制動鼓開裂原因分析

文 閏衛(wèi)衛(wèi) 劉蘇柳 尹克強(qiáng)

汽車制動鼓是汽車重要的功能部件，也是衡量汽車安全性能最主要的部件，同時(shí)也是日常檢修中首當(dāng)其沖被檢查的部件，相關(guān)資料顯示，制動鼓失效主要有五種形式：龜裂、開裂、掉底、磨損過大、非正常磨損。下面主要討論造成前兩種斷裂形式的一個(gè)主要原因——高溫激冷產(chǎn)生的熱疲勞斷裂。

采樣方案和檢驗(yàn)依據(jù)

一、采樣方案

本次對制動鼓產(chǎn)品的樣品來源是汽車修理廠替換下來的報(bào)廢產(chǎn)品，從石家莊、藁城和正定三個(gè)地區(qū)的六個(gè)修理廠采購30個(gè)樣品，所選擇的修理廠規(guī)模都相對較大，所涉及的車輛種類較多，產(chǎn)品型號較多，而且這些修理廠的服務(wù)對象也遍布全國各地，所以此次采購的樣品具有一定的代表性如圖1。

此次抽取的樣品破壞位置和破壞程度都有所不同，從而可以使分析者能夠更全面地掌握該樣品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖1

從樣品外觀分析，大多數(shù)樣品的損害位置為摩擦面產(chǎn)生裂紋，而制動鼓產(chǎn)生裂紋的原因是，車輛下山行駛過久制動鼓會產(chǎn)生高溫，如果在下坡后馬上涉水，制動鼓遇水而急劇收縮，于是制動鼓摩擦面沿軸線方向產(chǎn)生裂紋，這種裂紋隨繼續(xù)制動而延長，最后制動鼓破裂。有些制動鼓在保修時(shí)發(fā)現(xiàn)其摩擦表面呈現(xiàn)一片片亮晶晶斑痕，這就是制動鼓在高溫時(shí)又遇水而造成的。

二、檢測依據(jù)

本次分析主要依據(jù)GB/T 7216-2009《灰鑄鐵金相》、GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T9439-2010《灰鑄鐵件》、JB/T7711-2007《灰鑄鐵件熱處理》等標(biāo)準(zhǔn)。

制動鼓龜裂、開裂的產(chǎn)生原因和證實(shí)

通過從汽車維修廠找來的30個(gè)制動鼓中選擇了5個(gè)有龜裂、開裂特征的制動鼓作為樣本，并在其裂紋密集處取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。取樣方法為：在鼓壁與制動器襯片接觸的工作面上裂紋密集處切下（切割時(shí)未產(chǎn)生高溫以防發(fā)生相變）2cm見方的一塊鋼錠，標(biāo)明鋼錠的內(nèi)外壁并對應(yīng)樣本編好號。制好樣后將其進(jìn)行金相拋光和腐蝕（5%硝酸酒精溶液常溫腐蝕15秒），獲得如下圖組織。

圖2.1 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

圖2.2 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

圖2.3 失效制動鼓試塊金相鼓腐蝕后表面

初步觀察腐蝕后的試樣表面不難發(fā)現(xiàn)每塊試樣都有一到兩塊顏色較深的斑塊，而斑塊往往垂直于裂紋延伸方向平行于制動摩擦力方向，而且往往處于裂紋的中間位置。由此不難猜想深色斑塊是因?yàn)橹苿庸墓ぷ鲿r(shí)產(chǎn)熱不均而產(chǎn)生的局部高溫急速冷卻形成的相變組織，而裂紋首先從相變中心位置產(chǎn)生并垂直于制動摩擦力方向兩邊延伸，延伸至未相變的組織處結(jié)束。為證明以上猜想，本文作者對五個(gè)腐蝕后的樣品依次在400x的金相顯微鏡下觀察并拍了金相照片如下：

圖2.4 一號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.5 二號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.6 三號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.7 四號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

圖2.8 五號試塊深色斑塊處金相組織（400×）

通過這幾個(gè)圖不難發(fā)現(xiàn)：五個(gè)試塊的局部深色部位都經(jīng)過了高溫（727℃以上）并發(fā)生了淬火相變，最終生成了回火索氏體或回火屈氏體，因?yàn)榻M織太細(xì)，鐵素體與滲碳體在光鏡下很難分辨其界限，所以僅能觀察到暗黑的組織。隨后本文作者又對裂紋處做了100倍的顯微觀察并拍攝圖片，從中選取了幾幅典型圖片羅列如下。

圖2.9 一號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.10 二號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.11 三號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.12 四號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

圖2.13 五號試塊裂紋處金相組織（100×未腐蝕）

經(jīng)過對五個(gè)試樣裂紋的觀察可以發(fā)現(xiàn)：整個(gè)裂紋延伸方向較直，裂紋沿著石墨方向擴(kuò)展并幾乎不變方向地從一個(gè)石墨尖端連向另一個(gè)石墨尖端，呈樹枝狀，有明顯的脆性斷裂特征，但當(dāng)裂紋延伸到未相變的區(qū)域時(shí)裂紋整體走向變彎曲，并且最終止于與裂紋整體走向呈大角度的某條石墨邊緣。據(jù)此可以推測失效制動鼓的局部在達(dá)到高于相變溫度的同時(shí)受到極速冷卻，使該部位基體變?yōu)榇阌步M織。該組織脆性大且含有大量的殘余相變應(yīng)力，當(dāng)受到頻繁的復(fù)合應(yīng)力（因制動動作產(chǎn)生的法向壓應(yīng)力和切向摩擦應(yīng)力和制動生熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力）作用一段時(shí)間后，該部位的某些應(yīng)力集中處（碳化物的尖角或石墨的尖端等處）所受的合成應(yīng)力大于該質(zhì)點(diǎn)材料的斷裂強(qiáng)度，就萌生了最初的裂紋。隨著裂紋的延伸，延伸到有一定塑性的未相變基體組織時(shí)，基體可通過塑性變形松弛一部分應(yīng)力，再加上裂紋的尖端因塑性變形而產(chǎn)生了形變強(qiáng)化，因此裂紋的延伸路徑變得曲折，同時(shí)應(yīng)力集中程度隨著路徑的彎曲而慢慢減輕最終使裂紋消失于基體之中。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此推論，我們還做了以下模擬其工況的熱疲勞試驗(yàn)。

制動鼓的高溫激冷熱疲勞試驗(yàn)

一、制樣

從失效制動鼓未受高溫相變影響的法蘭底兒上用線切割切出一個(gè)長寬1.5cm高為壁厚的方錠，將被線切割面的殘余應(yīng)力影響層磨去（注意在磨削時(shí)不要產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力），最后將鋼錠所有表面粗糙度都處理到≤3.2μm。

二、試驗(yàn)操作

將試件加熱到880℃保溫一分鐘，取出迅速放入20℃水里冷卻，如此循環(huán)操作，直至肉眼觀察到裂紋為止，吹干，進(jìn)行金相觀察。

三、試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)，30個(gè)試塊依次在31、14、35、28、41、29、36、28、30、26、28、32、33、37、29、34、27、33、28、37、28、30、33、36、27、30、32、40、29、30次高溫激冷時(shí)出現(xiàn)肉眼可觀察的裂紋。并且裂紋形態(tài)與制動鼓失效部位吻合。

四、結(jié)論

高溫激冷產(chǎn)生的熱疲勞斷裂確實(shí)是制動鼓龜裂、開裂的一個(gè)主要原因。