【摘要】 對(duì)380CL鋼汽車車輪進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)，隨后對(duì)輪輻進(jìn)行了疲勞斷口分析和金相檢驗(yàn)，包括夾雜物的形態(tài)、分布和成分，以揭示輪輻疲勞失效的原因。結(jié)果表明：疲勞裂紋萌生于輪輻表面，這與微動(dòng)磨損有關(guān)；在振動(dòng)和法向力的共同作用下，輪輻表面以下形成了深度約100 μm的變形層；輪輻內(nèi)存在較多尺寸為4 ～6 mm 的球狀?yuàn)A雜物，加速了高周疲勞階段裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致輪輻的疲勞壽命降低。
【關(guān)鍵詞】 輪輻，彎曲疲勞試驗(yàn)，裂紋，夾雜物
隨著重載運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，重載汽車的需求量越來(lái)越大，這對(duì)車輪的安全性和可靠性提出了更高的要求。車輪是汽車底盤系統(tǒng)中最重要的結(jié)構(gòu)件［1-4］，除承載車身質(zhì)量外，還要承受彎曲和交變扭轉(zhuǎn)載荷，起承載、驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等作用，其性能將影響整車的安全性［5-7］。疲勞開(kāi)裂是汽車運(yùn)行中車輪的主要失效形式［3-4，8-9］，在周期性載荷的作用下，車輪的疲勞損傷積累到一定程度就會(huì)斷裂，具有不可預(yù)見(jiàn)性和隱蔽性，危害性極大。因成本優(yōu)勢(shì)和安全性，商用車普遍使用鋼質(zhì)車輪，通常由輪輞和輪輻焊接而成。輪輞在閃光對(duì)焊后采用滾壓成形，是車輪周邊安裝和支撐輪胎的重要零件。輪輻通常采用旋壓成形，是車輪上介于車軸和輪輞之間的重要支承件，因此要求車輪用鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、可成形性、焊接性及耐疲勞性能等。車輪在使用前必須進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試，其中彎曲疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的測(cè)試項(xiàng)目。本文研究了380CL 鋼輪輻在彎曲疲勞試驗(yàn)中疲勞失效的原因。
1、 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
研究用380CL 汽車車輪鋼的生產(chǎn)工藝為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄→熱軋，精煉采用Ca處理，從強(qiáng)度、成形性能和焊接性能要求等方面考慮，采用低碳錳成分體系，并添加微量的Nb和Ti，一方面可以細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度，另一方面也可提高材料的可焊性。380CL鋼的化學(xué)成分如表1 所示。
表1 汽車車輪用380CL鋼的化學(xué)成分
Table 1 Chemical composition of 380CL steel for automotive wheel
380CL鋼的抗拉強(qiáng)度為409 MPa，屈服強(qiáng)度為282 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為35%。熱軋采用3 ＋3 的粗軋工藝，中間坯厚度為50 mm；精軋經(jīng)過(guò)7 架次軋制，層流冷卻采用前段集中冷卻，熱軋卷厚度為13. 5 mm。熱軋卷的抗拉強(qiáng)度為409 MPa，屈服強(qiáng)度為282 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為35%。380CL鋼的顯微組織為鐵素體和少量珠光體，鐵素體晶粒度為10 級(jí)，無(wú)帶狀組織，如圖1 所示。
圖1 380CL鋼的顯微組織
Fig.1 Microstructures of the 380CL steel
1.2 彎曲疲勞試驗(yàn)
車輪的彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)被驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置，車輪固定不動(dòng)承受旋轉(zhuǎn)彎矩；或使車輪在一個(gè)固定彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，如圖2 所示。為對(duì)車輪施加彎矩，在加載臂上施加一個(gè)平行于車輪安裝面的載荷。加載系統(tǒng)保持設(shè)定的載荷，試驗(yàn)設(shè)備安裝臺(tái)的表面光潔平整，且與車輪在車輛上采用的連接件具有相同的裝配特性。試驗(yàn)對(duì)連接件表面硬度、螺孔或螺栓位置均有一定要求，試驗(yàn)彎矩、輪胎與路面間的摩擦因數(shù)等相關(guān)參數(shù)按GB／T 5909—2021《商用車車輪彎曲和徑向疲勞性能要求及試驗(yàn)方法》設(shè)定，車輪尺寸為19. 05 ～57.15 cm，試驗(yàn)力為3 550 kg。彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
