汽车车轮用380CL钢的弯曲疲劳试验

2023-11-28何先勇马腾飞

上海金属 2023年6期

何先勇赵光马腾飞张征郭隆

（河钢唐钢技术中心，河北唐山 063000）

随着重载运输行业的发展，重载汽车的需求量越来越大，这对车轮的安全性和可靠性提出了更高的要求。车轮是汽车底盘系统中最重要的结构件［1-4］，除承载车身质量外，还要承受弯曲和交变扭转载荷，起承载、驱动、转向和制动等作用，其性能将影响整车的安全性［5-7］。疲劳开裂是汽车运行中车轮的主要失效形式［3-4，8-9］，在周期性载荷的作用下，车轮的疲劳损伤积累到一定程度就会断裂，具有不可预见性和隐蔽性，危害性极大。因成本优势和安全性，商用车普遍使用钢质车轮，通常由轮辋和轮辐焊接而成。轮辋在闪光对焊后采用滚压成形，是车轮周边安装和支撑轮胎的重要零件。轮辐通常采用旋压成形，是车轮上介于车轴和轮辋之间的重要支承件，因此要求车轮用钢具有优良的强韧性、可成形性、焊接性及耐疲劳性能等。车轮在使用前必须进行多项测试，其中弯曲疲劳试验是一项重要的测试项目。本文研究了380CL 钢轮辐在弯曲疲劳试验中疲劳失效的原因。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

研究用380CL 汽车车轮钢的生产工艺为铁水预处理→转炉→LF精炼→连铸→热轧，精炼采用Ca处理，从强度、成形性能和焊接性能要求等方面考虑，采用低碳锰成分体系，并添加微量的Nb和Ti，一方面可以细化晶粒、提高强度，另一方面也可提高材料的可焊性。380CL钢的化学成分如表1 所示。

表1 汽车车轮用380CL钢的化学成分Table 1 Chemical composition of 380CL steel for automotive wheel

380CL钢的抗拉强度为409 MPa，屈服强度为282 MPa，断后伸长率为35%。热轧采用3 ＋3 的粗轧工艺，中间坯厚度为50 mm；精轧经过7 架次轧制，层流冷却采用前段集中冷却，热轧卷厚度为13. 5 mm。热轧卷的抗拉强度为409 MPa，屈服强度为282 MPa，断后伸长率为35%。380CL钢的显微组织为铁素体和少量珠光体，铁素体晶粒度为10 级，无带状组织，如图1 所示。

图1 380CL钢的显微组织Fig.1 Microstructures of the 380CL steel

1.2 弯曲疲劳试验

车轮的弯曲疲劳试验设备包括一个被驱动的旋转装置，车轮固定不动承受旋转弯矩；或使车轮在一个固定弯矩作用下旋转，如图2 所示。为对车轮施加弯矩，在加载臂上施加一个平行于车轮安装面的载荷。加载系统保持设定的载荷，试验设备安装台的表面光洁平整，且与车轮在车辆上采用的连接件具有相同的装配特性。试验对连接件表面硬度、螺孔或螺栓位置均有一定要求，试验弯矩、轮胎与路面间的摩擦因数等相关参数按GB／T 5909—2021《商用车车轮弯曲和径向疲劳性能要求及试验方法》设定，车轮尺寸为19. 05 ～57.15 cm，试验力为3 550 kg。弯曲疲劳试验结果如表2 所示。

图2 车轮弯曲疲劳试验示意图Fig.2 Schematic diagram of bending fatigue testing for the wheel

表2 380CL钢车轮的弯曲疲劳试验结果Table 2 Bending fatigue testing results of the 380CL steel wheel

2 试验结果和讨论

2.1 疲劳失效的轮辐

从表3 疲劳试验结果可以看出，虽然轮辐达到了标准要求的25 万次疲劳寿命，但在循环次数达到42.4 万次左右时检测到了疲劳裂纹，裂纹出现在轮辐的螺栓孔处，如图3（a）所示。裂纹出现在轮辐与试验台（车轮连接件）的接触面，延伸至螺栓孔内壁，轮辐螺栓孔周围还有明显的褐色磨损痕迹，是典型的微动磨损形貌，磨损深度不同，如图3（b，c）所示。

图3 失效轮辐的疲劳裂纹Fig.3 Fatigue crack on the failed wheel disc

采用线切割从疲劳失效的螺栓孔处取样，检测裂纹部位的微观组织、夹杂物及断口形貌，如图4（a）所示。同时，在靠近螺栓孔内壁裂纹处切取断口试样，在开裂区域取样进行金相检验。在螺栓孔内壁发现严重磨损，连接螺栓在螺孔内壁靠近裂纹一侧出现明显的螺纹压痕，如图4（b）所示。说明在疲劳试验过程中，由于轮辐与连接件之间发生了滑移从而导致螺栓倾斜与内壁接触，产生压痕，这也从另一方面验证了疲劳试验过程中轮辐发生了微动磨损。在失效轮辐其他螺栓孔中相同方向的内壁也发现有这种现象。

图4 失效轮辐（a）及从裂纹部位切取的试样（b）Fig.4 Failed wheel disc（a）and the specimen cut from crack place（b）

从裂纹处的宏观组织可知，裂纹萌生于轮辐的上下表面并向内部扩展，两处裂纹均未贯穿辐壁，如图5（a）所示。由于轮辐两个面的裂纹均未贯穿，取样时用外力沿疲劳断裂面将轮辐断开，得到图5（b ～c）所示的白亮色断口。

