QT500-10輪轂斷裂原因分析

蘇忠亮

(廈門市產品質量監督檢驗院,福建 廈門 361004)

車輛輪轂分為前輪轂和后輪轂，是指支撐輪胎的中心裝在軸上的金屬部件。輪轂的主要作用是與半軸連接,傳遞旋轉動力,驅動車輪，保證車輛的正常行駛[1]。在汽車行駛過程中,輪轂的失效將導致交通事故的發生,嚴重時會造成人員傷亡和重大經濟損失。通過對輪轂進行失效分析，可以找出輪轂失效的原因，提出預防的措施和解決辦法,保證輪轂的質量和穩定性[2]。某車輛輪轂在使用不到三個月后發生斷裂，為了找出輪轂斷裂原因，避免類似事故再發生，本文對該輪轂進行檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對該車輛輪轂基體材質進行取樣，樣品表面用砂輪機進行打磨，使用德國Spark-MAXx LMM14直讀光譜儀進行化學成分分析，測試三個位置的成分，取平均值，檢測結果見表1，可見該車輛輪轂的化學成分符合質量證明書上對QT500-10球墨鑄鐵化學成分的規定。

表1 斷裂輪轂的化學成分(質量分數)

1.2 硬度分析

依據《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》(GB/T 231.1-2018)，采用萊州華銀320HBS-3000數顯布氏硬度計進行硬度檢測，對斷裂輪轂和完好輪轂取樣進行檢測，分別標識為樣品1和樣品2，每個樣品的不同位置測3個硬度值，測試位置為樣品芯部。檢測結果顯示，樣品1三個不同位置的布氏硬度分別為192、188、191，樣品2三個不同位置的布氏硬度分別為202、203、205。可見斷裂輪轂和完好輪轂的硬度均能滿足《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對QT500-10規定的要求(170～230)，斷裂輪轂的硬度略低于完好輪轂。

1.3 拉伸性能分析

在斷裂輪轂和完好輪轂上分別截取1根拉伸試驗樣，標識為樣品1和樣品2。根據《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法進行檢測》(GB/T 228.1-2010)，采用長春科新WDW-100微控電子萬能試驗機進行檢測。檢測結果顯示，樣品1的抗拉強度為422 MPa，斷后伸長率為5.5%，樣品2的抗拉強度為532 MPa，斷后伸長率為16.5%，而QT500-10鑄鐵的抗拉強度應≥500 MPa，斷后伸長率應≥10%。可見斷裂輪轂試驗樣的抗拉強度和斷后伸長率明顯不足，不符合《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對QT500-10的拉伸性能的規定。

1.4 金相組織分析

依據《球墨鑄鐵金相檢驗》(GB/T 9441-2009)，金相視場放大100倍，少量小于2mm的石墨不計數，若石墨大多數小于2mm或者大于12mm時，則可適當放大或縮小倍數，視場內的石墨數一般不少于20顆。在斷裂輪轂和完好輪轂上分別制取1個金相試驗樣，經研磨、拋光后，在徠卡DMIRM金相光學顯微鏡下觀察。如圖1所示，斷裂輪轂的球化率差，平均球化率為58.2%，球化級別為6級，基體中的石墨難以呈球狀分布，導致輪轂的強度和韌性都大大降低。而完好輪轂的基體中石墨很好地呈球狀分布，平均球化率為85.3%，球化級別為3級。

(a)斷裂輪轂 (b)完好輪轂圖1 輪轂的金相顯微組織

1.5 斷口掃描電鏡分析

將樣品進行超聲波清洗后，使用蔡司MA-15掃描電鏡觀察斷裂輪轂的斷面形貌，如圖2可見，斷面表面有多處磨損痕跡存在，為輪轂開裂后仍繼續運行造成輪轂開裂截面之間或者開裂面與其他硬質顆粒之間摩擦導致的磨損。

圖2 斷裂輪轂斷面SEM掃描電鏡微觀組織

2 分析討論

由化學成分檢測結果可知，該斷裂輪轂化學成分符合質量證明書上對QT500-10球墨鑄鐵化學成分的規定，但斷裂輪轂的抗拉強度和斷后延伸率明顯不足，不能滿足《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對QT500-10拉伸性能的要求，導致輪轂在復雜的高強度工作應力作用下，超過其最大負載而發生斷裂。從斷裂輪轂的金相顯微組織觀察可知，由于斷裂輪轂的球化率差，平均球化率僅為58.2%，所以造成該輪轂的強度和韌性較低。球墨鑄鐵是通過球化處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性[3]。該斷裂輪轂的的球狀石墨較少，蠕狀和條狀石墨較多，這種石墨分布在基體中，容易割裂基體，減小有效承載面積，加大材料的脆性。輪轂球化率差主要由以下幾個原因造成：①P、S等雜質元素會干擾球化過程；②球化劑、孕育劑量不足和球化孕育工藝不當；③控制澆注溫度過高。而高的球化率可以將基體的割裂作用降到最小，保證材料的整體穩定性，提高材料的強度和韌性。同時無法呈球狀分布的石墨在其尖角處容易發生應力集中，當輪轂受到較大的工作應力時，在應力集中區容易萌生裂紋，再加上蠕狀和條狀石墨割裂基體強度，造成的裂紋快速擴展，最終發生斷裂。

3 結論

造成輪轂斷裂的主要原因，一方面是該球墨鑄鐵球化率不足，石墨割裂基體作用明顯，導致有效承載面積減小，加大材料的脆性；另一方面，無法呈球狀分布的石墨在其尖角處容易應力集中，當受到較大應力時，容易萌生裂紋，發生斷裂。

提高球墨鑄鐵球化率的措施有以下三點：①控制P、S等雜質元素，減少球化干擾元素；②選擇合適的球化劑、孕育劑和球化孕育工藝，可以提高石墨球整度；③選擇合適的澆注溫度和澆注時間。