圖2 車輪彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖
Fig.2 Schematic diagram of bending fatigue testing for the wheel
表2 380CL鋼車輪的彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果
Table 2 Bending fatigue testing results of the 380CL steel wheel
2、試驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1 疲勞失效的輪輻
從表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然輪輻達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的25 萬(wàn)次疲勞壽命，但在循環(huán)次數(shù)達(dá)到42.4 萬(wàn)次左右時(shí)檢測(cè)到了疲勞裂紋，裂紋出現(xiàn)在輪輻的螺栓孔處，如圖3（a）所示。裂紋出現(xiàn)在輪輻與試驗(yàn)臺(tái)（車輪連接件）的接觸面，延伸至螺栓孔內(nèi)壁，輪輻螺栓孔周圍還有明顯的褐色磨損痕跡，是典型的微動(dòng)磨損形貌，磨損深度不同，如圖3（b，c）所示。
圖3 失效輪輻的疲勞裂紋
Fig.3 Fatigue crack on the failed wheel disc
采用線切割從疲勞失效的螺栓孔處取樣，檢測(cè)裂紋部位的微觀組織、夾雜物及斷口形貌，如圖4（a）所示。同時(shí)，在靠近螺栓孔內(nèi)壁裂紋處切取斷口試樣，在開(kāi)裂區(qū)域取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。在螺栓孔內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損，連接螺栓在螺孔內(nèi)壁靠近裂紋一側(cè)出現(xiàn)明顯的螺紋壓痕，如圖4（b）所示。說(shuō)明在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，由于輪輻與連接件之間發(fā)生了滑移從而導(dǎo)致螺栓傾斜與內(nèi)壁接觸，產(chǎn)生壓痕，這也從另一方面驗(yàn)證了疲勞試驗(yàn)過(guò)程中輪輻發(fā)生了微動(dòng)磨損。在失效輪輻其他螺栓孔中相同方向的內(nèi)壁也發(fā)現(xiàn)有這種現(xiàn)象。
圖4 失效輪輻（a）及從裂紋部位切取的試樣（b）
Fig.4 Failed wheel disc（a）and the specimen cut from crack place（b）
從裂紋處的宏觀組織可知，裂紋萌生于輪輻的上下表面并向內(nèi)部擴(kuò)展，兩處裂紋均未貫穿輻壁，如圖5（a）所示。由于輪輻兩個(gè)面的裂紋均未貫穿，取樣時(shí)用外力沿疲勞斷裂面將輪輻斷開(kāi)，得到圖5（b ～c）所示的白亮色斷口。
圖5 失效輪輻疲勞斷口的宏觀形貌
Fig.5 Macroscopic appearance of fatigue fracture of the failed wheel disc
褐色區(qū)域?yàn)槠跀嗫?，在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過(guò)反復(fù)摩擦，斷口表面較光滑。另外，由于斷口已出現(xiàn)嚴(yán)重氧化（圖6），疲勞輝紋不明顯，如圖5（d）所示。盡管斷口污染較嚴(yán)重，但仍可看出裂紋起始于輪輻表面，擴(kuò)展方向與厚度方向呈約30°的角，向螺栓孔內(nèi)壁方向擴(kuò)展至螺栓孔內(nèi)壁。
圖6 疲勞裂紋的能譜分析
Fig.6 Energy spectrum analysis of the fatigue crack
2.2 輪輻的顯微組織
如圖7 所示，失效輪輻的顯微組織與圖1 所示的380CL 鋼卷的一致，為鐵素體和珠光體，且在輪輻厚度方向晶粒細(xì)小均勻，輪輻中心有輕微偏析。因?yàn)槠诹鸭y的萌生及擴(kuò)展未達(dá)到中心區(qū)域，因此中心偏析不會(huì)導(dǎo)致疲勞失效。
圖7 疲勞失效輪輻表面以下1／2（a）和1／4（b）厚度處的顯微組織
Fig.7 Microstructures at 1／2（a）and 1／4（b）thickness below surface of the fatigue-failed wheel disc
