鋼制車輪疲勞失效案例分析

摘要： 針對3個鋼制車輪在彎曲疲勞和徑向疲勞試驗過程中提前失效的問題，利用斷口掃描、能譜面掃描、顯微組織和低倍組織等試驗分析了材料和加工工藝對車輪疲勞性能的影響。結(jié)果表明，材料中小尺寸夾雜物聚集，輪輞和輪輻合成焊接、輪輞閃光對焊的參數(shù)不當(dāng)均會導(dǎo)致車輪疲勞性能的削弱。

關(guān)鍵詞：鋼制車輪 彎曲疲勞 徑向疲勞 夾雜物 焊接

中圖分類號：TH14" "文獻標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240122

Case Study on Fatigue Failure of Steel Wheels

Liu Lu， He Xian Yong， Zhao Guang

（Tangshan Iron and Steel Group Co.， Ltd. Technical Center， Tangshan 063016）

Abstract： Aiming to three cases of premature failure of steel wheels during bending fatigue and radial fatigue tests， this paper analyzes the influence of materials processing technology on wheel fatigue performance using fracture scanning， energy spectrum surface scanning， microstructure， and low magnification experiments. The shows that the aggregation of small-sized inclusions in materials， improper parameters in the synthesis welding of wheel rims and spokes， and incorrect parameters for flash welding of wheel rims all lead to the weakening of wheel fatigue performance.

Key words： Steel wheels， Bending fatigue， Radial fatigue， Inclusions， Welding

1 前言

車輪作為汽車簧下旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，輕量化節(jié)能效果遠(yuǎn)高于簧上構(gòu)件。盡管鋼制車輪相比于鋁合金、鎂合金及復(fù)合材料等輕質(zhì)車輪質(zhì)量較大，但其成本低，安全性能高，因此在商用車中仍占有很大比例[1]。鋼制車輪輕量化過程中的重要問題是車輪的疲勞性能。由于高強度車輪鋼的應(yīng)用，車輪的成形、焊接難度增大，影響車輪的強度及疲勞特性。車輪質(zhì)量減輕、材料厚度減薄，對鋼材本身的質(zhì)量也提出了更為嚴(yán)格的要求。本文針對3個高強度鋼制車輪在彎曲疲勞和徑向疲勞試驗中的失效案例，分析了材料和車輪加工因素對鋼制車輪疲勞性能的影響，以期為提升鋼制車輪疲勞性能提供借鑒。

2 鋼制車輪疲勞試驗測試要求

鋼制車輪疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)為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》。該標(biāo)準(zhǔn)包含彎曲疲勞和徑向疲勞2個車輪疲勞測試項目。其中，彎曲疲勞試驗?zāi)M汽車在載重工況下轉(zhuǎn)彎行駛過程中車輪的受力情況，主要測試輪輻的性能指標(biāo)。彎曲疲勞試驗機存在旋轉(zhuǎn)裝置，將車輪安裝于試驗設(shè)備上，可采用2種方式施加動態(tài)彎矩：車輪在固定的彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，或車輪靜止不動，承受旋轉(zhuǎn)的彎矩。車輪也有底部夾緊或頂部夾緊2種固定方式，故鋼制車輪彎曲疲勞試驗包括4種約束、加載方式，如圖1所示。在圖1中，F(xiàn)為載荷，L為力臂長度，d為內(nèi)偏距。

車輪的徑向疲勞試驗?zāi)M汽車在載重工況下直線行駛時車輪的受力狀態(tài)，主要檢驗輪輞的受力特性。圖2所示為車輪徑向疲勞試驗示意。該裝置包含一個可被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓和車輪固定座，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動時帶動與其接觸的車輪反向旋轉(zhuǎn)，同時可更改轉(zhuǎn)鼓與車輪軸線的間距，調(diào)整施加于車輪徑向載荷的大小。

選用車輪制造商選定型號的輪胎，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定輪胎氣壓，將車輪輪胎總成安裝完畢，車輪螺栓擰緊至規(guī)定力矩，待完成規(guī)定試驗循環(huán)次數(shù)，用滲透法檢查車輪裂紋。

