表面質量對22MnB5高強鋼高周疲勞性能的影響

丁 凱 董武峰 陳仙風 石 磊 高玉來，3

（1.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；3.上海金屬零部件綠色再制造工程技術研究中心，上海 200444；4.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院汽車用鋼研究所，上海 201900；5.汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室，上海201900）

隨著新技術新材料研發力度的加大，鋼鐵材料發生了質的變化，從傳統的普通鋼向高強度甚至超高強度鋼發展［1］。鋼鐵是制造汽車的主要材料，隨著汽車向輕量化的發展，先進高強鋼（advanced high strength steel，AHSS）因強度高、吸收碰撞能量性能優異和強塑積較高，在汽車制造中得到了規?；瘧茫?-4］，在保證車身強度和安全性的同時可減小車身質量約20%［5］。

22MnB5鋼是一種熱沖壓硼鋼，硼的添加能提高過冷奧氏體的穩定性，從而提高材料的淬透性［6-7］。經過熱成形處理（高溫奧氏體化后淬火）的22MnB5鋼抗拉強度可達1 500 MPa以上［8］，低成本和高強度使22MnB5鋼在汽車制造業具有廣闊的應用前景［9］。

疲勞斷裂是當今工程構件主要的失效原因之一。在抗拉強度滿足設計要求的情況下，長期承受交變載荷的構件往往會發生突然斷裂等失效現象，導致嚴重的安全事故和經濟損失。因此，高強鋼除了需滿足強度要求外，還需具備優異的高周疲勞性能。鋼鐵材料中的氣孔、夾雜等缺陷均會成為高周疲勞裂紋的萌生部位［10-11］。本課題組前期對轉子鋼焊接接頭高周疲勞性能的研究發現，疲勞裂紋常萌生于夾雜物或氣孔等缺陷處［12-13］。邵晨東［14］在研究焊接接頭的高周疲勞性能時發現有4種高周疲勞斷裂的啟裂源。

2003年，Speer等［15］提出了一種新型高強鋼的熱處理工藝即淬火-配分處理，是利用馬氏體中的碳原子向未轉變的殘留奧氏體中配分，碳從過飽和馬氏體擴散到未轉變的殘留奧氏體中，得到馬氏體＋。殘留奧氏體復合組織。梁校等［16］采用一步法的淬火＋配分處理使22MnB5高強鋼的強塑積達到了22.14 GPa·%?；趭W氏體相變誘發塑性（transformation induced plasticity，TRIP）效應和α/γ復相組織理論的淬火-配分處理工藝，可使傳統熱成形超高強度鋼具有良好的強塑性匹配［17］，也有望提高22MnB5高強鋼的高周疲勞性能。

本文研究了水淬-配分處理對1 500 MPa級22MnB5高強鋼高周疲勞性能的影響。采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別對22MnB5鋼進行了金相檢驗和疲勞斷口分析，探討了22MnB5鋼在高周疲勞試驗過程中的破斷機制。

1 試驗材料與方法

試驗用1 500 MPa級22MnB5高強鋼板厚2.3 mm，其化學成分如表1所示。

高周疲勞試驗前需確定22MnB5鋼的抗拉強度，據此確定疲勞試驗的應力區間。按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》和拉伸試驗機的設備條件制備拉伸試樣，其平行段長度為30 mm，標距25 mm。根據GB/T 26077—2010《金屬材料-疲勞試驗-軸向應變控制方法》的規定，高周疲勞試樣寬度是厚度的5倍，標距長度為15 mm。本文受限于試樣厚度，確定采用非標試樣進行高周疲勞試驗。用1 000目（13 μm）的砂紙打磨疲勞試驗試樣的側面。22MnB5鋼板表面不打磨，僅用丙酮和酒精清洗，以保持鋼板表面的形貌特征。

梁校等［16-17］研究發現，22MnB5鋼的力學性能與殘留奧氏體穩定性密切相關，選用適當的淬火-配分處理工藝提高22MnB5鋼中殘留奧氏體的穩定性，可使其獲得較好的綜合力學性能。熱處理工藝的制定需以鋼的臨界溫度為基礎。圖1（a）為采用DIL 805A型快速熱膨脹儀測得的22MnB5鋼的臨界溫度，Ac3為830℃，Ac1為745℃，Ms為383℃，Mf為272℃。水淬-配分工藝如圖1（b）所示，加熱設備為SXL-1200L型箱式實驗電爐。

圖1 22MnB5鋼的熱膨脹率隨溫度的變化（a）和水淬-配分處理工藝（b）Fig.1 Thermal expansion rate versus temperature（a）and water-quenching-partitioning process（b）for the 22MnB5 steel

金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用光學顯微鏡（optical microscope，OM）進行金相檢驗；采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）進行疲勞試樣的斷口分析；采用Instron 5581型拉伸試驗機對試驗鋼進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

原始態（未經水淬-配分處理）1 500 MPa級22MnB5高強鋼的組織為板條馬氏體（圖2（a，b）），經水淬-配分處理的22MnB5鋼的組織也以板條馬氏體為主（圖2（c，d））。