從斷口形貌可知，在彎曲疲勞試驗(yàn)中，連接件或螺栓墊片在與輪輻的接觸面發(fā)生了微動(dòng)磨損，致使輪輻的上下表面發(fā)生塑性變形，如圖8 所示。從圖8（b，d）可明顯看出，裂紋起始于晶粒變形區(qū)，其擴(kuò)展方向基本與晶粒變形方向一致，即摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。變形層深度可達(dá)100 mm，并且裂紋附近變形層更深。從圖8（b，d）可知，輪輻上下表面開(kāi)裂處的晶粒變形深度分別為110 和128 mm。
圖8 輪輻上（a，b）、下（c，d）表面的顯微組織
Fig.8 Microstructures of upper（a，b）and lower（c，d）surface of the wheel disc
檢測(cè)疲勞裂紋周圍的夾雜物發(fā)現(xiàn)，輪輻D 類夾雜物較多，如圖9（a）所示。夾雜物尺寸約4 ～6 mm，如圖9（e，f）所示。夾雜物尺寸小、數(shù)量多，選一個(gè)較差視場(chǎng)評(píng)定為D2.0 細(xì)系。裂紋附近均有這類夾雜物，對(duì)裂紋的擴(kuò)展有一定影響，如圖9（b ～d）所示。
圖9 輪輻疲勞裂紋附近的夾雜物
Fig.9 Inclusions near the fatigue crack in the wheel disc
對(duì)疲勞裂紋邊部一球形夾雜物進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果顯示，該夾雜物具有鎂鋁尖晶石結(jié)構(gòu)，如圖10（a ～b）所示。對(duì)另一球形夾雜物進(jìn)行面掃描，結(jié)果表明，這類球形夾雜物內(nèi)部為Al2O3 和MgO，外層為Mn、Ca、Ti的硫化物，如圖10（c）所示。
圖10 失效輪輻內(nèi)夾雜物的能譜分析（a，b）和面掃描分析（c）
Fig.10 Energy spectrum analysis（a，b）and linear scanning analysis（c）of inclusions in the failed wheel disc
2.3 輪輻疲勞開(kāi)裂分析
如上所述，裂紋在螺栓孔邊緣的上下表面產(chǎn)生，沿表面和壁厚方向擴(kuò)展。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，車輪輪輻與試驗(yàn)臺(tái)用螺栓固定，由于兩者之間存在微米級(jí)的間隙，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸面發(fā)生微動(dòng)損傷。
在彎曲疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，輪輻的失效與微動(dòng)磨損有關(guān)。微動(dòng)疲勞［10-12］是指在循環(huán)載荷的作用下，相互接觸的表面在法向力作用下互相擠壓并產(chǎn)生往復(fù)相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)幅度為5 ～400 μm，產(chǎn)生小振幅相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致部件疲勞強(qiáng)度降低或早期斷裂。在摩擦表面法向力和振動(dòng)的作用下，產(chǎn)生粘合點(diǎn)和表面?zhèn)蹋谕a(chǎn)生于試樣表面或有缺陷處或最大應(yīng)力處，最終成為疲勞裂紋的起始點(diǎn)。
如圖11 所示，失效輪輻的組織為圖1 所示的鐵素體和少量珠光體，其變形性能良好。在彎曲疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，輪輻上下表面在車輪連接件和螺栓墊片夾緊力、摩擦力的作用下發(fā)生如圖8 所示的塑性變形，塑性變形區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，導(dǎo)致塑性變形受阻，因此變形層深度僅約100 ～130 mm。輪輻表面發(fā)生微動(dòng)磨損，在循環(huán)載荷的作用下輪輻表面應(yīng)力集中區(qū)即晶粒變形層產(chǎn)生裂紋。
圖11 輪輻彎曲疲勞試驗(yàn)過(guò)程中初始（a）和高周（b）階段微動(dòng)疲勞的示意圖
Fig.11 Schematic diagrams of fretting fatigue at initial（a）and high cycle（b）stages during bending fatigue testing for the wheel disc
在循環(huán)載荷的持續(xù)作用下，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。而輪輻內(nèi)有大量如圖10 所示的球狀?yuàn)A雜物，其變形性能差，導(dǎo)致基體與夾雜物的變形不一致，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種效應(yīng)加劇，并在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋快速向這些應(yīng)力集中點(diǎn)擴(kuò)展。如圖9、圖10 所示，夾雜物尺寸小于10 mm，且形態(tài)為鈣處理后的包覆類球形夾雜物，對(duì)成形和焊接等加工的影響不明顯［13-14］，但會(huì)惡化疲勞性能，所以在低周疲勞階段夾雜物的影響較小，在高周疲勞階段影響較大，導(dǎo)致380CL 鋼輪輻的彎曲疲勞壽命僅為42.4 萬(wàn)次。為進(jìn)一步提高輪輻的彎曲疲勞性能，尤其是螺栓孔部位的微動(dòng)疲勞，在車輪用鋼的冶煉流程尤其是精煉工序，應(yīng)優(yōu)化鈣處理工藝，確保有足夠的鋼包底吹（靜吹）時(shí)間提高鋼水質(zhì)量。
