重載車輪輞崩斷原因分析

陳雪艷 張彥文 孫宜強

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

在國民經濟建設中，重載車發揮著重要作用，其身影隨處可見，其運行狀況直接關系到駕駛者及周邊人身安全。而重載車的各組件是其安全性的關鍵影響因素，車輪作為重載車的最終承載部件，構成車輪的輪轂、輪輻、輪輞等的安全性能，均受到材料工作者密切關注。本文以某重載車輪輻與輪輞發生突然崩斷為例，從宏觀斷面特征和材料內部組織結構兩方面，對斷裂性質和斷裂原因進行了分析和討論。

1 宏觀斷口觀察

某重載車在修理過程中輪輻緊固螺絲被拆卸完后，輪輻突然與輪輞發生崩斷。車輪輪輞和輪輻匹配斷口見圖1。

圖1 輪輞和輪輻匹配斷口

輪輻與輪輞通過焊接連接，輪輻盤斷口部位直徑約450mm，斷裂發生在輪輻與輪輞的焊接部位。斷口經弱酸除銹后，可見整個斷面特征可分為三種類型：一種是平坦光滑的扇型區域，對照光線肉眼可見海灘狀弧線，屬疲勞斷面，疲勞分別發生于四個不連續的區域，但均起源于輪輻內弧側的焊接部位，典型的扇型疲勞斷面如圖2。用鋼卷尺測量估算四個疲勞斷面區域面積共約占整個斷面面積的60%。

圖2 四個不連續的疲勞區域

第二種斷面特征為最終發生的金屬光澤明顯的放射狀瞬時斷口，人字紋走向明顯，主要存在于焊接部位附近的輪輞基體上，如圖3，面積約占35%；第三種為局部的剪切型撕斷區（剪切唇），約占5%；這二者均為輪輻最終破斷時產生的。

圖3 瞬斷口及細小剪切唇

從上述宏觀特征看，輪輻與輪輞的斷裂屬多源疲勞斷裂性質，且疲勞源均起源于二者內側的焊接圈部位。

2 掃描電鏡斷口分析

斷口經砂輪分解切割后選取典型的部位置于Quanta 400掃描電鏡下觀察，較低倍率下疲勞區可見海灘狀條痕，是疲勞擴展的宏觀表象，如圖4、5，高倍下疲勞斷面主要為疲勞擠壓磨損特征，局部還隱約可見疲勞輝紋特征，它與疲勞循環應力相對應，如圖6、7。

圖7 疲勞擠壓磨損及輝紋

上述宏觀可見的約35%面積的金屬光澤明顯的放射狀瞬時破斷區均為穿晶解理特征，如圖8，而約5%的最終剪切斷裂區為撕裂韌窩形貌，如圖9。

3 金相磨面觀察

將斷裂部位的截面磨制成金相拋光面，浸蝕后低倍下輪輻與輪輞的內外側焊接部位如圖10、11，可見輪輻與輪輞連接的中間部位未焊透，縫隙超過長度一半，且在內側部位可見明顯的偏焊現象，焊縫偏向輪輻一邊。

用QUANTA400掃描電鏡觀察，在兩側焊縫中均存在較多較大的氣孔和疏松，電鏡照片見圖12。

圖12 焊縫中的氣孔和疏松

在內側焊縫與過熱區之間的熔合線部位還存在裂紋（圖11局部放大），裂紋周邊較潔凈（如圖13），可見裂紋與夾雜物無關。浸蝕后組織為鐵素體＋珠光體，無異常特征見圖14。

圖13 裂紋周邊無夾雜

圖14 裂紋周邊組織無異常

4 分析討論

金屬材料或結構零件承受變動載荷的循環重復作用，在所施加的應力低于材料的抗張強度下而產生裂紋或斷裂的破壞現象叫做疲勞失效。

疲勞斷口一般從宏觀上可以明顯地劃分兩個不同的區域，即平滑的疲勞斷裂區和凸凹不平的最終斷裂區。疲勞斷裂區是表示疲勞裂紋作漸進式擴展，即裂紋緩慢擴展；而最終斷裂區，表示裂紋高速擴展（即靜載瞬斷區）。其中疲勞斷裂區呈現一種發亮的研磨面；瞬斷區在韌性金屬中為纖維形貌特征，而在脆性金屬中則為粗糙的結晶狀形貌特征。本文分析中的圖2為典型的四個不連續的疲勞區域。

