輪胎失效分析取證

劉湘慧 編譯

(1.江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結構與功能金屬復合材料重點實驗室，江蘇 泰州 225721)

輪胎取證是對失效輪胎進行結構和方法分析，以確定其失效的根本原因。在收到故障輪胎后，取證專家將嘗試收集與故障根本原因相關的所有信息。然而，對最終失效之前可能發生事件排序通常是非常具有挑戰性的，因此很難確定根本原因。例如，在載重汽車子午線輪胎（TBR）中觀察到的三種主要失效模式是帶束層分離、胎圈區域失效和胎側分離。

每種失效模式的根本原因可能因情況而異，本文論述了鋼簾線的斷裂點分析。鋼簾線斷裂點的斷裂性質與具體原因有關。本文詳細介紹了鋼簾線單絲的各種斷裂類型，并包括一個全鋼載重子午線輪胎在役失效的取證學分析案例，其中對鋼簾線斷裂點的微觀分析有助于確定失效原因。

1 輪胎取證學分析方法與工具

對任何在使用中出現輪胎故障的詳細分析各不相同。輪胎取證分析的基本結構方法包括以下關鍵要素：①與特定故障輪胎相關取證分析的背景和目標；②以結構化模式收集有關輪胎的詳細信息；③測試和分析的詳細計劃；④樣品制備，執行分析和測試；⑤由分析結果支持的關于最終失效前事件順序的假設；⑥確定可能的失效根本原因。

在輪胎的取證分析過程中，使用了多種工具并進行了各種無損和破壞性試驗。

X射線成像和剪切成像是兩種主要的無損分析工具。X射線圖像提供了有關帶束層和胎體簾布層中鋼簾線均勻性、接頭質量和不同帶束層中的信息。剪切成像提供了輪胎結構內部氣穴的信息。

樣品制備包括切割輪胎的相關部位，然后使用不同的手動工具和設備分離各層或部件，并使用切片機將樣品制備至所需厚度，以備后續試驗。樣品制備、精細觀察和高分辨率圖像采集對于有效的取證學分析非常重要。

采用光學立體顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）進行的微觀分析，包括對界面、簾線斷裂類型、簾線橫截面和微動磨損的研究。

物理試驗將用于研究部件的拉伸和動態機械性能。例如，鋼簾線帶束層和胎體簾布層之間的殘余附著力。

還將使用合適的分析設備進行各種分析測試，包括成分分析、固化狀態、元素分析、是否存在異物、污染等。然后可以分析各種類型的斷裂機制。

2 不同類型斷裂模式

2.1 韌性斷裂

韌性斷裂與單軸拉伸載荷有關，導致軸向伸長和橫截面直徑減小。當應力增加超過彈性極限時，頸縮從最弱點開始，導致該位置直徑迅速減小，最后在該點斷裂。斷裂表面的性質看起來像一個杯和一個錐，斷裂細絲的一端是錐，另一端是杯。圖1描繪了鋼簾線單絲上典型杯形和錐形斷裂表面的SEM圖像。在輪胎服役失效中，這種類型的斷裂通常是由于過載而發生。

圖1 典型杯錐斷裂SEM圖貌

2.2 疲勞斷裂

疲勞與循環應力有關，因此與輪胎各部件高度相關。用于輪胎加固的鋼簾線在使用過程中經歷了數百萬個循環的反復加載/卸載。疲勞導致的失效發生在拉伸試驗過程中測得的拉伸載荷低得多的應力下。在動態載荷條件下，會產生微觀裂紋，從而導致斷裂。

鋼簾線疲勞斷裂的特征是斷裂處表面的性質點。圖2所示為失效輪胎中提取鋼簾線的典型疲勞斷裂。影響輪胎鋼簾線疲勞性能的因素有：載荷類型、路況、簾線幾何形狀、冶金因素和材料性能。

2.3 剪切斷裂

剪切斷裂是由斷裂面的特征性質來識別的，斷裂面與鋼簾線的縱軸成一定角度（約45°），如圖3所示。這種類型的斷裂主要發生在使用過程中，當輪胎受到路面特征（如坑洞、石塊或尖銳物體）某種形式的沖擊時，輪胎內的鋼簾線在沖擊點處承受高壓縮力，從而導致剪切斷裂。

