侯福月

摘 要：汽車車輪在汽車運(yùn)行時(shí)同時(shí)受到彎矩和沖擊等多種載荷，車輪彎曲疲勞試驗(yàn)是檢測(cè)車輪的力學(xué)性能指標(biāo)的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)。本文針對(duì)鋁合金車輪彎曲疲勞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和試驗(yàn)過程做了介紹，對(duì)于疲勞實(shí)驗(yàn)失效進(jìn)行了具體的分析，根據(jù)試驗(yàn)后車輪尺寸的變化、斷裂處斷口形貌特征和對(duì)車輪進(jìn)行滲透探傷結(jié)果的對(duì)比、判斷和分析，進(jìn)一步明確造成車輪疲勞失效的原因和影響因素等問題。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪；彎曲疲勞試驗(yàn)；失效分析

1 鋁合金車輪彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)介紹

汽車車輪的優(yōu)劣直接影響著汽車整體性能，包括對(duì)行駛穩(wěn)定性、安全性的影響，對(duì)駕駛操控性的影響，對(duì)乘客乘坐舒適性的影響，對(duì)汽車加速和制動(dòng)性能的影響等。車輪的優(yōu)劣已經(jīng)同汽車油耗一樣，成為衡量整車質(zhì)量和檔次高低的重要指標(biāo)之一。根據(jù)國內(nèi)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定，車輪在出廠前必須通過沖擊試驗(yàn)、徑向疲勞試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)方式對(duì)車輪性能進(jìn)行試驗(yàn)。其中動(dòng)態(tài)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)通常也簡(jiǎn)稱為彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

試樣旋轉(zhuǎn)同時(shí)承受一定的彎矩。由力產(chǎn)生的彎矩恒定不變并且不轉(zhuǎn)動(dòng)或者車輪固定不動(dòng)，而承受一個(gè)旋轉(zhuǎn)的彎矩（見圖1和圖2）。

試樣可在一處或兩處固定輪轂進(jìn)行懸臂試驗(yàn)，也可四點(diǎn)固定輪轂進(jìn)行橫梁試驗(yàn)。直至試樣失效或超出預(yù)定應(yīng)力循環(huán)周期。采用的國標(biāo)為GB/T5334-2005，試驗(yàn)裝置如圖1。

按照車輪的實(shí)際安裝情況，對(duì)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(yàn)裝置上，保持試驗(yàn)連接件和車輪配合面的清潔。試驗(yàn)時(shí)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(tǒng)需控制規(guī)定的載荷，誤差在±2.5%范圍內(nèi)。如果螺栓在試驗(yàn)過程中失效破壞，更換螺栓后仍可繼續(xù)試驗(yàn)。高速旋轉(zhuǎn)下，此裝置可能會(huì)因摩擦產(chǎn)生大量熱量，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。試驗(yàn)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(shù)、靜負(fù)荷半徑、車輪偏距、車輪最大額定載荷、強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

失效判定依據(jù)：

①達(dá)到規(guī)定的循環(huán)周期后車輪出現(xiàn)可見的疲勞裂紋；

②車輪出現(xiàn)其他失效形式致使車輪無法完成其所需的循環(huán)周期；

③未達(dá)到所要求的循環(huán)周期之前，試驗(yàn)中加載處的偏移量超過初始偏移量的20%。

試驗(yàn)過程：本試驗(yàn)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(shí)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(shí)鑄件可析出大量硅化鎂微粒，此析出相對(duì)鑄件的硬化影響較大，使輪轂組織強(qiáng)度增加，其處理工藝規(guī)范：固溶處理（538±5）℃，為了讓溶質(zhì)原子全部溶入基體，我公司選擇固溶時(shí)間為5小時(shí)。為了使硅化鎂在時(shí)效處理時(shí)能夠均勻分布于鑄件內(nèi)，淬火介質(zhì)選擇水，溫度在60-80℃，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30s；時(shí)效處理溫度138±5℃，保溫3-4小時(shí)以上。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)組1試驗(yàn)對(duì)象為4號(hào)車輪；試驗(yàn)組2試驗(yàn)對(duì)象為6號(hào)車輪。兩車輪都是用壓鑄成形技術(shù)生產(chǎn)的。

