輪胎失效分析取證

劉湘慧 編譯

(1.江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州 225721)

輪胎取證是對失效輪胎進(jìn)行結(jié)構(gòu)和方法分析，以確定其失效的根本原因。在收到故障輪胎后，取證專家將嘗試收集與故障根本原因相關(guān)的所有信息。然而，對最終失效之前可能發(fā)生事件排序通常是非常具有挑戰(zhàn)性的，因此很難確定根本原因。例如，在載重汽車子午線輪胎（TBR）中觀察到的三種主要失效模式是帶束層分離、胎圈區(qū)域失效和胎側(cè)分離。

每種失效模式的根本原因可能因情況而異，本文論述了鋼簾線的斷裂點(diǎn)分析。鋼簾線斷裂點(diǎn)的斷裂性質(zhì)與具體原因有關(guān)。本文詳細(xì)介紹了鋼簾線單絲的各種斷裂類型，并包括一個(gè)全鋼載重子午線輪胎在役失效的取證學(xué)分析案例，其中對鋼簾線斷裂點(diǎn)的微觀分析有助于確定失效原因。

1 輪胎取證學(xué)分析方法與工具

對任何在使用中出現(xiàn)輪胎故障的詳細(xì)分析各不相同。輪胎取證分析的基本結(jié)構(gòu)方法包括以下關(guān)鍵要素：①與特定故障輪胎相關(guān)取證分析的背景和目標(biāo)；②以結(jié)構(gòu)化模式收集有關(guān)輪胎的詳細(xì)信息；③測試和分析的詳細(xì)計(jì)劃；④樣品制備，執(zhí)行分析和測試；⑤由分析結(jié)果支持的關(guān)于最終失效前事件順序的假設(shè)；⑥確定可能的失效根本原因。

在輪胎的取證分析過程中，使用了多種工具并進(jìn)行了各種無損和破壞性試驗(yàn)。

X射線成像和剪切成像是兩種主要的無損分析工具。X射線圖像提供了有關(guān)帶束層和胎體簾布層中鋼簾線均勻性、接頭質(zhì)量和不同帶束層中的信息。剪切成像提供了輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣穴的信息。

樣品制備包括切割輪胎的相關(guān)部位，然后使用不同的手動工具和設(shè)備分離各層或部件，并使用切片機(jī)將樣品制備至所需厚度，以備后續(xù)試驗(yàn)。樣品制備、精細(xì)觀察和高分辨率圖像采集對于有效的取證學(xué)分析非常重要。

采用光學(xué)立體顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行的微觀分析，包括對界面、簾線斷裂類型、簾線橫截面和微動磨損的研究。

物理試驗(yàn)將用于研究部件的拉伸和動態(tài)機(jī)械性能。例如，鋼簾線帶束層和胎體簾布層之間的殘余附著力。

還將使用合適的分析設(shè)備進(jìn)行各種分析測試，包括成分分析、固化狀態(tài)、元素分析、是否存在異物、污染等。然后可以分析各種類型的斷裂機(jī)制。

2 不同類型斷裂模式

2.1 韌性斷裂

韌性斷裂與單軸拉伸載荷有關(guān)，導(dǎo)致軸向伸長和橫截面直徑減小。當(dāng)應(yīng)力增加超過彈性極限時(shí)，頸縮從最弱點(diǎn)開始，導(dǎo)致該位置直徑迅速減小，最后在該點(diǎn)斷裂。斷裂表面的性質(zhì)看起來像一個(gè)杯和一個(gè)錐，斷裂細(xì)絲的一端是錐，另一端是杯。圖1描繪了鋼簾線單絲上典型杯形和錐形斷裂表面的SEM圖像。在輪胎服役失效中，這種類型的斷裂通常是由于過載而發(fā)生。

圖1 典型杯錐斷裂SEM圖貌

2.2 疲勞斷裂

疲勞與循環(huán)應(yīng)力有關(guān)，因此與輪胎各部件高度相關(guān)。用于輪胎加固的鋼簾線在使用過程中經(jīng)歷了數(shù)百萬個(gè)循環(huán)的反復(fù)加載/卸載。疲勞導(dǎo)致的失效發(fā)生在拉伸試驗(yàn)過程中測得的拉伸載荷低得多的應(yīng)力下。在動態(tài)載荷條件下，會產(chǎn)生微觀裂紋，從而導(dǎo)致斷裂。

鋼簾線疲勞斷裂的特征是斷裂處表面的性質(zhì)點(diǎn)。圖2所示為失效輪胎中提取鋼簾線的典型疲勞斷裂。影響輪胎鋼簾線疲勞性能的因素有：載荷類型、路況、簾線幾何形狀、冶金因素和材料性能。

2.3 剪切斷裂

剪切斷裂是由斷裂面的特征性質(zhì)來識別的，斷裂面與鋼簾線的縱軸成一定角度（約45°），如圖3所示。這種類型的斷裂主要發(fā)生在使用過程中，當(dāng)輪胎受到路面特征（如坑洞、石塊或尖銳物體）某種形式的沖擊時(shí)，輪胎內(nèi)的鋼簾線在沖擊點(diǎn)處承受高壓縮力，從而導(dǎo)致剪切斷裂。

圖3 典型鋼簾線剪切斷裂

2.4 扭轉(zhuǎn)斷裂

扭轉(zhuǎn)破壞與鋼簾線的延性特性有關(guān)。有時(shí)鋼簾線在動態(tài)或沖擊載荷作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)裂紋。圖4描述了一個(gè)維修失效輪胎中鋼簾線的扭轉(zhuǎn)斷裂。

