張仲榮 謝宇 李明賀 劉偉 王鑫

（中國(guó)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(diǎn)，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(guò)程和參數(shù)對(duì)車輪的質(zhì)量起著決定性作用[1]。因?yàn)槌休d需求，鋁合金車輪需要具有特殊的抗疲勞強(qiáng)度和韌性指標(biāo)，因此必須采取各種措施來(lái)強(qiáng)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(guò)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(guò)約3 萬(wàn)km 的路面行駛耐久試驗(yàn)后發(fā)生了斷裂。為了防止類似事件再次發(fā)生，文章對(duì)該輪輻斷口進(jìn)行分析，確定了斷裂的性質(zhì)，并對(duì)失效的原因進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

失效件為鋁合金輪轂上的輪輻試樣，在進(jìn)行路面綜合測(cè)試時(shí)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(duì)輪輻斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察；采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)微觀形貌進(jìn)行觀察[9]；采用微束能譜（EDX）對(duì)微觀元素進(jìn)行能譜分析[10]；采用蔡司金相顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行分析[11]；采用布氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)試[12]；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP）對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行分析[13]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀形貌分析

對(duì)斷裂的輪輻進(jìn)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(lán)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(kuò)展；從圖1c 可以看出，在試樣表面有明顯的涂漆防護(hù)層，在外弧面藍(lán)框所示的起裂區(qū)對(duì)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(shí)物斷口微觀形態(tài)，如圖2 所示，在圖2a 藍(lán)框所標(biāo)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(duì)缺陷部位取點(diǎn)進(jìn)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?jǐn)?shù)從21%變化至37%，說(shuō)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(duì)缺陷形態(tài)進(jìn)行分析，擴(kuò)展區(qū)形貌，如圖4 所示，斷口擴(kuò)展區(qū)域?yàn)榇┚?zhǔn)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(kuò)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(kuò)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(zhǔn)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(shí)對(duì)2 個(gè)同材質(zhì)拉伸斷裂樣條進(jìn)行SEM觀察，其中1#樣條的分析，如圖6 所示。圖6a 中藍(lán)框顯示了2 個(gè)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(kāi)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(wú)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(jìn)行金相組織形態(tài)分析，如圖8 所示。圖8a 藍(lán)框所標(biāo)顯示，在對(duì)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(jiàn)，表層金相組織中共晶硅呈小圓點(diǎn)和橢圓形分布在枝晶間，表層組織與基體組織沒(méi)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(jìn)行ICP 化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示，表1 中同時(shí)列出了鋁合金牌號(hào)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?jǐn)?shù)均滿足 A356.0要求，基本確認(rèn)該試樣符合A356.0 牌號(hào)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(jì)隨機(jī)測(cè)試3 個(gè)點(diǎn)的硬度值，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。對(duì)于鋁合金牌號(hào)A356系列材料，其硬度隨抗拉強(qiáng)度要求的不同而不同，最低抗拉強(qiáng)度在≥195 MPa 的條件下，鋁質(zhì)硬度要求（HBW5/250）≥60；最低抗拉強(qiáng)度在≥295 MPa 的條件下，鋁質(zhì)硬度要求（HBW5/250）≥80。由表 2 可見(jiàn)，該樣品的硬度值符合A356 牌號(hào)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(guò)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(gè)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(xiàn)[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(guò)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(xiàn)[15]也說(shuō)明了鑄造缺陷會(huì)在很大程度上降低輪轂試樣的沖擊性能，缺陷對(duì)沖擊性能的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了顯微組織對(duì)沖擊性能的影響。因此，鋁制輪輻的材質(zhì)缺陷對(duì)于失效有一定的影響，它會(huì)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(hào)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(yán)重局部應(yīng)力集中，同時(shí)起裂區(qū)表面存在異常的表面凸起，進(jìn)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(kuò)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(guò)早失效的原因有2 個(gè)：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(yán)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(kuò)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(diǎn)建議：1）鋁制車輪在制造過(guò)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(guò)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。