圖3 典型鋼簾線剪切斷裂

2.4 扭轉斷裂

扭轉破壞與鋼簾線的延性特性有關。有時鋼簾線在動態或沖擊載荷作用下會產生扭轉裂紋。圖4描述了一個維修失效輪胎中鋼簾線的扭轉斷裂。

圖4 失效輪胎鋼簾線的扭轉斷裂

2.5 腐蝕斷裂

輪胎內的鋼簾線腐蝕是由于輪胎損壞導致濕氣和空氣進入。當帶束層或胎體簾布層中的鋼簾線與濕氣和空氣（氧氣）接觸時，會發生腐蝕，并導致受影響簾線的強度降低。生銹還會導致橡膠和簾線之間的界面附著力喪失，成為開始分離的潛在位置。鋼簾線上的腐蝕很容易識別，如圖5所示。

圖5 鋼簾線腐蝕斷裂

3 案例研究

采用結構化方法對一個維修失效輪胎進行了案例研究，鋼簾線的斷裂分析是本研究的重點。

圖6 描繪了輪胎的故障部位。胎體簾布層斷裂是最終失效模式，其中約50 mm寬的胎體簾布層與肩部區域分離。輪胎為無內胎TBR 295/80R22.5，剩余胎面深度為3~4 mm。它已經行駛了大約80 000 km，在幾個地方胎面基礎暴露。整個胎面上的胎面磨損是有規律的，并且觀察到幾個胎面切口。

圖6 失效輪胎部位

3.1 各層的解剖

為了剝離構成胎面、各帶束層、胎體簾布層和內襯的單個部件，去除了包含故障區域的切割輪胎的304 mm部分。在拆除部分的胎面上觀察到12處單獨的胎面切口。每個切口都被圈起來，并用數字標記，以跟蹤不同層的穿透水平。圖7描繪了帶有識別切割標記的失效輪胎部分的各層和部件。在胎面上觀察到的12個切口中，5個穿透了第四層帶束層，4個穿透了第三層帶束層，2個穿透了第二層和第一層帶束層。這些切口大多導致鋼簾線斷裂。在斷口觀察到的腐蝕跡象表明，輪胎在這些切口下繼續運轉，直到最終失效。

圖7 故障輪胎部分的不同部件

兩個切口（1和9）穿透了所有四層帶束層，也穿透了胎體簾布層并到達內襯的上表面。

切口9未導致任何胎體簾布層斷裂，切口1僅導致一層胎體簾布層斷裂。值得注意的是，所有27條胎體簾布層簾線的最終失效發生在切口9附近。在第一層帶束層和胎體層之間觀察到分離跡象（撕裂痕跡）。切口9處胎體簾布層上的腐蝕痕跡（銹跡）表明水分滲出，從而導致胎體簾布層和第一層帶束層之間分離。

似乎這種分離發生在最終失效之前。撕裂痕表示在動態使用條件下兩層之間的分離。

表1 中的信息顯示了與失效截面相關的各種組件的解剖結構。它還指示了每個胎面切口處不同帶束層和胎體簾布層的斷裂鋼簾線數量。

鋼簾線斷裂分析用掃描電鏡分析了不同帶束層和簾布層的簾線斷裂面。圖8描繪了每層帶束層代表性鋼簾線斷裂表面的SEM圖像。

圖8 帶束層不同部位典型鋼簾線斷裂面的SEM圖像

如本文前一節所述，大部分斷裂面為剪切型和腐蝕型。剪切型斷裂表面表明受到尖銳物體的沖擊或經過危險道路。由于水分和滲水，鋼簾線斷裂表面受到腐蝕，這種腐蝕大多數鋼簾線實際斷裂表面看不到。由于剩余胎面深度非常低，尖銳物體造成的任何外部損壞滲水的可能性很高，從而導致鋼絲腐蝕。

圖9 顯示了胎體簾布層斷裂簾線的SEM圖像。1號深穿透切口導致一層胎體簾布層簾線斷裂。

圖9 胎體簾布層典型簾線斷裂面的SEM圖像

由于斷裂端的腐蝕，無法確定斷裂的實際類型，但最有可能是剪切型。在最終的斷裂區域，總共有27根胎體簾布層簾線斷裂。通過SEM對所有這些單絲進行了研究，發現它們都發生了韌性斷裂，如圖9所示。該區域鋼簾線的韌性斷裂表明，這是由于局部過載造成的。

4 總結

對失效輪胎的系統分析有助于形成有關在輪胎最終失效之前發生事件的假設，從而有助于確定該失效最可能的根本原因。

了解不同類型的斷裂及其原因有助于輪胎取證學分析，特別是在案例研究中討論的輪胎失效與簾線斷裂相關的情況下。光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡是對輪胎增強材料進行取證學分析和斷裂分析非常有效的工具。剪切、疲勞、韌性和腐蝕斷裂是常見的輪胎服役失效模式，理解這些對目前的案例研究有幫助。本案例研究結果可能適用于客戶服務目的和產品設計的進一步改進。