鋁合金車輪彎曲疲勞實驗失效分析

侯福月

摘 要：汽車車輪在汽車運行時同時受到彎矩和沖擊等多種載荷，車輪彎曲疲勞試驗是檢測車輪的力學性能指標的一項重要實驗。本文針對鋁合金車輪彎曲疲勞試驗的實驗原理和試驗過程做了介紹，對于疲勞實驗失效進行了具體的分析，根據試驗后車輪尺寸的變化、斷裂處斷口形貌特征和對車輪進行滲透探傷結果的對比、判斷和分析，進一步明確造成車輪疲勞失效的原因和影響因素等問題。

關鍵詞：鋁合金車輪；彎曲疲勞試驗；失效分析

1 鋁合金車輪彎曲疲勞實驗介紹

汽車車輪的優劣直接影響著汽車整體性能，包括對行駛穩定性、安全性的影響，對駕駛操控性的影響，對乘客乘坐舒適性的影響，對汽車加速和制動性能的影響等。車輪的優劣已經同汽車油耗一樣，成為衡量整車質量和檔次高低的重要指標之一。根據國內和國際標準化組織的規定，車輪在出廠前必須通過沖擊試驗、徑向疲勞試驗和動態彎曲疲勞試驗等實驗方式對車輪性能進行試驗。其中動態彎曲疲勞實驗通常也簡稱為彎曲疲勞實驗，具體實驗過程如下。

試樣旋轉同時承受一定的彎矩。由力產生的彎矩恒定不變并且不轉動或者車輪固定不動，而承受一個旋轉的彎矩（見圖1和圖2）。

試樣可在一處或兩處固定輪轂進行懸臂試驗，也可四點固定輪轂進行橫梁試驗。直至試樣失效或超出預定應力循環周期。采用的國標為GB/T5334-2005，試驗裝置如圖1。

按照車輪的實際安裝情況，對螺母施加扭矩最低值的115%的載荷，螺母不加潤滑劑將車輪固定于試驗裝置上，保持試驗連接件和車輪配合面的清潔。試驗時為保持車輪上的螺栓和螺母配合的可靠性，可多次緊固。加載系統需控制規定的載荷，誤差在±2.5%范圍內。如果螺栓在試驗過程中失效破壞，更換螺栓后仍可繼續試驗。高速旋轉下，此裝置可能會因摩擦產生大量熱量，對實驗結果產生較大影響。試驗彎矩由公式M=（μR+d）FS確定。其中M、μ、R、d、F、S分別表示彎矩、輪胎與道路之間的磨擦系數、靜負荷半徑、車輪偏距、車輪最大額定載荷、強化試驗系數。

失效判定依據：

①達到規定的循環周期后車輪出現可見的疲勞裂紋；

②車輪出現其他失效形式致使車輪無法完成其所需的循環周期；

③未達到所要求的循環周期之前，試驗中加載處的偏移量超過初始偏移量的20%。

試驗過程：本試驗所用的鎂鋁合金車輪輪轂成形方式采用低壓鑄造鋁合金輪轂成形工藝，熱處理方式采用T6處理后完全人工時效，T6處理是目前鑄造鋁合金輪轂常用的熱處理方式之一，這是由于固溶處理時鑄件可析出大量硅化鎂微粒，此析出相對鑄件的硬化影響較大，使輪轂組織強度增加，其處理工藝規范：固溶處理（538±5）℃，為了讓溶質原子全部溶入基體，我公司選擇固溶時間為5小時。為了使硅化鎂在時效處理時能夠均勻分布于鑄件內，淬火介質選擇水，溫度在60-80℃，淬火轉移時間為30s；時效處理溫度138±5℃，保溫3-4小時以上。本實驗分別對兩組實驗對象進行實驗：實驗組1試驗對象為4號車輪；試驗組2試驗對象為6號車輪。兩車輪都是用壓鑄成形技術生產的。