3、 結(jié)論
（1）疲勞裂紋從輪輻的上下表面萌生并向內(nèi)部擴(kuò)展，疲勞壽命為42.4 萬(wàn)次時(shí)，裂紋未貫穿幅壁。
（2）在彎曲疲勞試驗(yàn)中，輪輻表面與試驗(yàn)墊片和連接件之間在循環(huán)載荷的作用下產(chǎn)生微動(dòng)磨損，并產(chǎn)生疲勞裂紋。
（3）在彎曲疲勞試驗(yàn)中，在法向壓力和振動(dòng)力的作用下，輪輻表面形成了深約100 mm 的塑性變形層，疲勞試驗(yàn)初期裂紋的擴(kuò)展方向與變形方向一致。
（4）輪輻內(nèi)有較多的尺寸為4 ～6 mm的球形夾雜物，加速了高周疲勞階段裂紋的擴(kuò)展，降低了輪輻的疲勞壽命。
參考文獻(xiàn)
［1］HU J，DU L X，WANG J J，et al. Cooling process and mechanical properties design of hot- rolled low carbon high strength microalloyed steel for automotive wheel usage［J］.Materials and Design，2014，53：332-337.
［2］許珞萍，邵光杰，李麟，等. 汽車輕量化用金屬材料及其發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.上海金屬，2002，24（3）：1-7.
［3］JHA G，DAS S，LODH A，et al. Development of hot rolled steel sheet with 600 MPa UTS for automotive wheel application［J］.Materials Science and Engineering A，2012，552：457-463.
［4］DEY A，JUGADE H，JAIN V，et al. Cracking phenomena in automotive wheels：an insight［J］. Engineering Failure Analysis，2019，105：1273-1286.
［5］張明博，劉效云，高建國(guó)，等. C380CL鋼車輪焊縫開(kāi)裂原因分析［J］.上海金屬，2019，41（3）：34-38.
［6］馬鳴圖，SHI M F.先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用［J］.鋼鐵，2004，39（7）：68-72.
［7］祖榮祥.熱軋高強(qiáng)度鋼的研究及在汽車車輪上的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，1994（12）：23-27.
［8］康永林，朱國(guó)明.中國(guó)汽車發(fā)展趨勢(shì)及汽車用鋼面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.鋼鐵，2014，49（12）：1-7.
［9］張大偉，杜林秀，肖寶亮，等.乘用車輪輻用600 MPa 級(jí)熱軋雙相鋼失效原因分析［J］. 金屬熱處理，2018，43（7）：224-228.
［10］OUNPANICHA D，MUTOH Y，YOSHII K. Plain fatigue and fretting fatigue behavior of hot- rolled steel sheet after cold spinning［J］. Materials Science and Engineering A，2009，509（1／2）：14-22.
［11］蔣小松，何國(guó)求，何冰，等.材料的微動(dòng)疲勞機(jī)理及防護(hù)措施的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（12）：10-14.
［12］ZHENG J F，LUO J，MO J L，et al. Fretting wear behaviors of a railway axle steel［J］. Tribology International，2010，43（5／6）：906-911.
［13］楊振國(guó)，張繼明，李守新，等. 高周疲勞條件下高強(qiáng)鋼臨界夾雜物尺寸估算［J］. 金屬學(xué)報(bào)，2005，41（11）：1136-1142.
［14］溫瀚. SCX400 車輪鋼非金屬夾雜物控制工藝研究與實(shí)踐［J］.煉鋼，2020，36（6）：54-60.
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
