铝合金车轮轮辐失效分析

2020-01-08张仲荣谢宇李明贺刘伟王鑫

汽车工程师 2019年12期

张仲荣谢宇李明贺刘伟王鑫

（中国汽车技术研究中心有限公司）

随着汽车轻量化的发展，铝合金由于其具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、成型性能、回收潜能等优点，在汽车轻量化用材上得到了广泛的应用。在车轮上，铝合金材料、铸造以及加工的工艺过程和参数对车轮的质量起着决定性作用[1]。因为承载需求，铝合金车轮需要具有特殊的抗疲劳强度和韧性指标，因此必须采取各种措施来强化这些方面的性能[2]。压铸铝合金A356已成为制造车轮的首选材质[3]。车轮轮辐断裂失效的原因有很多，包括材料本身的缺陷[4-5]、材料的异变、过盈配合[6]、磨损[7]、疲劳[8]、外力冲击等。在某铝合金车轮上，轮辐在经过约3 万km 的路面行驶耐久试验后发生了断裂。为了防止类似事件再次发生，文章对该轮辐断口进行分析，确定了断裂的性质，并对失效的原因进行了分析。

1 试验材料及方法

失效件为铝合金轮毂上的轮辐试样，在进行路面综合测试时发生断裂。为分析轮辐断裂的原因，采用肉眼和体式显微镜对轮辐断口进行宏观形貌观察；采用扫描电子显微镜（SEM）对微观形貌进行观察[9]；采用微束能谱（EDX）对微观元素进行能谱分析[10]；采用蔡司金相显微镜对金相组织进行分析[11]；采用布氏硬度试验机对硬度进行测试[12]；采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP）对化学成分进行分析[13]。

2 试验结果

2.1 宏观形貌分析

对断裂的轮辐进行宏观形貌分析，断裂位置及外观，如图1 所示。从图1a 可以看出，断裂起始于蓝框所示处外弧侧表面；在图1b 中可以看出，断裂沿箭头所指方向扩展；从图1c 可以看出，在试样表面有明显的涂漆防护层，在外弧面蓝框所示的起裂区对应的带状起伏平面交界处，可观察到一条宽约4 mm 的磨损带；图1d 示出金相制样及观察的宏观区域。

图1 铝合金车轮轮辐断口的宏观形貌

2.2 微观形貌分析及能谱成分分析

在扫描电镜下观察清洗后的实物断口微观形态，如图2 所示，在图2a 蓝框所标记处显示裂纹源存在一处深约0.5 mm、宽约1 mm 的原始缺陷，缺陷表面光滑。对缺陷部位取点进行能谱分析，如图3 所示。由元素能谱成分分析发现：由缺陷内层到外层，氧的质量分数从21%变化至37%，说明断口缺陷表面已经发生氧化。

图2 铝合金车轮轮辐断口起裂区微观形态

图3 铝合金车轮轮辐断口起裂区能谱分析

对缺陷形态进行分析，扩展区形貌，如图4 所示，断口扩展区域为穿晶准解理形态，在部分区域可观察到较清晰的疲劳条纹。

图4 铝合金车轮轮辐断口扩展区域形貌

断口失稳瞬断区形貌，如图5 所示，疲劳裂纹扩展至一定深度，轮辐的剩余承载能力不足，发生失稳快速断裂，形成韧窝+准解理的断裂形态。

图5 铝合金车轮轮辐断口失稳瞬断区形貌

与此同时对2 个同材质拉伸断裂样条进行SEM观察，其中1#样条的分析，如图6 所示。图6a 中蓝框显示了2 个缺陷位置，图7 示出2 处缺陷的元素能谱分析结果。从图6 可以看出2 处缺陷在高倍放大下均呈现枝晶开裂或光滑自由凝固的表面形态，并具有原始铸造疏松类的缺陷特征；图7 则显示缺陷处无异类杂质元素特征；再者，判断拉伸样条正常区域的断口为韧窝断裂形态。2#样条的SEM图谱结果基本与1#样条相同。

图6 铝合金车轮轮辐拉伸样条的微观形态

图7 铝合金车轮轮辐拉伸样条的能谱分析

2.3 金相组织

在断口面切割制备金相试样，进行金相组织形态分析，如图8 所示。图8a 蓝框所标显示，在对应起裂区位置的表层观察到小平面与平面交界凸尖，并从图8b 和图8c 中明显看出附近表层组织有弧形凸起；从图8d 和图8e 可见，表层金相组织中共晶硅呈小圆点和椭圆形分布在枝晶间，表层组织与基体组织没有明显差别，但在基体中观察到一处疏松类铸造缺陷，尺寸约200 μm。

图8 铝合金车轮轮辐断口处金相组织形态

2.4 化学成分分析

在断裂试样上取样溶解，进行ICP 化学成分分析，结果如表1 所示，表1 中同时列出了铝合金牌号A356系列材料的化学成分要求。从表1 可以看出，该试样的化学分析结果中，Mg 元素几乎接近A356.0 下限，其他元素（Si，Mn，Cu，Ti，Fe，Zn）的质量分数均满足 A356.0要求，基本确认该试样符合A356.0 牌号的要求。

表1 铝合金车轮轮辐断裂试样化学成分分析结果 %

2.5 硬度分析

在断裂试样上采用布氏硬度计随机测试3 个点的硬度值，测试结果如表2 所示。对于铝合金牌号A356系列材料，其硬度随抗拉强度要求的不同而不同，最低抗拉强度在≥195 MPa 的条件下，铝质硬度要求（HBW5/250）≥60；最低抗拉强度在≥295 MPa 的条件下，铝质硬度要求（HBW5/250）≥80。由表 2 可见，该样品的硬度值符合A356 牌号的硬度要求（HBW5/250）≥80。

表2 铝合金材料基体组织硬度值（HBW5/250）

3 分析与讨论

综上，该车轮使用材质可能为A356.0 铝合金，该产品的化学成分、硬度及金相组织符合Al-Si-Mg 合金材质的要求。通过分析比较轮辐断口的宏观形貌、金相组织、微观形貌以及2 个同材质拉伸断裂样条的微观形貌，虽然轮辐表面有一定的磨损，但不足以造成断裂，但是样品中都存在一定的铸造缺陷，具有原始铸造疏松类的缺陷特征。文献[14]表明轮辐和轮辋的连接部位以及轮缘部位是低压铸造过程中较容易出现热节的部位，容易出现缩孔缩松缺陷。文献[15]也说明了铸造缺陷会在很大程度上降低轮毂试样的冲击性能，缺陷对冲击性能的影响已经远远超过了显微组织对冲击性能的影响。因此，铝制轮辐的材质缺陷对于失效有一定的影响，它会降低轮辐的耐冲击性。

此外，轮辐的化学成分结果基本符合A356.0 的牌号要求，只是Mg 元素稍微偏低。硬度分析结果也符合A356.0 的要求。

结合轮辐的耐久里程和轮辐断口的微观形貌，初步判断轮辐的失效方式为疲劳断裂，裂纹起始于外弧侧表面缺陷区。缺陷区破坏基体的连续性，缺陷边界形成严重局部应力集中，同时起裂区表面存在异常的表面凸起，进一步恶化了局部应力状况。在工作交变应力作用下，缺陷位置萌生裂纹并产生疲劳扩展，最终导致断裂。