有關疲勞斷口形貌特征分析需注意如下幾個方面：

（1）平滑區：平滑區是裂紋緩慢擴展所形成的，通常呈現脆性外觀。裂紋擴展方向與最大拉伸應力方向垂直，在平滑區中用內眼或放大鏡有時可以觀察到“年輪”（或稱“貝殼狀”、“海灘狀”、“前沿線”等）宏觀特征。這樣，可根據裂紋擴展方向與“年輪”條紋相垂直原則確定裂紋的擴展方向，“年輪”的曲率半徑最小處即為裂源位置。

（2）“年輪”條紋：疲勞“年輪”又稱之為貝殼狀”或“海灘狀”或“前沿線”等，它是疲勞斷口最突出的宏觀形貌特征。“年輪”表示裂紋前沿在間歇擴展晨的依次位置，它是機器在開車、停車或負荷變動較大時所造成的。這種特征的尺寸較大，用肉眼或放大鏡就可以觀察到。如果在宏觀斷口上觀察到“年輪”條紋，基本上就可以認為這個斷口是疲勞斷口。

（3）“年輪”的形狀 ：若“年輪”繞著裂源成為向外凸起的同心圓狀，表示材料對缺口不敏感（例如低碳鋼）；相反，若圍繞裂源成凹杯狀時，則表示材料對缺口敏感（例如高碳鋼）。“年輪”之所以形成凸狀或凹狀，是由于疲勞裂紋在材料的外緣部分和材料的內部部分其擴展速率不相同所致。例如對缺口敏感的材料，裂紋沿外緣的擴展速率內部為大，故“年輪”形成凹杯狀，如圖15（a）所示；對于缺口不敏感的材料，外緣的擴展速率罰內部為小，故“年輪”圍繞裂源呈現同心圓標記，如圖15（b）所示。本文分析中的輪輞疲勞屬于后者。

圖15 兩種形狀年輪示意圖

（4）最終斷裂區：它是由于疲勞裂紋擴展到一定程度，截面縮小而材料強度不夠所引起的瞬時超載斷裂的結果。它表示裂紋快速斷裂的特征，斷口形貌凸凹程度較大。這個區域有時稱之為瞬時斷裂區，簡稱為“瞬斷區”。疲勞斷口的瞬斷區是由纖維狀，剪切唇及放射狀三個部分所組成的。瞬斷區的大小取決于負載的大小、材料的優劣、環境介質等因素。在通常情況下，瞬斷區面積較大，則表示所受負載較大或材料較脆；相反，瞬斷區面積較小，則表示承載較小劃材料較韌。通過輪輞斷面宏觀估算，四個疲勞斷面區域面積共約占整個斷面面積的60%，說明輪輞的疲勞是在較小的應力作用下，裂紋緩慢擴展，裂紋從萌生、擴展至最終破斷歷經了一個較長的過程。

（5）疲勞源的位置，一般是在機械零部件的表面或次表面。但是，當材料內部存在冶金缺陷，例如夾雜物、夾渣、氣孔、白點、內裂、顯微裂紋等時，疲勞源可能發生在材料內部。如果疲勞源在外表面上，則表示機件在外表面上有拉應力存在；若疲勞源在次表面上，則表示表面經過硬化處理如滲碳、滲氮、高頻淬火等，或者表面上存在著壓應力，這時疲勞源具有“魚眼”狀特征。本文的宏觀分析可確定，疲勞源均起源于輪輞與輪輻內側的焊接圈部位。因斷件結構較粗糙，無法精確定位，但從焊接部位的截面微觀組織分析可見，焊縫中存在氣孔、疏松、偏焊、微裂紋等缺陷，疲勞起源于此也就在所難免。

5 結 論

（1）輪輻與輪輞的斷裂屬多源疲勞斷裂，疲勞裂紋均起源于二者內側的焊接部位。

（2）疲勞斷面光滑，擠壓磨損特征較重，疲勞擴展區約占整個斷面面積的60%，可見疲勞裂紋從萌生、擴展至最終破斷歷經了一個較長的過程。

（3）輪輻與輪輞的內外側焊縫中均存在氣孔、疏松缺陷，內側焊縫存在偏焊現象，再加上內側熔合線處存在裂紋，這些一同構成了從張應力集中處（焊接部位）產生疲勞斷裂的內因。

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