日期：2019-07-24
基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2015AA03A501)。
作者简介：高彩茹(1965-), 女, 内蒙古赤峰人, 东北大学副教授, 博士。
摘要：采用PX-100高频疲劳试验机, 采用升降法在振动频率为100~120 Hz、拉-压对称应力的条件下测定车轮轮辐钢S500LF的疲劳极限, 并用数理统计方法分析确认疲劳极限为291 MPa.此值作为母体50%存活率下的疲劳极限估计量时, 以95%的置信度, 相对误差不超过±5%.在测定的疲劳极限基础上, 采用多试样法测得不同应力水平下的疲劳寿命, 据此绘制出应力-寿命关系曲线, 通过回归得到应力-寿命曲线方程.对试样断口进行了理论分析, 结果表明试验钢韧性良好.
关键词：轮辐钢    疲劳极限    S-N曲线    疲劳断口    
Fatigue Property of Spoke Steel S500LF
GAO Cai-ru 1, ZHU Chang-you 1, ZHANG Da-wei 1,2, DU Lin-xiu 1     
1. State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Sheet Research Institute, Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China
Corresponding author: GAO Cai-ru, E-mail: gaocr@ral.neu.edu.cn.
Abstract: An experiment was carried out on the high frequency fatigue testing machine PX-100 and with the method of progressively increasing/decreasing stress to determine the fatigue limit of wheel spoke steel S500LF on the condition that the vibration frequency was 100~120 Hz and the tensile-compressive stress was symmetrical. The fatigue limit was 291 MPa by the mathematical statistical analysis. When this value was used as an estimator of the maternal 50% survival rate, the relative error was no more than ±5% with a confidence level of 95%. The fatigue life at different stress levels was measured by the multi-sample method according to the measured fatigue limit. Based on this, the S-N relation curve was drawn and the S-N curve equation was regressed. Besides, the fracture of the samples was analyzed theoretically, and the result shows the good toughness of the test steel.
Key words: spoke steel    fatigue limit    S-N curve    fatigue fracture    

近年来, 汽车产业正逐步朝节能、减重与安全性的方向发展[1].根据这一需求, 国内外开展了系列高强汽车钢的研制[2-6].随着交通运输业的发展, 重卡汽车需求量和产量也在加大.车轮是汽车的重要安全构件[7], 尤其重卡经常在恶劣环境, 如山区等地行驶, 车轮的安全性尤为重要.载重量较大的情况下, 汽车车轮需要1个月左右更换一次, 过快地更换和废弃给车轮生产厂商带来非常大的压力.采用厚规格汽车轮辐钢成为解决这一问题的重要途径.

汽车板带钢的发展经历了以下三个阶段:①以传统DP钢和TRIP钢为代表的第一代汽车用钢.DP钢成分与低碳微合金钢类似, 主要元素为Si, Mn, 还可能含有Cr, Mo, Nb, V, Ti等元素, 以达到固溶强化、析出强化的目的.TRIP钢的组织主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体和少量马氏体组成, 拥有良好的强度和韧性.②以TWIP钢和奥氏体钢为代表的第二代汽车用钢.主要是利用奥氏体变形过程中的TWIP和TRIP效应增加钢的强度和韧性.③以具有TRIP效应的钢种为代表的第三代汽车用钢[7].

作者根据企业需求, 开展超厚规格的轮辐用钢S500LF的开发工作.开发的钢板厚度为18.0 mm, 抗拉强度为500~550 MPa.目的是将车轮的质保期从2个月提到3个月, 从而扩大产品的竞争优势.

车轮轮辐钢工作过程中受径向交变应力作用, 容易在轮辐部位发生疲劳断裂; 因此, 轮辐钢不但要满足力学性能、滚压加工工艺性能, 还应该满足疲劳性能的要求.在开发过程中应该开展钢板的疲劳性能测试, 所得结果可为车轮生产企业提供参考.

1 试验材料与设备

试验材料为开发的18.0 mm厚S500LF钢板, 化学成分(质量分数, %)为:w(C)0.10, w(Si)0.10~0.20, w(Mn)0.80~1.20, w(P)≤0.015, w(S)≤0.005, w(Alt)0.30~0.40, w(Nb)0.01~0.02, w(Ti)0.015~0.020, w(N)≤0.002 2.

