鋁合金車輪輪輻失效分析

張仲榮 謝宇 李明賀 劉偉 王鑫

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金由于其具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、成型性能、回收潛能等優(yōu)點，在汽車輕量化用材上得到了廣泛的應(yīng)用。在車輪上，鋁合金材料、鑄造以及加工的工藝過程和參數(shù)對車輪的質(zhì)量起著決定性作用[1]。因為承載需求，鋁合金車輪需要具有特殊的抗疲勞強度和韌性指標，因此必須采取各種措施來強化這些方面的性能[2]。壓鑄鋁合金A356已成為制造車輪的首選材質(zhì)[3]。車輪輪輻斷裂失效的原因有很多，包括材料本身的缺陷[4-5]、材料的異變、過盈配合[6]、磨損[7]、疲勞[8]、外力沖擊等。在某鋁合金車輪上，輪輻在經(jīng)過約3 萬km 的路面行駛耐久試驗后發(fā)生了斷裂。為了防止類似事件再次發(fā)生，文章對該輪輻斷口進行分析，確定了斷裂的性質(zhì)，并對失效的原因進行了分析。

1 試驗材料及方法

失效件為鋁合金輪轂上的輪輻試樣，在進行路面綜合測試時發(fā)生斷裂。為分析輪輻斷裂的原因，采用肉眼和體式顯微鏡對輪輻斷口進行宏觀形貌觀察；采用掃描電子顯微鏡（SEM）對微觀形貌進行觀察[9]；采用微束能譜（EDX）對微觀元素進行能譜分析[10]；采用蔡司金相顯微鏡對金相組織進行分析[11]；采用布氏硬度試驗機對硬度進行測試[12]；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP）對化學(xué)成分進行分析[13]。

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

對斷裂的輪輻進行宏觀形貌分析，斷裂位置及外觀，如圖1 所示。從圖1a 可以看出，斷裂起始于藍框所示處外弧側(cè)表面；在圖1b 中可以看出，斷裂沿箭頭所指方向擴展；從圖1c 可以看出，在試樣表面有明顯的涂漆防護層，在外弧面藍框所示的起裂區(qū)對應(yīng)的帶狀起伏平面交界處，可觀察到一條寬約4 mm 的磨損帶；圖1d 示出金相制樣及觀察的宏觀區(qū)域。

圖1 鋁合金車輪輪輻斷口的宏觀形貌

2.2 微觀形貌分析及能譜成分分析

在掃描電鏡下觀察清洗后的實物斷口微觀形態(tài)，如圖2 所示，在圖2a 藍框所標記處顯示裂紋源存在一處深約0.5 mm、寬約1 mm 的原始缺陷，缺陷表面光滑。對缺陷部位取點進行能譜分析，如圖3 所示。由元素能譜成分分析發(fā)現(xiàn)：由缺陷內(nèi)層到外層，氧的質(zhì)量分數(shù)從21%變化至37%，說明斷口缺陷表面已經(jīng)發(fā)生氧化。

圖2 鋁合金車輪輪輻斷口起裂區(qū)微觀形態(tài)

圖3 鋁合金車輪輪輻斷口起裂區(qū)能譜分析

對缺陷形態(tài)進行分析，擴展區(qū)形貌，如圖4 所示，斷口擴展區(qū)域為穿晶準解理形態(tài)，在部分區(qū)域可觀察到較清晰的疲勞條紋。

圖4 鋁合金車輪輪輻斷口擴展區(qū)域形貌

斷口失穩(wěn)瞬斷區(qū)形貌，如圖5 所示，疲勞裂紋擴展至一定深度，輪輻的剩余承載能力不足，發(fā)生失穩(wěn)快速斷裂，形成韌窩+準解理的斷裂形態(tài)。

圖5 鋁合金車輪輪輻斷口失穩(wěn)瞬斷區(qū)形貌

與此同時對2 個同材質(zhì)拉伸斷裂樣條進行SEM觀察，其中1#樣條的分析，如圖6 所示。圖6a 中藍框顯示了2 個缺陷位置，圖7 示出2 處缺陷的元素能譜分析結(jié)果。從圖6 可以看出2 處缺陷在高倍放大下均呈現(xiàn)枝晶開裂或光滑自由凝固的表面形態(tài)，并具有原始鑄造疏松類的缺陷特征；圖7 則顯示缺陷處無異類雜質(zhì)元素特征；再者，判斷拉伸樣條正常區(qū)域的斷口為韌窩斷裂形態(tài)。2#樣條的SEM圖譜結(jié)果基本與1#樣條相同。

圖6 鋁合金車輪輪輻拉伸樣條的微觀形態(tài)

