铝合金车轮轮辐台架开裂失效探究

 铝合金车轮轮辐台架开裂失效探究

李盛中

秦皇岛中秦渤海轮毂有限公司和河北省轻合金车轮技术创新中心  河北秦皇岛  066000

摘 要：本次试验选择的是两件开裂车轮轮辐作为研究目标，将其各自编号为A和B，同时对两组车轮轮辐展开失效分析。在实际试验过程中，最先出现的是疲劳开裂损伤，接下来在一定程度的载荷影响下，裂纹开始迅速延伸，发展成肉眼可见的裂纹。经过观察、金相分析以及光谱与电镜分析后认为，A车轮轮辐筋条上发现一道裂纹，属于疲劳开裂，这是由于筋条表面出现的聚集态疏松缺陷造成其抗疲劳性能下降，b车轮轮辐两个筋条上各出现一道裂纹，开裂成因基本相同。

关键词：铝合金车轮轮辐；开裂；失效

本次选取的两件车轮轮辐都属于差压铸造而成，其构成材料是铸造铝合金AlSi7Mg材质，热处理是T6状态，其制备工艺的重要步骤依次为：熔炼，除气，变质处理，低压铸造，处理浇冒口，处理毛刺，射线探伤分析，T6处理，表面荧光检测。两件车轮轮辐的力学性能是：抗拉强度都大于240兆帕，规定非比例延伸率为0.2%时的应力均大于239兆帕，A5也都大于6.8，孔隙率为D1/0.5，已比图纸要求的还要优秀。然而在验证台架过程中发现，性能趋于失稳状态，失效位置都位于两根筋条上。想要更加快速简便的对失效原因进行查找，就需要围绕宏观与微观两个方面展开试验和分析，以此为铸造工艺的优化提供方便。

1宏观观察分析

车轮轮辐结构中有两根筋条存在，可将其编号为a，b。A车轮轮辐中b筋条的中间区域发现一道裂纹，与筋条垂直方向延伸，筋条两侧延伸长度大约是1厘米、1.8厘米，没有在其余位置发现裂纹的存在。B车轮轮辐中a筋条的25%位置处发现一道裂纹，也与筋条垂直方向延伸，筋条两边延伸长度大约是3.7厘米、4.6厘米，b筋条接近a裂纹位置发现一道裂纹，也是与筋条垂直延伸，其延伸长度大约是1.4厘米、1.8厘米，没有在其他位置发现裂纹。上述三种裂纹的周边位置都没有发现损伤和腐蚀过的痕迹。通过机械法打开三道裂纹，然后仔细观察其断口。这三个断口的形貌接近，首先，断口都很平齐，断面有一定的粗糙感、可见到一定的金属光泽，没有发现腐蚀、变形与损伤的现象。其次，断口源区处在筋条顶端或顶端周边表面，延伸区域表现为放射状。最后，通过侧面观察，B车轮轮辐中a筋条断口源区周边位置表面也存在一定的粗糙感，其他两个断口源区周边表面并没有发现宏观异常[1]。

2微观观察与能谱分析

  借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS），针对三道裂纹断口展开微观形貌观察和能谱分析，发现了以下几个情况。首先，A车轮轮辐断口源区处在筋条顶端附近表面，大约有宽度为1.06毫米乘以深度为0.29毫米的区间内发现聚集态疏松缺陷，断面的其余位置都展示出磨损和疲劳条带形貌。其次，B车轮轮辐的两个断口源区形貌极为接近，都是源自于表面，断面的整个区域都没有发现微观方面的材料缺陷，断口源区与其周边延伸位置表现出磨损和疲劳条带混合的形貌，疲劳延伸位置的深度大约是1.1厘米（a）、0.35厘米（b），其占各自裂纹总长度的25%（a）、20%（b），延伸位置的其余区域表现出了韧窝形貌。针对各个断面分别展开能谱分析，发现其涉及的元素主要有铝元素、硅元素和少量的镁元素，并没有发现其他异常元素的存在[2]。

3金相分析与显微硬度测试法

  在A车轮轮辐裂纹和B车轮轮辐a裂纹位置分别取下部分试验样本展开组织观察和显微硬度测试，在试验中过程中发现：首先，a样本裂纹源区约有0.28毫米宽度乘以0.19毫米深度的区间内有聚集态疏松缺陷，没有在其他位置发现宏观上的材料缺陷。其次，B车轮轮辐样本整个剖面上都没有看到宏观上的材料缺陷。两个车轮轮辐样本的显微组织都没有发现宏观上的差异，属于变质良好的组织。对金相样本展开显微硬度测试，两个样本的显微硬度也没有看到明显的差别，与T6状态的要求极为相符。

4能谱分析结果

通过能谱分析后得出的结果表明车轮轮辐应用材料的铝合金元素都没有发现异常，应用的材料硬度也与T6状态要求相符合。第一，A车轮轮辐b筋条的中间区域发现一道裂纹，与筋条垂直的方向延伸，在裂纹附近范围内没有发现变形、腐蚀和损伤痕迹。裂纹断口源区处在筋条顶端表面，在其深度约0.29毫米区间内发现聚集态疏松缺陷，断口扩展区域展现出磨损加上疲劳条带形貌，针对上述观察后获得的分析结果可知：裂纹的开裂模式属于疲劳开裂，引起开裂的原因和筋条表面出现的聚集态疏松缺陷造成的抗疲劳性能下降有很大关系。第二，B车轮轮辐a筋条的25%位置发现一道裂纹，b筋条一段位置发现一条裂纹，两处发现裂纹的区域都属于应力聚集区域，属于结构中最为脆弱的环节。两道裂纹断口初形貌比较类似，都是来自筋条顶端或顶端周围表面，断面的整体部分没有发现宏观上的材料缺陷，源区和源区周围延伸区域围观展示出磨损加上疲劳条带形貌，疲劳延伸区域的长度占据裂纹总体长度的25%（a）、20%（b），延伸区其余区域展示出韧窝形貌，针对上述观察后获得的分析结果可知，在试验中，两条筋条的应力集中位置最先出现疲劳开裂损伤，接下来在一定程度的载荷影响下，疲劳裂纹迅速延伸，最终发展成肉眼可见的裂纹

[3]。

5结束语

综上所述，针对A、B两件车轮轮辐展开的观察和分析得出的结果可以断定：A车轮轮辐筋条上出现一道裂纹，其开裂模式属于疲劳开裂，引起开裂的原因和筋条表面出现的聚集态疏松缺陷造成的抗疲劳性能下降有很大联系。B车轮轮辐两条筋条上各出现一道裂纹，这两道裂纹开裂的原因大致相同，也是在实验中最先出现疲劳开裂损伤，接下来在一定程度的载荷影响下，疲劳裂纹迅速延伸，最终发展成肉眼可见的裂纹。

参考文献

[1]宫秀勉,孙灿.差压铸造铝合金车轮轮辐的疲劳失效对比研究[J].上海汽车,2019(06):512-513.

[2]苏兴振,刘宏磊,李昌海.低压铸造A356.2铝合金车轮内轮缘部位开裂分析[J].特种铸造及有色合金,2015(06):359-360.

[3]王保华,卢杉.QT500-7铸铁车轮的断裂失效分析[J].金属热处理,2018(07):1441-1442.