厚度方向1/4处组织为铁素体+珠光体.铁素体晶粒平均尺寸7.33 μm, 铁素体体积分数90%;心部组织为铁素体+珠光体, 铁素体晶粒尺寸7.69 μm, 铁素体体积分数88%.试验钢的金相组织如图 1所示.

图 1 试验钢厚度1/4处金相组织 Fig.1 Metallographic structure at one fourth of the thickness of test steel

试验钢非金属夹杂物评级结果为A类(硫化物)夹杂物等级0级; B类(氧化铝)夹杂物≤1.5级; C类(硫酸盐)夹杂物等级全部为0级; D类(球状氧化物)夹杂物:细系≤1.0级, 粗系≤0.5级, DS类≤1.5级.钢的带状组织评级为0.5~1.5级.

采用漏斗形无切口精加工试样, 表面抛光, 以最大程度地减少表面粗糙度的影响.试样加工尺寸和实物见图 2.设备为PX-100高频疲劳试验机.

图 2 试样加工尺寸图与实物图 Fig.2 Processing dimensions and sample photo
2 试验方法 2.1 条件疲劳极限测试

条件疲劳极限测试采用谐振方式, 振动频率为100~120 Hz, 循环基数N为107次.循环应力比R=-1.

根据国标GB/T 3075—2008, 为了高效地测定疲劳强度, 采用升降法进行试验[8].即预估一个平均应力的应力水平S0, 并在该应力水平下开始进行疲劳寿命试验, 如果试样在循环基数107次中止, 则增加一个应力级d, 使下一个试样在S1=S0+d的应力水平进行试验; 反之, 如在该应力水平下试样发生失效, 则降低应力水平, 下一个试样在S1=S0-d的应力水平进行试验.

根据本文中轮辐钢S500LF的强度, 估计第一级应力水平即第一个试样的试验应力S0≈0.6Rm, S500LF钢的抗拉强度Rm约为500 MPa, S0=302 MPa; 预判应力级d < 0.05S0, 本试验取d=11 MPa.

2.2 应力-寿命曲线测量方法

应力-寿命曲线(S-N曲线)测量选择多试样法, 其中, 重复百分比Pr与试样数量n和应力水平数L的关系为[9]

重复百分比Pr表示重复试验可变性评估的试样数占全部试样总数的百分比; 应力水平数L表示试验设定应力水平等级的数量.

根据Pr的选取方法, 可靠性数据试验的Pr值选取范围为75~88.通过三者关系式得出本S-N试验应力水平数L=5, 样本容量n=24.

根据条件疲劳极限测试结果, 将291 MPa作为S-N试验的第一个应力水平.应力水平增幅为11 MPa.每个应力水平测试4~6个试样.

3 试验结果及讨论 3.1 疲劳极限测试结果

升降试验共使用13个试样(可“配对”6组), 疲劳极限试验[10]过程如图 3所示.

图 3 疲劳极限测试过程 Fig.3 Process of fatigue limit test

根据升降法[11], 在处理试验结果时, 将出现第一对相反结果(即为图 3中相邻的叉号和圆圈)以前的数据全部舍弃掉, 因此1号试样的数据舍弃掉.50%存活率的疲劳极限用加权平均法计算:

(1)

式中：m为有效试验总次数; 本试验为12;n为试验应力水平等级数，本试验为3;Si为第i级应力水平; Vi为第i级应力水平下的试验次数.

另外，在第i级应力水平下，当单个应力Sr, i满足正态分布时，样本标准差近似为

(2)

式中：n′i为Sr, i的权值，在此为每应力级下的试样数; n′为配对总数，本试验中n′=6.

将试验参数代入式(1)及式(2), 得到条件疲劳极限及样本标准差:Sr=291 MPa, s≈6.025;则变异系数为:s/Sr=6.025/291=0.021.通过变异系数值可判断, 疲劳极限值分布比较集中[12].

3.2 条件疲劳极限置信度的确定

取相对误差限5%[13], 根据不同置信度计算出来的相对误差来判断是否满足相对误差限的要求, 从而确定条件疲劳极限的置信度.

首先根据置信度尽可能高的原则, 尝试性地选择99%的置信度, 分析条件疲劳极限是否达到要求.