图5 失效轮辐疲劳断口的宏观形貌Fig.5 Macroscopic appearance of fatigue fracture of the failed wheel disc

褐色区域为疲劳断口，在循环载荷作用下，经过反复摩擦，断口表面较光滑。另外，由于断口已出现严重氧化（图6），疲劳辉纹不明显，如图5（d）所示。尽管断口污染较严重，但仍可看出裂纹起始于轮辐表面，扩展方向与厚度方向呈约30°的角，向螺栓孔内壁方向扩展至螺栓孔内壁。

2.2 轮辐的显微组织

如图7 所示，失效轮辐的显微组织与图1 所示的380CL 钢卷的一致，为铁素体和珠光体，且在轮辐厚度方向晶粒细小均匀，轮辐中心有轻微偏析。因为疲劳裂纹的萌生及扩展未达到中心区域，因此中心偏析不会导致疲劳失效。

从断口形貌可知，在弯曲疲劳试验中，连接件或螺栓垫片在与轮辐的接触面发生了微动磨损，致使轮辐的上下表面发生塑性变形，如图8 所示。从图8（b，d）可明显看出，裂纹起始于晶粒变形区，其扩展方向基本与晶粒变形方向一致，即摩擦副相对运动的方向。变形层深度可达100 mm，并且裂纹附近变形层更深。从图8（b，d）可知，轮辐上下表面开裂处的晶粒变形深度分别为110 和128 mm。

图8 轮辐上（a，b）、下（c，d）表面的显微组织Fig.8 Microstructures of upper（a，b）and lower（c，d）surface of the wheel disc

检测疲劳裂纹周围的夹杂物发现，轮辐D 类夹杂物较多，如图9（a）所示。夹杂物尺寸约4 ～6 mm，如图9（e，f）所示。夹杂物尺寸小、数量多，选一个较差视场评定为D2.0 细系。裂纹附近均有这类夹杂物，对裂纹的扩展有一定影响，如图9（b ～d）所示。

图9 轮辐疲劳裂纹附近的夹杂物Fig.9 Inclusions near the fatigue crack in the wheel disc

对疲劳裂纹边部一球形夹杂物进行了能谱分析，结果显示，该夹杂物具有镁铝尖晶石结构，如图10（a ～b）所示。对另一球形夹杂物进行面扫描，结果表明，这类球形夹杂物内部为Al2O3和MgO，外层为Mn、Ca、Ti的硫化物，如图10（c）所示。

图10 失效轮辐内夹杂物的能谱分析（a，b）和面扫描分析（c）Fig.10 Energy spectrum analysis（a，b）and linear scanning analysis（c）of inclusions in the failed wheel disc

2.3 轮辐疲劳开裂分析

如上所述，裂纹在螺栓孔边缘的上下表面产生，沿表面和壁厚方向扩展。疲劳试验过程中，车轮轮辐与试验台用螺栓固定，由于两者之间存在微米级的间隙，试验过程中发生微小的相对运动，接触面发生微动损伤。

在弯曲疲劳试验过程中，轮辐的失效与微动磨损有关。微动疲劳［10-12］是指在循环载荷的作用下，相互接触的表面在法向力作用下互相挤压并产生往复相对滑动，滑动幅度为5 ～400 μm，产生小振幅相对滑动，导致部件疲劳强度降低或早期断裂。在摩擦表面法向力和振动的作用下，产生粘合点和表面伤疤，疲劳往往产生于试样表面或有缺陷处或最大应力处，最终成为疲劳裂纹的起始点。

如图11 所示，失效轮辐的组织为图1 所示的铁素体和少量珠光体，其变形性能良好。在弯曲疲劳试验过程中，轮辐上下表面在车轮连接件和螺栓垫片夹紧力、摩擦力的作用下发生如图8 所示的塑性变形，塑性变形区会产生大量位错，导致塑性变形受阻，因此变形层深度仅约100 ～130 mm。轮辐表面发生微动磨损，在循环载荷的作用下轮辐表面应力集中区即晶粒变形层产生裂纹。

图11 轮辐弯曲疲劳试验过程中初始（a）和高周（b）阶段微动疲劳的示意图Fig.11 Schematic diagrams of fretting fatigue at initial（a）and high cycle（b）stages during bending fatigue testing for the wheel disc

在循环载荷的持续作用下，裂纹进一步扩展。而轮辐内有大量如图10 所示的球状夹杂物，其变形性能差，导致基体与夹杂物的变形不一致，随着循环次数的增加，这种效应加剧，并在夹杂物周围产生应力集中，导致裂纹快速向这些应力集中点扩展。如图9、图10 所示，夹杂物尺寸小于10 mm，且形态为钙处理后的包覆类球形夹杂物，对成形和焊接等加工的影响不明显［13-14］，但会恶化疲劳性能，所以在低周疲劳阶段夹杂物的影响较小，在高周疲劳阶段影响较大，导致380CL 钢轮辐的弯曲疲劳寿命仅为42.4 万次。为进一步提高轮辐的弯曲疲劳性能，尤其是螺栓孔部位的微动疲劳，在车轮用钢的冶炼流程尤其是精炼工序，应优化钙处理工艺，确保有足够的钢包底吹（静吹）时间提高钢水质量。