車輪鋼加工與失效分析

劉宏亮，鄭 中，趙 迪，姜育男，姜茂發

(1.本鋼集團有限公司，遼寧，本溪 117000;2.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

公路運輸是現代交通運輸系統的重要組成部分，起著運輸干線作用.第二次世界大戰結束后，公路運輸發展迅速，歐洲許多國家和美國、日本等國已建成比較發達的公路網，汽車工業又提供了雄厚的物質基礎，促使公路運輸在運輸業中躍至主導地位.發達國家公路運輸完成的客貨周轉量占各種運輸方式總周轉量的90%左右.然而，到2012年底，我國國家級干線公路通車里程僅17.3萬公里，其中普通國道10.5萬公里，高速公路6.8萬公里.這顯然無法滿足經濟高速發展對運輸能力的需求，交通部近日正式公布了《國家公路網規劃(2013年 －2030年)》，根據規劃到2030年，我國公路網總規模將達到40萬公里，增長一倍有余.

車輪是汽車行駛的主要安全部件，也是影響整車性能的重要因素.隨著汽車行業的迅猛發展，對車輪承受強度、疲勞應力、沖壓載荷以及高溫蠕變等指標提出了更高的要求［1，2］.本鋼利用“人參鐵”資源，并依托先進的裝備技術陸續開發出BG330CL～BG590CL系列受市場認可的車輪鋼，厚度規格涵蓋2.5～16 mm范圍，BG600CL鋼也已通過測試.然而，車輪在使用過程中經常出現因疲勞而導致的早期失效形式.為此，本文針對車輪鋼組織、車輪加工過程、以及使用過程受力情況等進行系統分析，研究車輪失效原因并提出改進意見.

1 車輪鋼性能和組織

本鋼BG330CL～BG590CL系列車輪鋼依據規格和強度級別的不同，分別對合金成分、軋制工藝和冷卻方式進行調整，綜合運用固溶強化、組織強化、析出強化和細晶強化方式進行生產和研發.因此，不同級別車輪鋼之間存在較大的組織差異.

1.1 車輪鋼力學性能

本鋼在生產車輪鋼時均需要對鐵水進行預處理，以控制S含量［3］，轉爐冶煉后采用LF(VD)進行精煉處理，并在連鑄過程中進行變質處理［4］;依據規格和型號差異采用2 300 mm熱連軋機組進行控軋控冷工藝生產.本鋼近期生產的典型車輪鋼規格和性能如表1所示.

1.2 車輪鋼組織

本鋼生產研發的車輪鋼分為兩類，其中一類是BG系列，采用低成本設計方案，主要強化元素為C和Mn，采用微合金元素較少，主要通過冷卻工藝進行組織細化，因此，金相組織以鐵素體+貝氏體+珠光體為主，價格相對較低，制備成車輪以后使用壽命一般大于3個月;而另外研制開發了SW系列，主要采用Nb和Ti等微合金進行設計，并采用TMCP工藝進行生產，獲得金相組織為鐵素體+貝氏體，無珠光體組織，因此成型性和使用性能更好，但價格相對較高.根據市場信息顯示，BG系列銷量遠遠高于SW系列，而出現質量問題也幾乎全部集中在BG系列上.

不同級別和規格的車輪鋼組織均存在較大差異.如圖1所示，為了保證良好的塑性，BG380CL和BG590CL兩種車輪鋼生產均采用復相組織，通過合理控制冷卻工藝獲得鐵素體和貝氏體為主的組織，局部有少量珠光體.BG380CL鐵素體體積分數為 83%，平均晶粒尺寸為 22.6 μm，而BG590CL鐵素體含量為76%，平均晶粒尺寸為17.2 μm.BG590CL貝氏體含量較多，且晶粒尺寸細小，可同時保證良好塑性和較高的強度［5］.

2 車輪加工工藝分析

目前，車輪輪輻主要有兩種生產工藝:一種是沖壓成型，另一種為旋壓成型.旋壓加工正在逐步取代沖壓成為高級別車輪輪輻生產的主要工藝.

2.1 沖壓工藝分析

沖壓工藝是借助專用沖壓設備的動力，使車輪鋼在模具里直接受到應力進行變形，經數次沖壓獲得輪輻形狀、尺寸和性能的生產技術.采用沖壓工藝生產輪輻效率較高，但沖壓引起的材料應力、以及應力梯度相對較大，僅適用于薄規格車輪的生產.