兩實驗組車輪試驗條件如下：

試驗組1：車輪加載3600N·m轉矩，運行大約253萬轉。

試驗組2：車輪加載3600N·m轉矩，運行大約1173萬轉。

試驗結果：

試驗組1：輪輻開裂；

試驗組2：輪輻和輪心出現裂紋。

根據上述試驗結果圖可得出以下結論：

①試驗組2中的6號車輪的輪輻和4號車輪輪輻裂紋較深。

②6號車輪出現裂紋的輪輻的裂紋都較深。

③根據試驗結果可知，試驗組1中出現裂紋的輪輻是臨近的兩輪輻，而試驗組2中出現裂紋的輪輻是相對的兩輪輻，可能是由于6號車輪質量較4號車輪均勻一些。因此，為了研究導致彎曲疲勞試驗出現失效結果的可能原因，本文后續內容將分別從車輪尺寸的角度、端口形貌、剖切樣滲透分析等幾個方面對疲勞失效的原因進行研究。

2 鋁合金車輪彎曲疲勞失效原因分析

2.1 車輪尺寸測量的研究

由于輪輻的薄厚對疲勞強度影響較大，因此，本節從車輪尺寸的角度對兩試驗組中的車輪輪輻進行研究，對兩試驗組中車輪的尺寸進行測量并記錄其值。

通過對兩試驗組中的車輪進行尺寸測量，其研究結果如下：

①6號輪輻厚度比4號輪輻厚度均值大36um，但表中可見6號開裂的輪輻1的厚度值最大，而其它開裂的輪輻的厚度值并非輪輻的最值，因而輪輻厚度可能與其是否開裂無相關聯系。

②表中可見6號車輪法蘭厚度比4號車輪法蘭厚度厚484um。然而由于6號車輪法蘭漆厚，而且在清洗過程中法蘭下端的銹跡無法除去，并且6號車輪法蘭的銹跡較4號車輪多一些，因而可能是6號車輪在進行尺寸測量時誤差較大。

③綜合兩輪轂的測量結果可看出兩輪輪輻厚度差距較小，幾乎無差別，車輪尺寸對其輪彎曲疲勞性能影響可能不大，影響其出現不同疲勞失效結果可能另有原因。

2.2 斷口形貌研究

疲勞斷口記錄了整個斷裂過程的所有信息，因此，對端口形貌的研究具有重要的意義。疲勞斷裂形成的斷口具有明顯區別于其他任何性質斷裂的斷口形貌特征，這些特征不僅受到材料自身的屬性的影響還受到材料所承受的外載荷及工作環境的影響，因此對疲勞斷口的分析是研究疲勞過程、分析疲勞失效原因的重要手段。

從宏觀角度來看，疲勞斷口包括疲勞裂紋產生到未斷裂前的擴展區和最后斷裂區兩部分組成。試驗時，采用人工機械方式將兩試驗組中出現開裂或裂紋處分離。根據在電鏡掃描（SEM）下觀察的斷口形貌特征可得出下列結論：

①人工斷裂斷口形貌顯示4號車輪較6號車輪斷面暗些，而且4號車輪輪輻人工斷面呈現很多亮點，較6號輪輻存在較多的微小縮松等缺陷。

②6號輪輻人工斷裂斷口中部亮點較少，斷面呈現細膩的灰白色，只有邊緣部位存在一些亮點，其原因可能是車輪輪輻中心部位的Si相變質較邊緣部位好。

③疲勞裂紋斷口部分由于彎曲疲勞試驗已被碾壓，未發現明顯鑄造缺陷。

2.3 滲透探傷研究

滲透探傷是在被檢工件上浸涂可以滲透的帶有熒光的或紅色的染料，利用滲透劑的滲透作用，顯示表面缺陷痕跡的一種無損檢測方法。為了檢查輪轂鑄件的內部損傷，對鑄件進行滲透探傷研究。首先在兩個車輪的相同部位取剖切樣，用600目砂紙研磨鑄件表面后進行滲透探傷。根據滲透探傷結果，得出結論如下：從剖切面滲透探傷結果可看出4號輪輻中微小縮松比6號多一些，但總體而言都不嚴重。