两批次铝合金车轮的弯曲失效分析

阴学朴

摘 要：铝合金车轮是使用范围广泛的汽车车轮，本文利用化学成分分析、金相分析、机械性能分析和断口分析等手段对两个批次的铝合金车轮进行了弯曲失效分析，探究了车轮的失效原因。

关键词：铝合金车轮；弯曲失效；机械性能分析

中图分类号：U467 文献标识码：A

车轮是车辆中用来安装轮胎并承担轮胎与车桥间载荷的重要部件，由于铝合金车轮具有省油、增加发动机寿命、散热性好、精度高、坚固耐用和美观的优点，现在大部分的车型都采用了铝合金车轮。本文通过对两个铸造批次的铝合金车轮进行弯曲失效分析，研究了1#和2#车轮的弯曲试验寿命和失效原因，从而为下一步车轮性能的优化提供理论依据。1#号车轮的铸造批次号为Y2238159183，2#号车轮的铸造批次号为Y133015857；1#号车轮的热处理批次号为Y880，2#号车轮的热处理批次号为Y877，1#号车轮的转数为4200894，2#号车轮的转数为10056511。

一、化学成分分析

对1#号车轮和2#号车轮进行了化学成分分析，从而探究两个车轮的化学组成是否合格。在1#号车轮中，Si、Mg、Ti、Sr、Fe、P、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ca、Pb、Sn元素的化学百分比含量分别为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，剩余元素为Al。

在2#号车轮中，Si、Mg、Ti、Sr、Fe、P、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ca、Pb、Sn元素的化学百分比含量分别为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，剩余元素为Al。化学成分分析结果表明，1#号和2#号车轮的化学组成成分合格，符合要求。

二、金相分析

金相分析是研究金属材料的一重要方法之一，依据定量金相学的原理，通过测量和计算二维金相样品磨面或薄膜的金相显微组织，可以确定合金组织的三维空间形貌，最终可以得到合金成分、组织和性能间的关系。通过将图像处理系统应用于金相分析，具有精度高速度快的优点，可以大大地提高工作效率。

1#号和2#号产品的金相图如图1所示，金相分析的结果表明：1#号和2#号车轮存在极其细小的空隙缺陷，α铝枝晶细小，与共晶体均匀分布。共晶Si呈细小圆颗粒状，少量呈小条块状，金相显微镜下1#号和2#号产品未见明显区别。

三、机械性能分析

机械性能是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，对1#号和2#号车轮进行了机械性能测试，1#号的屈服强度约为206MPa～215MPa，抗拉强度约为249MPa～264MPa，延伸率约为1.9%～2.7%；2#号的屈服强度约为201MPa～212MPa，抗拉强度约为237MPa～262MPa，延伸率约为1.5%～2.9%。机械性能测试结果表明，1#号和2#号车轮机械性能差异不大。

四、断口分析

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，采取用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。断口是断裂失效中两断裂分离面的简称，由于断口真实地记录了各种与断裂有关的信息，因此断口上的各种断裂信息是断裂力学、断裂化学和断裂物理等诸多因素综合作用的结果。对断口进行分析，可以为断裂失效模式的确定提供有力证据，为断裂失效原因的分析提供线索。

如图2所示，利用显微镜对1#号和2#号车轮的断口处进行了分析。结果表明，1#号车轮的断口存在一处裂纹源（如图中红色框内部位），裂纹源附近存在褶皱形貌，裂纹源存在氧化膜，氧化膜长约1mm，宽约100μm～300μm。对于2#号车轮，断口存在两处裂纹源，根据裂纹扩展方向可判定裂纹源1为初始裂纹源，显微镜下观察断口未见明显缺陷。分析认为，正是由于1#号车轮应力集中位置存在氧化膜，导致1#号车轮的弯曲试验寿命较低。

结论

在两个批次的铝合金车轮中，与2#号车轮相比，1#号车轮的弯曲试验寿命低。分析结果表明，1#号车轮和2#号车轮的化学组成成分合格，机械性能差异不大，金相显微镜下未见明显区别，但1#号车轮的应力集中位置存在氧化膜，分析认为这是导致1#号车轮弯曲试验寿命低的主要原因。

参考文献

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