本研究采用有限元分析軟件DEFORM對輪輻沖壓成型工藝應力分布進行分析，采用AUTO CAD制圖后，導入DEFORM軟件分析沖壓過程應力分布，結果如圖2所示.結果表明，沖壓工藝制備車輪輪輻將導致螺栓分布圓平面與通風孔過渡帶位置應力集中明顯，殘留較大的應力梯度.

2.2 旋壓工藝分析

目前，高端車輪尤其是規格比較厚的輪輻加工主要采用旋壓工藝技術.通過不同型面旋輪施加壓力，讓車輪鋼變形成輪輻形狀，加工的車輪強度高、質量好、且節省材料，屬于特種成形方法.如旋壓過程可將14 mm車輪鋼制備成模具形狀，并最終旋壓至12 mm厚，旋壓過程中輪輻肋板位置受到較大應變，存在明顯的加工硬化效應，因此，通風孔肋板厚度減少2 mm并不會降低最終承載能力.

圖1 典型車輪鋼組織Fig.1 Micorstructure for the typical wheel steel

圖2 沖壓工藝與應力分布Fig.2 Stamping process and stress of spoke

但是，這種加工方式在螺栓固定面同樣沒有施加應力，因此，在螺栓分布圓與通風孔過渡帶之間依然存在應力梯度，如圖3所示.但因旋壓技術采用均勻變形工藝，與沖壓相比殘余應力相對較少，螺栓分布圓與通風孔肋板之間的應力梯度也相對減少.

無論采用何種加工方式，最終螺栓分布圓與通風孔之間的應力梯度均取決于加工工藝參數、原始鋼板強度、以及組織應變能力等.

3 車輪受力與失效分析

3.1 輪輻受力分析

本研究采用 AUTO CAD制圖，并導入DEFORM軟件對輪輻靜態承載情況進行分析，不同載荷條件下的計算結果如圖4所示.

分析發現，不同載荷條件下輪輻受力存在明顯差異.當輪輻承重較小時，輪輻應力均勻分布于螺栓孔周圍，及通風孔肋板之間，如圖4(a)所示.因此，應力梯度主要在通風孔之間肋板位置，正因如此，采用薄規格車輪鋼開發新輪輻時，某些廠商會在通風孔肋板之間增加“拱形”形變硬化處理，在減重20%情況下，強度卻提高12%，有效減少通風孔炸裂概率.本分析結果與其他學者研究結果一致，即輪輻應力集中位置主要分布在通風孔之間，以及螺栓孔位置［6，7］.

然而，當承重較大時輪輻受力增加至屈服強度極限，輪輻受力集中位置則發生變化，在螺栓分布圓外側與通風孔過渡帶位置應力集中明顯，而通風孔之間應力反而減小，如圖4(b)所示.分析認為，因車輪存在偏距，靜止條件下輪輻上部分螺栓孔受向內的切應力作用，而中下部螺栓孔受向外切應力作用，當輪輻受力超過屈服極限時，將在螺栓分布圓外側發生塑性變形，如圖5(b)所示.而在車輪實際服役過程中，該部位承受交變載荷作用將迅速萌生疲勞裂紋，直至擴展失效.

圖3 旋壓工藝與應力分布Fig.3 Spinning process and stress of spoke

圖4 輪輻受力Fig.4 Stress on spokes

3.2 輪輻失效形式

本研究對投放市場的BG380CL鋼失效情況進行分析統計，對比發現輪輻失效形式可分為兩種類型:一種是在螺栓孔位置萌生裂紋并擴展連接，直至最終斷裂，如圖6(a)所示;另一種與螺栓孔無關，而是在肋板與螺栓孔分布圓平面之間過渡位置發生斷裂，如圖6(b)所示.

3.3 輪輻失效分析

調研發現，車輪實際失效形式與本研究結果相吻合，即一種是由于車輪疲勞性能較低引起的失效，疲勞裂紋在螺栓孔部位萌生擴展;另一種是由于輪輻屈服強度較低(超載)，在螺栓分布圓外側萌生裂紋并擴展引起的失效.分析認為實際服役情況下車輪失效主要與以下4方面因素有關.