3 失效案例分析

3.1 彎曲疲勞輪輻螺栓孔開裂失效分析

某批次鋼制車輪進行彎曲疲勞試驗抽檢，輪輞材質(zhì)為590CL，輪輻材質(zhì)為380CL。根據(jù)試驗要求施加載荷3 550 kg，強化系數(shù)1.6，最低循環(huán)次數(shù)20萬次。通常抽檢樣品的疲勞壽命均在100萬次左右，此次抽檢的疲勞壽命僅為42.4萬次，較之前壽命存在大幅下降。疲勞失效部位在輪輻的螺栓孔部位，如圖3所示。

宏觀形貌觀察裂紋出現(xiàn)在輪輻的螺栓孔處，其沿輪輻的表面和板厚方向擴展。將輪輻螺栓孔開裂部位切割，如圖4a所示，裂紋在螺栓孔的上、下表面同時產(chǎn)生，疲勞失效時尚未完全貫穿板材厚度，用力掰開后可見顏色發(fā)暗的疲勞斷口和顏色發(fā)亮的掰開斷口。

從圖4b的斷口處可以看到，裂紋源從表面起始，隨著疲勞損傷的加大，沿厚度方向向內(nèi)擴展，依次形成擴展區(qū)和斷裂區(qū)。

該批次輪輻380CL的顯微組織和力學(xué)性能如圖5和表1所示，其中d為彎心直徑，a為試樣厚度。顯微組織為鐵素體和珠光體的混合組織，晶粒尺寸細(xì)小均勻，拉伸及彎曲的性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對開裂部位螺栓孔沿厚度方向的顯微組織和夾雜物進行分析，如圖6所示。輪輻材料的組織為多邊形鐵素體和珠光體混合組織，中心部位存在輕微偏析（圖6c），其對疲勞性能的影響不大。厚度方向上、下表面由于與螺栓墊塊及車輪連接件接觸，在載荷作用下發(fā)生了塑性變形，形成了厚度約為125 [μm]的塑性變形區(qū)，裂紋源在此區(qū)域產(chǎn)生（如圖6a和圖6e所示）。圖6f為下表面裂紋部位的掃描圖像，在裂紋周邊發(fā)現(xiàn)了大量D類夾雜物，尺寸為4[～]5 [μm]，數(shù)量眾多，電鏡能譜掃描顯示夾雜物類型基本相同，選取某尺寸為5 [μm]左右的夾雜物面掃結(jié)果，如圖7所示，其夾雜物內(nèi)核主要是Al2O3和MgO，外層包裹MnS和CaS，為硫化物包裹氧化物的復(fù)合夾雜。

數(shù)量眾多的小尺寸D類夾雜對成形及焊接等一次加工過程影響不明顯，但會削弱持續(xù)加載的疲勞性能。彎曲疲勞工況下，輪輻的失效模式主要為微動疲勞，即在循環(huán)載荷的作用下，表面某一部位與其他接觸表面產(chǎn)生小振幅相對滑動而導(dǎo)致部件疲勞強度降低或早期斷裂的現(xiàn)象。其是相對靜止的2個固體，相互接觸的表面在法向壓力作用下互相擠壓并產(chǎn)生往復(fù)的相對滑動，相對滑動幅度為5～400 μm[2]。

微動疲勞失效的原理如圖8所示，380CL的組織為鐵素體和珠光體混合組織，變形能力良好，但內(nèi)部存在大量環(huán)狀氧化物類夾雜，夾雜物變形能力差，試驗過程中不發(fā)生變形，疲勞循環(huán)加載過程中，輪輻上、下表面在車輪連接件和螺栓墊塊的作用下發(fā)生塑性變形，而硬度高的夾雜物不變性，二者變形協(xié)調(diào)能力差，隨著循環(huán)次數(shù)增加，塑變區(qū)會產(chǎn)生大量的位錯，變形開始變得困難，而夾雜物的存在會加劇這種效應(yīng)，并在夾雜物周邊形成應(yīng)力集中，繼續(xù)加載就會成為裂紋源。同時，由于螺栓孔部位存在幾何效應(yīng)的應(yīng)力集中，所以裂紋將先在螺栓孔邊緣的上、下表面形成，然后沿表面和板厚方向擴展。正常壽命輪輻螺栓孔部位并未檢出大量相關(guān)夾雜，可見大量小尺寸夾雜的聚集仍然會對車輪的疲勞性能造成損害，鋼材生產(chǎn)中應(yīng)控制小尺寸夾雜物的數(shù)量。