圖2 原始態（a，b）和熱處理態（c，d）22MnB5 鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of the 22MnB5 steel in the original（a，b）and the heat-treated （c，d）states

2.2 室溫拉伸性能

圖3（a）為原始態22MnB5鋼試樣的拉伸曲線。原始態22MnB5高強鋼的室溫抗拉強度高于1 500 MPa，斷后伸長率約為9.5%。圖3（b）為經水淬-配分處理的22MnB5高強鋼的室溫拉伸曲線，為反映試驗數據的重復性并確保數據可靠，制備了2塊室溫拉伸試樣（水淬-配分-1和水淬-配分-2）。經水淬-配分處理的22MnB5鋼的室溫抗拉強度約為1 400 MPa，斷后伸長率提高到了11%左右。

圖3 原始態（a）和熱處理態（b）22MnB5鋼的拉伸曲線Fig.3 Tensile curves of the 22MnB5 steel in the original（a）and the heat-treated （b）states

2.3 高周疲勞性能

為了研究水淬-配分處理對22MnB5高強鋼疲勞性能的影響，在應力比R＝0.1、最大應力為800 MPa的條件下進行了疲勞試驗，原始態和熱處理態22MnB5鋼各兩塊試樣（對應編號為原始態-1、原始態-2、熱處理態-1和熱處理態-2），以確保試驗結果可靠，結果如表2所示。經水淬-配分處理的22MnB5高強鋼疲勞性能低于原始態鋼。

表2 22MnB5高強鋼高周疲勞試驗結果Table 2 Results of high cycle fatigue test for the 22MnB5 high strength steel

2.4 疲勞斷口形貌

了解高周疲勞試樣的斷口特征有助于揭示材料的疲勞斷裂原因、過程和機制。圖4為22MnB5鋼在最大應力為800 MPa、應力比R＝0.1的條件下進行高周疲勞試驗后的斷口形貌。圖4（a，c）表明，疲勞斷裂始于鋼板表面，啟裂源為鋼板表面的凹坑等缺陷。圖4（c）中的局部放大顯示，原始態22MnB5鋼的近表面區域未明顯氧化。圖4（b，d）為原始態22MnB5鋼的表面形貌，有凹坑等缺陷，在所觀察的區域中凹坑的最大深度為21.5 μm。

圖4 原始態22MnB5鋼高周疲勞斷口的宏觀形貌（a）、鋼板表面形態（b）、疲勞斷口的局部放大（c）和圖（b）所示區域的三維形貌（d）Fig.4 Macroscopic appearance of fatigue fracture（a），surface form of the steel plate（b），closeup view of the fatigue fracture（c），and three-dimensional form（d）of the area shown in （b）for the 22MnB5 steel in the original state

圖5為熱處理態22MnB5鋼疲勞試樣的斷口形貌，在最大應力為800 MPa、應力比R＝0.1的條件下進行疲勞試驗，斷裂始于鋼板表面，啟裂源為鋼板表面的凹坑（圖5（c））和氧化層（圖5（f）的化學成分和箭頭所示區域）。研究表明，熱成形鋼在沖壓或剪切過程中產生的缺陷會導致疲勞裂紋過早產生［18］。Lara 等［19］研究了切削加工對22MnB5高強鋼疲勞性能的影響并發現，切削加工產生的毛刺、切割邊緣和表面裂紋等缺陷對疲勞性能有影響。原始態1 500 MPa級22MnB5高強鋼表面有較多凹坑等缺陷，疲勞試驗過程中裂紋首先在表面缺陷處產生，在循環載荷的作用下擴展成宏觀裂紋，最終導致試樣斷裂。經水淬-配分處理后，原本有表面缺陷的22MnB5鋼表面狀態進一步惡化，凹坑和氧化層（圖5（c，f））使表面更易產生疲勞裂紋，導致經水淬-配分處理的22MnB5鋼的疲勞性能降低。

圖5 水淬-配分-1（a～c）和水淬＋配分-2（d～f）22MnB5鋼高周疲勞斷口的形貌Fig.5 Patterns of high cycle fatigue fracture of the water-quenched-partitioned 22MnB5 steels No.1（a to c）and 2（d to f）

3 結論

（1）未經水淬-配分處理的22MnB5鋼的顯微組織為板條馬氏體，室溫抗拉強度大于1 500 MPa；經水淬-配分處理的22MnB5鋼的組織以板條馬氏體為主，室溫抗拉強度降低至1 400 MPa左右；鋼的臨界溫度Ac3為830℃，Ac1為745℃，Ms為383℃，Mf為272℃。

（2）22MnB鋼的高周疲勞裂紋主要萌生于鋼板表面缺陷處，未經水淬-配分處理的22MnB5鋼表面凹坑等缺陷是疲勞斷裂的啟裂源，熱處理態22MnB5鋼表面的凹坑和氧化層均是疲勞斷裂的啟裂源。

（3）疲勞裂紋的萌生對高強鋼疲勞壽命的影響很大，抑制疲勞裂紋的萌生可顯著提高材料的疲勞性能。經水淬-配分處理的22MnB5鋼高周疲勞性能降低是由鋼板表面的嚴重氧化層等缺陷所致。