圖7 鋁合金車輪輪輻拉伸樣條的能譜分析

2.3 金相組織

在斷口面切割制備金相試樣，進行金相組織形態(tài)分析，如圖8 所示。圖8a 藍框所標顯示，在對應(yīng)起裂區(qū)位置的表層觀察到小平面與平面交界凸尖，并從圖8b 和圖8c 中明顯看出附近表層組織有弧形凸起；從圖8d 和圖8e 可見，表層金相組織中共晶硅呈小圓點和橢圓形分布在枝晶間，表層組織與基體組織沒有明顯差別，但在基體中觀察到一處疏松類鑄造缺陷，尺寸約200 μm。

圖8 鋁合金車輪輪輻斷口處金相組織形態(tài)

2.4 化學(xué)成分分析

在斷裂試樣上取樣溶解，進行ICP 化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示，表1 中同時列出了鋁合金牌號A356系列材料的化學(xué)成分要求。從表1 可以看出，該試樣的化學(xué)分析結(jié)果中，Mg 元素幾乎接近A356.0 下限，其他元素（Si，Mn，Cu，Ti，F(xiàn)e，Zn）的質(zhì)量分數(shù)均滿足 A356.0要求，基本確認該試樣符合A356.0 牌號的要求。

表1 鋁合金車輪輪輻斷裂試樣化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.5 硬度分析

在斷裂試樣上采用布氏硬度計隨機測試3 個點的硬度值，測試結(jié)果如表2 所示。對于鋁合金牌號A356系列材料，其硬度隨抗拉強度要求的不同而不同，最低抗拉強度在≥195 MPa 的條件下，鋁質(zhì)硬度要求（HBW5/250）≥60；最低抗拉強度在≥295 MPa 的條件下，鋁質(zhì)硬度要求（HBW5/250）≥80。由表 2 可見，該樣品的硬度值符合A356 牌號的硬度要求（HBW5/250）≥80。

表2 鋁合金材料基體組織硬度值（HBW5/250）

3 分析與討論

綜上，該車輪使用材質(zhì)可能為A356.0 鋁合金，該產(chǎn)品的化學(xué)成分、硬度及金相組織符合Al-Si-Mg 合金材質(zhì)的要求。通過分析比較輪輻斷口的宏觀形貌、金相組織、微觀形貌以及2 個同材質(zhì)拉伸斷裂樣條的微觀形貌，雖然輪輻表面有一定的磨損，但不足以造成斷裂，但是樣品中都存在一定的鑄造缺陷，具有原始鑄造疏松類的缺陷特征。文獻[14]表明輪輻和輪輞的連接部位以及輪緣部位是低壓鑄造過程中較容易出現(xiàn)熱節(jié)的部位，容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。文獻[15]也說明了鑄造缺陷會在很大程度上降低輪轂試樣的沖擊性能，缺陷對沖擊性能的影響已經(jīng)遠遠超過了顯微組織對沖擊性能的影響。因此，鋁制輪輻的材質(zhì)缺陷對于失效有一定的影響，它會降低輪輻的耐沖擊性。

此外，輪輻的化學(xué)成分結(jié)果基本符合A356.0 的牌號要求，只是Mg 元素稍微偏低。硬度分析結(jié)果也符合A356.0 的要求。

結(jié)合輪輻的耐久里程和輪輻斷口的微觀形貌，初步判斷輪輻的失效方式為疲勞斷裂，裂紋起始于外弧側(cè)表面缺陷區(qū)。缺陷區(qū)破壞基體的連續(xù)性，缺陷邊界形成嚴重局部應(yīng)力集中，同時起裂區(qū)表面存在異常的表面凸起，進一步惡化了局部應(yīng)力狀況。在工作交變應(yīng)力作用下，缺陷位置萌生裂紋并產(chǎn)生疲勞擴展，最終導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)論

該輪輻斷裂失效形式為疲勞斷裂失效。造成該輪輻過早失效的原因有2 個：1）材質(zhì)存在鑄造缺陷，降低了材料的沖擊韌性；2）輪輻外弧表面缺陷區(qū)域存在嚴重應(yīng)力集中，造成表面的異常突起，形成了局部應(yīng)力集中的裂紋源，隨著車輪的持續(xù)行駛，疲勞裂紋不斷擴大，在與鑄造缺陷的共同影響下，導(dǎo)致疲勞斷裂。

結(jié)合研究，文章給出2 點建議：1）鋁制車輪在制造過程中應(yīng)提高工藝水平，盡量減少鑄造缺陷，提高其沖擊性能；2）在輪輻配合輪輞的安裝過程中精密定位，盡可能消除輪輻的集中受力，提高輪輻的安全可靠性。