3.2 彎曲疲勞輪輞和輪輻合成焊縫開裂失效分析

輪輞、輪輻分別采用650CL、590CL，分別加工完成后采用氣體保護焊進行合成焊接（圖9），焊接過程出現(xiàn)焊接氣孔，對焊接氣孔部位補焊后進行彎曲疲勞臺架試驗，試驗壽命要求大于50萬次，實際壽命39萬次，未達到標(biāo)準(zhǔn)要求，裂紋出現(xiàn)在輪輞與輪輻合成焊接的焊縫處，如圖10所示，焊縫的起弧點或收弧點通常是焊接缺陷最易產(chǎn)生的部位，從圖中可以看出，焊縫疲勞失效的裂紋源在補焊的收弧點位置，然后沿著補焊焊縫和原始焊縫分別擴展，宏觀形貌看，補焊焊縫部位的裂紋長度更大，說明補焊部位裂紋擴展更深入。

切取焊縫中的開裂部位，將其分成如圖11所示的A、B、C三段進行金相顯微組織觀察，其中A段檢測原始焊縫金相組織，B段檢測補焊焊縫金相組織。圖12所示為補焊部位和原始焊接部位的裂紋宏觀形貌，可見補焊焊縫處裂紋已貫穿焊縫，原始焊縫部位則未出現(xiàn)貫穿。圖13所示為焊縫處的低倍形貌，原始焊縫為單道焊縫，補焊焊縫為兩道焊，補焊焊縫的熱影響區(qū)較單道焊寬。原始焊縫未出現(xiàn)裂紋，補焊焊縫裂紋起始于焊根，隨著疲勞損傷的加大，沿焊層方向向外擴展，依次形成擴展區(qū)和斷裂區(qū)，最終貫穿整個焊縫導(dǎo)致車輪失效。

商用車車輪承載力大、車輪尺寸和板厚也較大，其輪輻和輪輞的合成焊縫多采用滿焊結(jié)構(gòu)，而乘用車的輪輞輪輻合成焊接則采用斷續(xù)焊結(jié)構(gòu)（如四段焊或者八段焊）。對于滿焊結(jié)構(gòu)的合成焊縫，實際運行時疲勞裂紋多出現(xiàn)在焊趾處，裂紋萌生后向輪輞擴展，最后，裂紋穿過輪輞出現(xiàn)漏氣而使疲勞失效。斷續(xù)焊實際運行發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋多出現(xiàn)在焊縫的起弧點或者收弧點的焊根處，然后向輪輞擴展，待裂紋穿透輪輞導(dǎo)致漏氣而失效，如圖14所示[3]。補焊焊縫相當(dāng)于在滿焊結(jié)構(gòu)上增加斷續(xù)焊的工藝，所以其焊接裂紋起始點與斷續(xù)焊相同，在焊根部位，焊縫的起弧點和收弧點又是最易產(chǎn)生缺陷的部位，所以裂紋起始位置應(yīng)為補焊焊縫的收弧點焊根處，不同于滿焊和斷續(xù)焊結(jié)構(gòu)裂紋產(chǎn)生后向輪輞擴展的情況，此次失效的焊縫裂紋產(chǎn)生后沿焊縫擴展，并貫穿整個焊縫，這是因為補焊熱循環(huán)導(dǎo)致原始焊縫的組織及性能惡化，需對其顯微組織進一步觀察。

如圖15所示為補焊焊縫與原始焊根處組織對比，可見補焊焊縫的熱影響區(qū)明顯大于原始焊縫，熱影響區(qū)晶粒尺寸也更大，因而其力學(xué)性能會低于原始焊縫，導(dǎo)致疲勞工況下提前產(chǎn)生裂紋。因此，對于焊接過程中出現(xiàn)問題的焊縫，補焊工序需特別慎重。

3.3 徑向疲勞輪輞閃光焊縫開裂失效分析

將厚度為4.5 mm的590CL加工輪輞和厚度11.0 mm的440CL加工輪輻焊接加工完成后安裝輪胎進行動態(tài)徑向疲勞試驗，在規(guī)定的加載載荷條件下完成50萬次試驗為合格，實際測試結(jié)果為43.5萬次，在輪輞的R角部位出現(xiàn)開裂，實物觀察裂紋出現(xiàn)在輪輞的閃光對焊的焊縫位置（圖16）。為分析開裂原因，選取相同批次試驗通過的合格樣品進行對比分析。