圖4 失效輪胎鋼簾線的扭轉(zhuǎn)斷裂

2.5 腐蝕斷裂

輪胎內(nèi)的鋼簾線腐蝕是由于輪胎損壞導(dǎo)致濕氣和空氣進(jìn)入。當(dāng)帶束層或胎體簾布層中的鋼簾線與濕氣和空氣（氧氣）接觸時(shí)，會發(fā)生腐蝕，并導(dǎo)致受影響簾線的強(qiáng)度降低。生銹還會導(dǎo)致橡膠和簾線之間的界面附著力喪失，成為開始分離的潛在位置。鋼簾線上的腐蝕很容易識別，如圖5所示。

圖5 鋼簾線腐蝕斷裂

3 案例研究

采用結(jié)構(gòu)化方法對一個(gè)維修失效輪胎進(jìn)行了案例研究，鋼簾線的斷裂分析是本研究的重點(diǎn)。

圖6 描繪了輪胎的故障部位。胎體簾布層斷裂是最終失效模式，其中約50 mm寬的胎體簾布層與肩部區(qū)域分離。輪胎為無內(nèi)胎TBR 295/80R22.5，剩余胎面深度為3~4 mm。它已經(jīng)行駛了大約80 000 km，在幾個(gè)地方胎面基礎(chǔ)暴露。整個(gè)胎面上的胎面磨損是有規(guī)律的，并且觀察到幾個(gè)胎面切口。

圖6 失效輪胎部位

3.1 各層的解剖

為了剝離構(gòu)成胎面、各帶束層、胎體簾布層和內(nèi)襯的單個(gè)部件，去除了包含故障區(qū)域的切割輪胎的304 mm部分。在拆除部分的胎面上觀察到12處單獨(dú)的胎面切口。每個(gè)切口都被圈起來，并用數(shù)字標(biāo)記，以跟蹤不同層的穿透水平。圖7描繪了帶有識別切割標(biāo)記的失效輪胎部分的各層和部件。在胎面上觀察到的12個(gè)切口中，5個(gè)穿透了第四層帶束層，4個(gè)穿透了第三層帶束層，2個(gè)穿透了第二層和第一層帶束層。這些切口大多導(dǎo)致鋼簾線斷裂。在斷口觀察到的腐蝕跡象表明，輪胎在這些切口下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到最終失效。

圖7 故障輪胎部分的不同部件

兩個(gè)切口（1和9）穿透了所有四層帶束層，也穿透了胎體簾布層并到達(dá)內(nèi)襯的上表面。

切口9未導(dǎo)致任何胎體簾布層斷裂，切口1僅導(dǎo)致一層胎體簾布層斷裂。值得注意的是，所有27條胎體簾布層簾線的最終失效發(fā)生在切口9附近。在第一層帶束層和胎體層之間觀察到分離跡象（撕裂痕跡）。切口9處胎體簾布層上的腐蝕痕跡（銹跡）表明水分滲出，從而導(dǎo)致胎體簾布層和第一層帶束層之間分離。

似乎這種分離發(fā)生在最終失效之前。撕裂痕表示在動態(tài)使用條件下兩層之間的分離。

表1 中的信息顯示了與失效截面相關(guān)的各種組件的解剖結(jié)構(gòu)。它還指示了每個(gè)胎面切口處不同帶束層和胎體簾布層的斷裂鋼簾線數(shù)量。

鋼簾線斷裂分析用掃描電鏡分析了不同帶束層和簾布層的簾線斷裂面。圖8描繪了每層帶束層代表性鋼簾線斷裂表面的SEM圖像。

圖8 帶束層不同部位典型鋼簾線斷裂面的SEM圖像

如本文前一節(jié)所述，大部分?jǐn)嗔衙鏋榧羟行秃透g型。剪切型斷裂表面表明受到尖銳物體的沖擊或經(jīng)過危險(xiǎn)道路。由于水分和滲水，鋼簾線斷裂表面受到腐蝕，這種腐蝕大多數(shù)鋼簾線實(shí)際斷裂表面看不到。由于剩余胎面深度非常低，尖銳物體造成的任何外部損壞滲水的可能性很高，從而導(dǎo)致鋼絲腐蝕。

圖9 顯示了胎體簾布層斷裂簾線的SEM圖像。1號深穿透切口導(dǎo)致一層胎體簾布層簾線斷裂。

圖9 胎體簾布層典型簾線斷裂面的SEM圖像

由于斷裂端的腐蝕，無法確定斷裂的實(shí)際類型，但最有可能是剪切型。在最終的斷裂區(qū)域，總共有27根胎體簾布層簾線斷裂。通過SEM對所有這些單絲進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它們都發(fā)生了韌性斷裂，如圖9所示。該區(qū)域鋼簾線的韌性斷裂表明，這是由于局部過載造成的。

4 總結(jié)

對失效輪胎的系統(tǒng)分析有助于形成有關(guān)在輪胎最終失效之前發(fā)生事件的假設(shè)，從而有助于確定該失效最可能的根本原因。

了解不同類型的斷裂及其原因有助于輪胎取證學(xué)分析，特別是在案例研究中討論的輪胎失效與簾線斷裂相關(guān)的情況下。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡是對輪胎增強(qiáng)材料進(jìn)行取證學(xué)分析和斷裂分析非常有效的工具。剪切、疲勞、韌性和腐蝕斷裂是常見的輪胎服役失效模式，理解這些對目前的案例研究有幫助。本案例研究結(jié)果可能適用于客戶服務(wù)目的和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)。