制動鼓開裂原因分析

文 閏衛衛 劉蘇柳 尹克強

汽車制動鼓是汽車重要的功能部件，也是衡量汽車安全性能最主要的部件，同時也是日常檢修中首當其沖被檢查的部件，相關資料顯示，制動鼓失效主要有五種形式：龜裂、開裂、掉底、磨損過大、非正常磨損。下面主要討論造成前兩種斷裂形式的一個主要原因——高溫激冷產生的熱疲勞斷裂。

采樣方案和檢驗依據

一、采樣方案

本次對制動鼓產品的樣品來源是汽車修理廠替換下來的報廢產品，從石家莊、藁城和正定三個地區的六個修理廠采購30個樣品，所選擇的修理廠規模都相對較大，所涉及的車輛種類較多，產品型號較多，而且這些修理廠的服務對象也遍布全國各地，所以此次采購的樣品具有一定的代表性如圖1。

此次抽取的樣品破壞位置和破壞程度都有所不同，從而可以使分析者能夠更全面地掌握該樣品的質量風險點。

圖1

從樣品外觀分析，大多數樣品的損害位置為摩擦面產生裂紋，而制動鼓產生裂紋的原因是，車輛下山行駛過久制動鼓會產生高溫，如果在下坡后馬上涉水，制動鼓遇水而急劇收縮，于是制動鼓摩擦面沿軸線方向產生裂紋，這種裂紋隨繼續制動而延長，最后制動鼓破裂。有些制動鼓在保修時發現其摩擦表面呈現一片片亮晶晶斑痕，這就是制動鼓在高溫時又遇水而造成的。

二、檢測依據

本次分析主要依據GB/T 7216-2009《灰鑄鐵金相》、GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T9439-2010《灰鑄鐵件》、JB/T7711-2007《灰鑄鐵件熱處理》等標準。

制動鼓龜裂、開裂的產生原因和證實

通過從汽車維修廠找來的30個制動鼓中選擇了5個有龜裂、開裂特征的制動鼓作為樣本，并在其裂紋密集處取樣進行實驗觀察。取樣方法為：在鼓壁與制動器襯片接觸的工作面上裂紋密集處切下（切割時未產生高溫以防發生相變）2cm見方的一塊鋼錠，標明鋼錠的內外壁并對應樣本編好號。制好樣后將其進行金相拋光和腐蝕（5%硝酸酒精溶液常溫腐蝕15秒），獲得如下圖組織。

圖2.1 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

圖2.2 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

圖2.3 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

初步觀察腐蝕后的試樣表面不難發現每塊試樣都有一到兩塊顏色較深的斑塊，而斑塊往往垂直于裂紋延伸方向平行于制動摩擦力方向，而且往往處于裂紋的中間位置。由此不難猜想深色斑塊是因為制動鼓工作時產熱不均而產生的局部高溫急速冷卻形成的相變組織，而裂紋首先從相變中心位置產生并垂直于制動摩擦力方向兩邊延伸，延伸至未相變的組織處結束。為證明以上猜想，本文作者對五個腐蝕后的樣品依次在400x的金相顯微鏡下觀察并拍了金相照片如下：

圖2.4 一號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.5 二號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.6 三號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.7 四號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.8 五號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

通過這幾個圖不難發現：五個試塊的局部深色部位都經過了高溫（727℃以上）并發生了淬火相變，最終生成了回火索氏體或回火屈氏體，因為組織太細，鐵素體與滲碳體在光鏡下很難分辨其界限，所以僅能觀察到暗黑的組織。隨后本文作者又對裂紋處做了100倍的顯微觀察并拍攝圖片，從中選取了幾幅典型圖片羅列如下。

圖2.9 一號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.10 二號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.11 三號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.12 四號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.13 五號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

經過對五個試樣裂紋的觀察可以發現：整個裂紋延伸方向較直，裂紋沿著石墨方向擴展并幾乎不變方向地從一個石墨尖端連向另一個石墨尖端，呈樹枝狀，有明顯的脆性斷裂特征，但當裂紋延伸到未相變的區域時裂紋整體走向變彎曲，并且最終止于與裂紋整體走向呈大角度的某條石墨邊緣。據此可以推測失效制動鼓的局部在達到高于相變溫度的同時受到極速冷卻，使該部位基體變為淬硬組織。該組織脆性大且含有大量的殘余相變應力，當受到頻繁的復合應力（因制動動作產生的法向壓應力和切向摩擦應力和制動生熱產生的熱應力）作用一段時間后，該部位的某些應力集中處（碳化物的尖角或石墨的尖端等處）所受的合成應力大于該質點材料的斷裂強度，就萌生了最初的裂紋。隨著裂紋的延伸，延伸到有一定塑性的未相變基體組織時，基體可通過塑性變形松弛一部分應力，再加上裂紋的尖端因塑性變形而產生了形變強化，因此裂紋的延伸路徑變得曲折，同時應力集中程度隨著路徑的彎曲而慢慢減輕最終使裂紋消失于基體之中。為了進一步驗證此推論，我們還做了以下模擬其工況的熱疲勞試驗。

制動鼓的高溫激冷熱疲勞試驗

一、制樣

從失效制動鼓未受高溫相變影響的法蘭底兒上用線切割切出一個長寬1.5cm高為壁厚的方錠，將被線切割面的殘余應力影響層磨去（注意在磨削時不要產生新的殘余應力），最后將鋼錠所有表面粗糙度都處理到≤3.2μm。

二、試驗操作

將試件加熱到880℃保溫一分鐘，取出迅速放入20℃水里冷卻，如此循環操作，直至肉眼觀察到裂紋為止，吹干，進行金相觀察。

三、試驗結果

經過試驗，30個試塊依次在31、14、35、28、41、29、36、28、30、26、28、32、33、37、29、34、27、33、28、37、28、30、33、36、27、30、32、40、29、30次高溫激冷時出現肉眼可觀察的裂紋。并且裂紋形態與制動鼓失效部位吻合。

四、結論

高溫激冷產生的熱疲勞斷裂確實是制動鼓龜裂、開裂的一個主要原因。