在失效樣品和合格樣品的相同部位切取焊縫接頭金相樣品，如圖17所示。

閃光對焊的焊縫接頭按組織形貌可大致劃分為界面區(qū)（FUSION LINE）、粗晶區(qū)（CZ）、細(xì)晶區(qū)（FZ）和部分重結(jié)晶區(qū)（PZ）4個部分，圖17中BM區(qū)域為母材。圖17中各區(qū)的顯微組織如圖18所示。界面區(qū)位于接頭中心，焊接熱循環(huán)峰值溫度接近固相線，組織主要為針狀鐵素體和粒狀貝氏體。與界面區(qū)相鄰的為粗晶區(qū)，其熱循環(huán)峰值溫度在1 300 ℃至固相線之間，粗晶區(qū)組織與界面區(qū)組織類似，主要為粒狀貝氏體組織，且在失效焊縫的粗晶區(qū)發(fā)現(xiàn)少許魏氏組織，這在正常焊縫的粗晶區(qū)是不存在的。與粗晶區(qū)緊鄰的區(qū)域為細(xì)晶區(qū)，其焊接峰值溫度在Ac3線至1 300 ℃之間，該區(qū)經(jīng)歷快速加熱和快速冷卻2次重結(jié)晶相變，晶粒明顯細(xì)化，主要組織為細(xì)小的鐵素體和珠光體。部分重結(jié)晶區(qū)位于細(xì)晶區(qū)和母材之間，焊接熱循環(huán)峰值溫度在Ac1線至Ac3線之間，該區(qū)部分金屬經(jīng)歷重結(jié)晶相變，其余仍保持原始組織形貌，相較于母材，帶狀已基本消除[4]。

由圖17可見失效焊縫的一側(cè)熱影響區(qū)寬度為7.6 mm，而正常焊縫的一側(cè)熱影響區(qū)寬度僅為5.8 mm，在材料和板厚相同的情況下，熱影響區(qū)寬度不同，表明二者的焊接熱輸入存在差異，失效焊縫的熱輸入更大。低倍形貌發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)于焊接接頭的粗晶區(qū)，裂紋源起始于輪輞的外側(cè)，沿板厚擴展，最終貫穿整個板厚。

圖19a為失效樣品粗晶區(qū)裂紋形貌，主裂紋比較平直，表現(xiàn)出明顯的脆性特征，且主裂紋伴隨二次裂紋，在粗晶區(qū)的其他部位亦發(fā)現(xiàn)開裂的裂紋源（圖19b）。

圖20a為失效焊縫斷口的宏觀形貌，可以觀察到其裂紋源、擴展區(qū)及斷裂區(qū)。其中斷口中的擴展區(qū)呈現(xiàn)明顯的河流花樣，如圖20b所示，其為典型的脆性斷口。粗晶區(qū)存在魏氏組織且呈現(xiàn)明顯的脆性，是因為其焊接過程的熱輸入過大，奧氏體停留過程較長，晶粒更粗大，圖21為失效焊縫與正常焊縫的硬度曲線對比，可見失效焊縫的熱影響區(qū)硬度整體偏高，同時其硬度梯度也更大，過大的硬度梯度會導(dǎo)致某些區(qū)域變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此會導(dǎo)致樣品提前失效。

通過查看現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，失效樣品為焊機調(diào)試完成后生產(chǎn)的第一批樣品，焊接參數(shù)并未處于完全穩(wěn)定的水平，可見焊接作為影響車輪疲勞性能的關(guān)鍵工序，相比于塑性成形更重要，因為塑性成形中產(chǎn)生的缺陷往往在生產(chǎn)中通過目測和工具測量即可發(fā)現(xiàn)，而焊接缺陷更具隱蔽性，此類熱影響區(qū)粗化導(dǎo)致材料脆性增加的情況很難通過生產(chǎn)檢驗發(fā)現(xiàn)，因此在生產(chǎn)中要重點關(guān)注焊機參數(shù)的變化，避免此類缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

本文通過3個典型的鋼制車輪疲勞失效案例，分析了彎曲和徑向加載工況下材料本身夾雜以及閃光焊縫和合成焊縫中缺陷導(dǎo)致的提前疲勞失效問題。應(yīng)注意材質(zhì)的純凈度控制，車輪加工過程中對輪輞對焊以及合成焊接工藝參數(shù)也要重點關(guān)注，材料和加工工藝，尤其是焊接工藝共同決定了車輪疲勞性能的優(yōu)劣。

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