汽車車輪用380CL鋼的彎曲疲勞試驗

何先勇 趙 光 馬騰飛 張 征 郭 隆

（河鋼唐鋼技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

隨著重載運輸行業(yè)的發(fā)展，重載汽車的需求量越來越大，這對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、轉(zhuǎn)向和制動等作用，其性能將影響整車的安全性［5-7］。疲勞開裂是汽車運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斷裂，具有不可預(yù)見性和隱蔽性，危害性極大。因成本優(yōu)勢和安全性，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)行多項測試，其中彎曲疲勞試驗是一項重要的測試項目。本文研究了380CL 鋼輪輻在彎曲疲勞試驗中疲勞失效的原因。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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鋼的抗拉強度為409 MPa，屈服強度為282 MPa，斷后伸長率為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。熱軋卷的抗拉強度為409 MPa，屈服強度為282 MPa，斷后伸長率為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，無帶狀組織，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

車輪的彎曲疲勞試驗設(shè)備包括一個被驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)裝置，車輪固定不動承受旋轉(zhuǎn)彎矩；或使車輪在一個固定彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，如圖2 所示。為對車輪施加彎矩，在加載臂上施加一個平行于車輪安裝面的載荷。加載系統(tǒng)保持設(shè)定的載荷，試驗設(shè)備安裝臺的表面光潔平整，且與車輪在車輛上采用的連接件具有相同的裝配特性。試驗對連接件表面硬度、螺孔或螺栓位置均有一定要求，試驗彎矩、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方法》設(shè)定，車輪尺寸為19. 05 ～57.15 cm，試驗力為3 550 kg。彎曲疲勞試驗結(jié)果如表2 所示。

圖2 車輪彎曲疲勞試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of bending fatigue testing for the wheel

表2 380CL鋼車輪的彎曲疲勞試驗結(jié)果Table 2 Bending fatigue testing results of the 380CL steel wheel

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 疲勞失效的輪輻

從表3 疲勞試驗結(jié)果可以看出，雖然輪輻達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的25 萬次疲勞壽命，但在循環(huán)次數(shù)達(dá)到42.4 萬次左右時檢測到了疲勞裂紋，裂紋出現(xiàn)在輪輻的螺栓孔處，如圖3（a）所示。裂紋出現(xiàn)在輪輻與試驗臺（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，在靠近螺栓孔內(nèi)壁裂紋處切取斷口試樣，在開裂區(qū)域取樣進(jìn)行金相檢驗。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。說明在疲勞試驗過程中，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，這也從另一方面驗證了疲勞試驗過程中輪輻發(fā)生了微動磨損。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)部擴展，兩處裂紋均未貫穿輻壁，如圖5（a）所示。由于輪輻兩個面的裂紋均未貫穿，取樣時用外力沿疲勞斷裂面將輪輻斷開，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)域為疲勞斷口，在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過反復(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，擴展方向與厚度方向呈約30°的角，向螺栓孔內(nèi)壁方向擴展至螺栓孔內(nèi)壁。

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。因為疲勞裂紋的萌生及擴展未達(dá)到中心區(qū)域，因此中心偏析不會導(dǎo)致疲勞失效。

從斷口形貌可知，在彎曲疲勞試驗中，連接件或螺栓墊片在與輪輻的接觸面發(fā)生了微動磨損，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)，其擴展方向基本與晶粒變形方向一致，即摩擦副相對運動的方向。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，選一個較差視場評定為D2.0 細(xì)系。裂紋附近均有這類夾雜物，對裂紋的擴展有一定影響，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展。疲勞試驗過程中，車輪輪輻與試驗臺用螺栓固定，由于兩者之間存在微米級的間隙，試驗過程中發(fā)生微小的相對運動，接觸面發(fā)生微動損傷。

在彎曲疲勞試驗過程中，輪輻的失效與微動磨損有關(guān)。微動疲勞［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)相對滑動，滑動幅度為5 ～400 μm，產(chǎn)生小振幅相對滑動，導(dǎo)致部件疲勞強度降低或早期斷裂。在摩擦表面法向力和振動的作用下，產(chǎn)生粘合點和表面?zhèn)?，疲勞往往產(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。

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。在彎曲疲勞試驗過程中，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)會產(chǎn)生大量位錯，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 輪輻彎曲疲勞試驗過程中初始（a）和高周（b）階段微動疲勞的示意圖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)一步擴展。而輪輻內(nèi)有大量如圖10 所示的球狀夾雜物，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)力集中點擴展。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，對成形和焊接等加工的影響不明顯［13-14］，但會惡化疲勞性能，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)部擴展，疲勞壽命為42.4 萬次時，裂紋未貫穿幅壁。

（2）在彎曲疲勞試驗中，輪輻表面與試驗墊片和連接件之間在循環(huán)載荷的作用下產(chǎn)生微動磨損，并產(chǎn)生疲勞裂紋。

（3）在彎曲疲勞試驗中，在法向壓力和振動力的作用下，輪輻表面形成了深約100 mm 的塑性變形層，疲勞試驗初期裂紋的擴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展，降低了輪輻的疲勞壽命。