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「技术分析」铝合金车轮轮辐失效分析
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作者:chinacaw
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发布时间: 2020-03-12
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随着汽车轻量化的发展，铝合金由于其具有良好的力学性能、耐腐蚀性能、成型性能、回收潜能等优点，在汽车轻量化用材上得到了广泛的应用。在车轮上，铝合金材料、铸造以及加工的工艺过程和参数对车轮的质量起着决定性作用。因为承载需求，铝合金车轮需要具有特殊的抗疲劳强度和韧性指标，因此必须采取各种措施来强化这些方面的性能。压铸铝合金A356已成为制造车轮的首选材质。车轮轮辐断裂失效的原因有很多，包括材料本身的缺陷、材料的异变、过盈配合、磨损、疲劳、外力冲击等。在某铝合金车轮上，轮辐在经过约3 万km 的路面行驶耐久试验后发生了断裂。为了防止类似事件再次发生，文章对该轮辐断口进行分析，确定了断裂的性质，并对失效的原因进行了分析。
对断裂的轮辐进行宏观形貌分析，断裂位置及外观，如图1 所示。从图1a 可以看出，断裂起始于蓝框所示处外弧侧表面；在图1b 中可以看出，断裂沿箭头所指方向扩展；从图1c 可以看出，在试样表面有明显的涂漆防护层，在外弧面蓝框所示的起裂区对应的带状起伏平面交界处，可观察到一条宽约4 mm 的磨损带；图1d 示出金相制样及观察的宏观区域。
在扫描电镜下观察清洗后的实物断口微观形态，如图2 所示，在图2a 蓝框所标记处显示裂纹源存在一处深约0.5 mm、宽约1 mm 的原始缺陷，缺陷表面光滑。对缺陷部位取点进行能谱分析，如图3 所示。由元素能谱成分分析发现：由缺陷内层到外层，氧的质量分数从21%变化至37%，说明断口缺陷表面已经发生氧化。
1 试验材料及方法
失效件为铝合金轮毂上的轮辐试样，在进行路面综合测试时发生断裂。为分析轮辐断裂的原因，采用肉眼和体式显微镜对轮辐断口进行宏观形貌观察；采用扫描电子显微镜（SEM）对微观形貌进行观察；采用微束能谱（EDX）对微观元素进行能谱分析；采用蔡司金相显微镜对金相组织进行分析；采用布氏硬度试验机对硬度进行测试；采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP）对化学成分进行分析。2 试验结果
2.1 宏观形貌分析
对断裂的轮辐进行宏观形貌分析，断裂位置及外观，如图1 所示。从图1a 可以看出，断裂起始于蓝框所示处外弧侧表面；在图1b 中可以看出，断裂沿箭头所指方向扩展；从图1c 可以看出，在试样表面有明显的涂漆防护层，在外弧面蓝框所示的起裂区对应的带状起伏平面交界处，可观察到一条宽约4 mm 的磨损带；图1d 示出金相制样及观察的宏观区域。
图1 铝合金车轮轮辐断口的宏观形貌
2.2 微观形貌分析及能谱成分分析
在扫描电镜下观察清洗后的实物断口微观形态，如图2 所示，在图2a 蓝框所标记处显示裂纹源存在一处深约0.5 mm、宽约1 mm 的原始缺陷，缺陷表面光滑。对缺陷部位取点进行能谱分析，如图3 所示。由元素能谱成分分析发现：由缺陷内层到外层，氧的质量分数从21%变化至37%，说明断口缺陷表面已经发生氧化。
图2 铝合金车轮轮辐断口起裂区微观形态
图3 铝合金车轮轮辐断口起裂区能谱分析