兩實(shí)驗(yàn)組車輪試驗(yàn)條件如下：

試驗(yàn)組1：車輪加載3600N·m轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行大約253萬轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)組2：車輪加載3600N·m轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行大約1173萬轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果：

試驗(yàn)組1：輪輻開裂；

試驗(yàn)組2：輪輻和輪心出現(xiàn)裂紋。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果圖可得出以下結(jié)論：

①試驗(yàn)組2中的6號(hào)車輪的輪輻和4號(hào)車輪輪輻裂紋較深。

②6號(hào)車輪出現(xiàn)裂紋的輪輻的裂紋都較深。

③根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)組1中出現(xiàn)裂紋的輪輻是臨近的兩輪輻，而試驗(yàn)組2中出現(xiàn)裂紋的輪輻是相對(duì)的兩輪輻，可能是由于6號(hào)車輪質(zhì)量較4號(hào)車輪均勻一些。因此，為了研究導(dǎo)致彎曲疲勞試驗(yàn)出現(xiàn)失效結(jié)果的可能原因，本文后續(xù)內(nèi)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(gè)方面對(duì)疲勞失效的原因進(jìn)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(cè)量的研究

由于輪輻的薄厚對(duì)疲勞強(qiáng)度影響較大，因此，本節(jié)從車輪尺寸的角度對(duì)兩試驗(yàn)組中的車輪輪輻進(jìn)行研究，對(duì)兩試驗(yàn)組中車輪的尺寸進(jìn)行測(cè)量并記錄其值。

通過對(duì)兩試驗(yàn)組中的車輪進(jìn)行尺寸測(cè)量，其研究結(jié)果如下：

①6號(hào)輪輻厚度比4號(hào)輪輻厚度均值大36um，但表中可見6號(hào)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(guān)聯(lián)系。

②表中可見6號(hào)車輪法蘭厚度比4號(hào)車輪法蘭厚度厚484um。然而由于6號(hào)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(hào)車輪法蘭的銹跡較4號(hào)車輪多一些，因而可能是6號(hào)車輪在進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)誤差較大。

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

2.2 斷口形貌研究

疲勞斷口記錄了整個(gè)斷裂過程的所有信息，因此，對(duì)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(qū)別于其他任何性質(zhì)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(huán)境的影響，因此對(duì)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(chǎn)生到未斷裂前的擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)兩部分組成。試驗(yàn)時(shí)，采用人工機(jī)械方式將兩試驗(yàn)組中出現(xiàn)開裂或裂紋處分離。根據(jù)在電鏡掃描（SEM）下觀察的斷口形貌特征可得出下列結(jié)論：

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

②6號(hào)輪輻人工斷裂斷口中部亮點(diǎn)較少，斷面呈現(xiàn)細(xì)膩的灰白色，只有邊緣部位存在一些亮點(diǎn)，其原因可能是車輪輪輻中心部位的Si相變質(zhì)較邊緣部位好。

③疲勞裂紋斷口部分由于彎曲疲勞試驗(yàn)已被碾壓，未發(fā)現(xiàn)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(cè)方法。為了檢查輪轂鑄件的內(nèi)部損傷，對(duì)鑄件進(jìn)行滲透探傷研究。首先在兩個(gè)車輪的相同部位取剖切樣，用600目砂紙研磨鑄件表面后進(jìn)行滲透探傷。根據(jù)滲透探傷結(jié)果，得出結(jié)論如下：從剖切面滲透探傷結(jié)果可看出4號(hào)輪輻中微小縮松比6號(hào)多一些，但總體而言都不嚴(yán)重。