3.3.1 加工和裝配精度的影響

疲勞失效是一個裂紋萌生以及擴展的過程，如何抑制裂紋萌生是提高車輪疲勞性能的最主要途徑.前文分析發現，正常承載條件下，螺栓孔應力集中明顯，是萌生疲勞裂紋的敏感位置.而根據第一種車輪失效形式分析判斷，疲勞裂紋的萌生和擴展均與螺栓孔有密切關系，螺栓孔加工精度以及裝配工藝對該失效形式影響比較明顯.其他學者研究也同樣表明，螺栓孔發生磨損破損等情況將嚴重縮短裂紋萌生時間而導致輪輻提前失效.

圖5 輪輻形狀Fig.5 Spoke shape

圖6 輪輻疲勞斷裂形貌Fig.6 Spoke fatigue fracture

3.3.2 加工工藝對輪輻使用壽命的影響

分析發現，無論沖壓還是旋壓工藝，在制備輪輻過程中均產生一定的殘余應力，并在某些部位存在一定的應力梯度，這種應力梯度的存在是輪輻使用過程中的潛在威脅，極易成為疲勞裂紋萌生位置和擴展通道.如圖2所示，加工的輪輻在螺栓分布圓附近存在較大應力梯度，這與第二種疲勞失效輪輻斷裂位置一致.因此，應力梯度與加工工藝以及母材組織密切相關，不同組織具有差異較大的應力－應變特性，即采用相同工藝加工不同組織將產生不同的殘余應力和應力梯度.所以，加工工藝應該與車輪鋼組織相匹配，才能有效控制殘余應力的分布，獲得具有優異性能的輪輻.當車輪鋼組織和性能發生變化時，如圖1所示，沖壓或旋壓工藝也應當進行適當調整.

3.3.3 車輛承載的影響［8］

分析發現，當車輪鋼屈服強度較低(超載)時，在正應力和切應力共同作用下螺栓分布圓外側將發生低周疲勞，導致輪輻“炸裂”.所以，應嚴禁低材高用現象.

3.3.4 車輪鋼組織的影響

本研究發現，本鋼在生產車輪鋼時，因生產控制問題，BG590CL組織中珠光體存在明顯帶狀，如圖1(b)所示，這對車輪疲勞性能非常不利，企業應該在這方面多加研究，避免出現珠光體帶狀形貌.在生產高級別車輪鋼時，盡量減少珠光體的產生，并且嚴格控制珠光體形貌，以減少其對疲勞性能的影響.

此外，控制鑄坯偏析，限制夾雜物含量、尺寸、分布特性以及改善微觀組織分布等也均對提高車輪使用壽命有利.

4 結論

(1)不同級別車輪鋼組織存在較大區別，本鋼BG380CL至BG600CL系列車輪鋼綜合采用不同的合金體系進行固溶強化、組織強化、析出強化以及細晶強化進行研制生產.不同級別和規格車輪鋼因組織差異而具有不同的應變強化規律.

(2)輪輻采用沖壓工藝和旋壓工藝生產在螺栓孔分布圓和通風孔過渡帶之間均存在一定的應力梯度，但與沖壓工藝相比，旋壓工藝引起的應力梯度相對較小，這種應力梯度取決于沖壓(旋壓)工藝參數、原始鋼板強度以及組織應變能力等.

(3)正常使用情況下，輪輻疲勞裂紋萌生位置應在螺栓孔周圍以及通風孔之間.因車輪存在偏距，螺栓孔同時承載正壓力和切應力，成為疲勞裂紋萌生和擴展的敏感位置.但在超載情況下，輪輻應力集中于螺栓分布圓外側，在切應力作用下易發生低周疲勞，并引起輪輻“炸裂”現象.

(4)為了提高輪輻使用壽命應從以下幾方面加以改進:制定與車輪鋼組織相適應的輪輻加工工藝，提高加工和裝配精度，嚴禁低材高用現象，控制鑄坯偏析，限制夾雜物含量、尺寸以及分布特性，改善微觀組織分布，避免帶狀組織的出現等.

致謝:感謝本鋼高強鋼項目部以及本鋼技術中心蘇蹤濤、海超和左海霞師傅對本論文提出的修改建議，感謝東北大學李小武教授提出的車輪鋼生產改進意見.

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