兩批次鋁合金車輪的彎曲失效分析

陰學樸

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

關鍵詞：鋁合金車輪；彎曲失效；機械性能分析

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A

車輪是車輛中用來安裝輪胎并承擔輪胎與車橋間載荷的重要部件，由于鋁合金車輪具有省油、增加發動機壽命、散熱性好、精度高、堅固耐用和美觀的優點，現在大部分的車型都采用了鋁合金車輪。本文通過對兩個鑄造批次的鋁合金車輪進行彎曲失效分析，研究了1#和2#車輪的彎曲試驗壽命和失效原因，從而為下一步車輪性能的優化提供理論依據。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#號車輪的轉數為4200894，2#號車輪的轉數為10056511。

一、化學成分分析

對1#號車輪和2#號車輪進行了化學成分分析，從而探究兩個車輪的化學組成是否合格。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。化學成分分析結果表明，1#號和2#號車輪的化學組成成分合格，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，依據定量金相學的原理，通過測量和計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、組織和性能間的關系。通過將圖像處理系統應用于金相分析，具有精度高速度快的優點，可以大大地提高工作效率。

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

三、機械性能分析

機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#號車輪進行了機械性能測試，1#號的屈服強度約為206MPa～215MPa，抗拉強度約為249MPa～264MPa，延伸率約為1.9%～2.7%；2#號的屈服強度約為201MPa～212MPa，抗拉強度約為237MPa～262MPa，延伸率約為1.5%～2.9%。機械性能測試結果表明，1#號和2#號車輪機械性能差異不大。

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，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生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。斷口是斷裂失效中兩斷裂分離面的簡稱，由于斷口真實地記錄了各種與斷裂有關的信息，因此斷口上的各種斷裂信息是斷裂力學、斷裂化學和斷裂物理等諸多因素綜合作用的結果。對斷口進行分析，可以為斷裂失效模式的確定提供有力證據，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#號車輪的斷口處進行了分析。結果表明，1#號車輪的斷口存在一處裂紋源（如圖中紅色框內部位），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，根據裂紋擴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。分析認為，正是由于1#號車輪應力集中位置存在氧化膜，導致1#號車輪的彎曲試驗壽命較低。

結論

在兩個批次的鋁合金車輪中，與2#號車輪相比，1#號車輪的彎曲試驗壽命低。分析結果表明，1#號車輪和2#號車輪的化學組成成分合格，機械性能差異不大，金相顯微鏡下未見明顯區別，但1#號車輪的應力集中位置存在氧化膜，分析認為這是導致1#號車輪彎曲試驗壽命低的主要原因。

參考文獻

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