兩批次鋁合金車輪的彎曲失效分析

陰學(xué)樸

摘 要：鋁合金車輪是使用范圍廣泛的汽車車輪，本文利用化學(xué)成分分析、金相分析、機(jī)械性能分析和斷口分析等手段對兩個(gè)批次的鋁合金車輪進(jìn)行了彎曲失效分析，探究了車輪的失效原因。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪；彎曲失效；機(jī)械性能分析

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

車輪是車輛中用來安裝輪胎并承擔(dān)輪胎與車橋間載荷的重要部件，由于鋁合金車輪具有省油、增加發(fā)動機(jī)壽命、散熱性好、精度高、堅(jiān)固耐用和美觀的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在大部分的車型都采用了鋁合金車輪。本文通過對兩個(gè)鑄造批次的鋁合金車輪進(jìn)行彎曲失效分析，研究了1#和2#車輪的彎曲試驗(yàn)壽命和失效原因，從而為下一步車輪性能的優(yōu)化提供理論依據(jù)。1#號車輪的鑄造批次號為Y2238159183，2#號車輪的鑄造批次號為Y133015857；1#號車輪的熱處理批次號為Y880，2#號車輪的熱處理批次號為Y877，1#號車輪的轉(zhuǎn)數(shù)為4200894，2#號車輪的轉(zhuǎn)數(shù)為10056511。

一、化學(xué)成分分析

對1#號車輪和2#號車輪進(jìn)行了化學(xué)成分分析，從而探究兩個(gè)車輪的化學(xué)組成是否合格。在1#號車輪中，Si、Mg、Ti、Sr、Fe、P、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ca、Pb、Sn元素的化學(xué)百分比含量分別為7.28、0.329、0.12、0.0147、0.131、0.001、0.0035、0.0032、0.0018、0.007、0.0081、0.001、0.0014、0.0025，剩余元素為Al。

在2#號車輪中，Si、Mg、Ti、Sr、Fe、P、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ca、Pb、Sn元素的化學(xué)百分比含量分別為6.86、0.283、0.134、0.011、0.116、0.001、0.0036、0.0027、0.0017、0.0076、0.0086、0.001、0.0012、0.0025，剩余元素為Al。化學(xué)成分分析結(jié)果表明，1#號和2#號車輪的化學(xué)組成成分合格，符合要求。

二、金相分析

金相分析是研究金屬材料的一重要方法之一，依據(jù)定量金相學(xué)的原理，通過測量和計(jì)算二維金相樣品磨面或薄膜的金相顯微組織，可以確定合金組織的三維空間形貌，最終可以得到合金成分、組織和性能間的關(guān)系。通過將圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于金相分析，具有精度高速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以大大地提高工作效率。

1#號和2#號產(chǎn)品的金相圖如圖1所示，金相分析的結(jié)果表明：1#號和2#號車輪存在極其細(xì)小的空隙缺陷，α鋁枝晶細(xì)小，與共晶體均勻分布。共晶Si呈細(xì)小圓顆粒狀，少量呈小條塊狀，金相顯微鏡下1#號和2#號產(chǎn)品未見明顯區(qū)別。

三、機(jī)械性能分析

機(jī)械性能是指金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，對1#號和2#號車輪進(jìn)行了機(jī)械性能測試，1#號的屈服強(qiáng)度約為206MPa～215MPa，抗拉強(qiáng)度約為249MPa～264MPa，延伸率約為1.9%～2.7%；2#號的屈服強(qiáng)度約為201MPa～212MPa，抗拉強(qiáng)度約為237MPa～262MPa，延伸率約為1.5%～2.9%。機(jī)械性能測試結(jié)果表明，1#號和2#號車輪機(jī)械性能差異不大。

四、斷口分析

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，采取用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。斷口是斷裂失效中兩斷裂分離面的簡稱，由于斷口真實(shí)地記錄了各種與斷裂有關(guān)的信息，因此斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學(xué)、斷裂化學(xué)和斷裂物理等諸多因素綜合作用的結(jié)果。對斷口進(jìn)行分析，可以為斷裂失效模式的確定提供有力證據(jù)，為斷裂失效原因的分析提供線索。

如圖2所示，利用顯微鏡對1#號和2#號車輪的斷口處進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，1#號車輪的斷口存在一處裂紋源（如圖中紅色框內(nèi)部位），裂紋源附近存在褶皺形貌，裂紋源存在氧化膜，氧化膜長約1mm，寬約100μm～300μm。對于2#號車輪，斷口存在兩處裂紋源，根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向可判定裂紋源1為初始裂紋源，顯微鏡下觀察斷口未見明顯缺陷。分析認(rèn)為，正是由于1#號車輪應(yīng)力集中位置存在氧化膜，導(dǎo)致1#號車輪的彎曲試驗(yàn)壽命較低。

結(jié)論

在兩個(gè)批次的鋁合金車輪中，與2#號車輪相比，1#號車輪的彎曲試驗(yàn)壽命低。分析結(jié)果表明，1#號車輪和2#號車輪的化學(xué)組成成分合格，機(jī)械性能差異不大，金相顯微鏡下未見明顯區(qū)別，但1#號車輪的應(yīng)力集中位置存在氧化膜，分析認(rèn)為這是導(dǎo)致1#號車輪彎曲試驗(yàn)壽命低的主要原因。

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