查阅t分布数值表, 99%的置信度对应的tr为0.925.代入误差公式[14]:

(3)

式中n为试验中的配对数, 得δ99%=8.39%, 不满足5%的相对误差限.同理, 取98%的置信度, δ98%=5.89%;取95%的置信度, 得δ95%=3.64%.

由上可见, 只有在95%的置信度时, 得到的相对误差小于5%的相对误差限.说明本文中条件疲劳极限Sr在误差限5%时, 置信度是95%.

当置信度为95%时, 由公式(3)变形得

(4)

代入数据可得n=3.17, 取整数为4, 即试验所需最少4组配对.本试验采用配对数为6, 证明本文试验的试样数量满足要求.

综上所述, 疲劳极限Sr=291 MPa作为母体50%存活率的估计量时, 以95%的置信度, 相对误差不超过±5%.同时该升降法得到的疲劳极限值可以作为绘制S-N曲线长寿命区(N>106)线段的依据.

由疲劳极限数据得出S500LF钢疲劳极限与抗拉强度比值Sr/Rm为0.58.

3.3 S-N曲线的测试

典型的S-N曲线方程[15]为

(5)

式中:Sa为对应断裂循环次数(疲劳寿命)Nf的疲劳强度; b为疲劳强度指数; Sf为疲劳强度系数.

两边同时求导, 可得到

(6)

令y=lgSa，x=lgNf，以lgNf作为自变量，lg Sa作为因变量; 结合表 1中的疲劳试验数据，有限寿命区线性回归方程为y=2.73-0.38x.即

表 1 S-N疲劳试验数据汇总 Table 1 Summary of S-N fatigue test data
(7)

得b=-0.038, S=533.62 MPa.S-N曲线方程为

(8)

图 4中的S-N曲线是基于中值绘制的, 即在同一应力级下, 如果试验数据多于一组时, 奇数组取中间一组数据, 偶数组取中间两组数据.

图 4 中值S-N曲线与回归S-N曲线 Fig.4 Median S-N curve and S-N curve obtained by regression

由图 4可以看出, 中值S-N曲线和回归S-N曲线总体趋势相同, 误差值都比较小; 回归S-N曲线比中值S-N曲线的拟合效果更好.在循环次数为1.0×106时, 样本数据相对于回归曲线最分散.试验数据与曲线的误差主要有以下几方面原因[16]:

1) 在回归的过程中存在微小误差; 此外, 试验结果因外界因素干扰也可能存在一定误差.

2) 在比较高的应力水平下, 回归结果与试验结果的误差较大.在高应力水平下, 裂纹的扩展及其影响因素更为复杂.

3.4 疲劳断口分析

图 5为疲劳强度为302 MPa下循环380万次的失效试样疲劳断口形貌.从图 5a中可以看出, 疲劳裂纹发生在表面, 且为单裂纹源.断口中包括三个典型的区域:裂纹源区、扩展区及瞬断区.三个区域中疲劳裂纹扩展区占整个面积的80%, 说明疲劳裂纹扩展寿命长.图 5b中的疲劳辉纹基本上是一系列分布均匀的条纹, 整体呈扇形分布, 与裂纹局部扩展方向垂直, 每条疲劳辉纹都代表着一次载荷循环.图 5c中的韧窝表明瞬断区为韧性断裂.试验结果表明试样韧性良好[17].

图 5 疲劳断口形貌特征 Fig.5 Morphological characteristics of fatigue fracture (a)—宏观断口形貌; (b)—裂纹扩展区形貌; (c)—瞬断区形貌.

观察发现, 疲劳裂纹源处并没有夹杂和第二相粒子, 完全是在光滑的试样表面产生裂纹源, 应该是表面“持久滑移带”发展成的疲劳裂纹核心; 这证明所开发的S500LF钢洁净度高, 冶金质量好.

4 结论

1) 在对称循环应力条件下开发的18.0 mm厚S500LF钢板在母体存活率50%、置信度95%时, 疲劳极限为291 MPa.

2) S500LF钢疲劳极限与抗拉强度比值Sr/Rm为0.58.

3) 回归S-N曲线方程为

拟合效果良好, 误差值较小.

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