论文部分内容阅读
摘 要：汽车车轮在汽车运行时同时受到弯矩和冲击等多种载荷，车轮弯曲疲劳试验是检测车轮的力学性能指标的一项重要实验。本文针对铝合金车轮弯曲疲劳试验的实验原理和试验过程做了介绍，对于疲劳实验失效进行了具体的分析，根据试验后车轮尺寸的变化、断裂处断口形貌特征和对车轮进行渗透探伤结果的对比、判断和分析，进一步明确造成车轮疲劳失效的原因和影响因素等问题。
关键词：铝合金车轮；弯曲疲劳试验；失效分析
1 铝合金车轮弯曲疲劳实验介绍
汽车车轮的优劣直接影响着汽车整体性能，包括对行驶稳定性、安全性的影响，对驾驶操控性的影响，对乘客乘坐舒适性的影响，对汽车加速和制动性能的影响等。车轮的优劣已经同汽车油耗一样，成为衡量整车质量和档次高低的重要指标之一。根据国内和国际标准化组织的规定，车轮在出厂前必须通过冲击试验、径向疲劳试验和动态弯曲疲劳试验等实验方式对车轮性能进行试验。其中动态弯曲疲劳实验通常也简称为弯曲疲劳实验，具体实验过程如下。
试样旋转同时承受一定的弯矩。由力产生的弯矩恒定不变并且不转动或者车轮固定不动，而承受一个旋转的弯矩（见图1和图2）。
试样可在一处或两处固定轮毂进行悬臂试验，也可四点固定轮毂进行横梁试验。直至试样失效或超出预定应力循环周期。采用的国标为GB/T5334-2005，试验装置如图1。
按照车轮的实际安装情况，对螺母施加扭矩最低值的115%的载荷，螺母不加润滑剂将车轮固定于试验装置上，保持试验连接件和车轮配合面的清洁。试验时为保持车轮上的螺栓和螺母配合的可靠性，可多次紧固。加载系统需控制规定的载荷，误差在±2.5%范围内。如果螺栓在试验过程中失效破坏，更换螺栓后仍可继续试验。高速旋转下，此装置可能会因摩擦产生大量热量，对实验结果产生较大影响。试验弯矩由公式M=（μR+d）FS确定。其中M、μ、R、d、F、S分别表示弯矩、轮胎与道路之间的磨擦系数、静负荷半径、车轮偏距、车轮最大额定载荷、强化试验系数。
失效判定依据：
①达到规定的循环周期后车轮出现可见的疲劳裂纹；
②车轮出现其他失效形式致使车轮无法完成其所需的循环周期；
③未达到所要求的循环周期之前，试验中加载处的偏移量超过初始偏移量的20%。
试验过程：本试验所用的镁铝合金车轮轮毂成形方式采用低压铸造铝合金轮毂成形工艺，热处理方式采用T6处理后完全人工时效，T6处理是目前铸造铝合金轮毂常用的热处理方式之一，这是由于固溶处理时铸件可析出大量硅化镁微粒，此析出相对铸件的硬化影响较大，使轮毂组织强度增加，其处理工艺规范：固溶处理（538±5）℃，为了让溶质原子全部溶入基体，我公司选择固溶时间为5小时。为了使硅化镁在时效处理时能够均匀分布于铸件内，淬火介质选择水，温度在60-80℃，淬火转移时间为30s；时效处理温度138±5℃，保温3-4小时以上。本实验分别对两组实验对象进行实验：实验组1试验对象为4号车轮；试验组2试验对象为6号车轮。两车轮都是用压铸成形技术生产的。
两实验组车轮试验条件如下：
试验组1：车轮加载3600N·m转矩，运行大约253万转。
试验组2：车轮加载3600N·m转矩，运行大约1173万转。
试验结果：
试验组1：轮辐开裂；
试验组2：轮辐和轮心出现裂纹。
根据上述试验结果图可得出以下结论：
①试验组2中的6号车轮的轮辐和4号车轮轮辐裂纹较深。
②6号车轮出现裂纹的轮辐的裂纹都较深。
③根据试验结果可知，试验组1中出现裂纹的轮辐是临近的两轮辐，而试验组2中出现裂纹的轮辐是相对的两轮辐，可能是由于6号车轮质量较4号车轮均匀一些。因此，为了研究导致弯曲疲劳试验出现失效结果的可能原因，本文后续内容将分别从车轮尺寸的角度、端口形貌、剖切样渗透分析等几个方面对疲劳失效的原因进行研究。
2 铝合金车轮弯曲疲劳失效原因分析
2.1 车轮尺寸测量的研究
由于轮辐的薄厚对疲劳强度影响较大，因此，本节从车轮尺寸的角度对两试验组中的车轮轮辐进行研究，对两试验组中车轮的尺寸进行测量并记录其值。
通过对两试验组中的车轮进行尺寸测量，其研究结果如下：
①6号轮辐厚度比4号轮辐厚度均值大36um，但表中可见6号开裂的轮辐1的厚度值最大，而其它开裂的轮辐的厚度值并非轮辐的最值，因而轮辐厚度可能与其是否开裂无相关联系。
②表中可见6号车轮法兰厚度比4号车轮法兰厚度厚484um。然而由于6号车轮法兰漆厚，而且在清洗过程中法兰下端的锈迹无法除去，并且6号车轮法兰的锈迹较4号车轮多一些，因而可能是6号车轮在进行尺寸测量时误差较大。
③综合两轮毂的测量结果可看出两轮轮辐厚度差距较小，几乎无差别，车轮尺寸对其轮弯曲疲劳性能影响可能不大，影响其出现不同疲劳失效结果可能另有原因。
2.2 断口形貌研究
疲劳断口记录了整个断裂过程的所有信息，因此，对端口形貌的研究具有重要的意义。疲劳断裂形成的断口具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，这些特征不仅受到材料自身的属性的影响还受到材料所承受的外载荷及工作环境的影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要手段。
从宏观角度来看，疲劳断口包括疲劳裂纹产生到未断裂前的扩展区和最后断裂区两部分组成。试验时，采用人工机械方式将两试验组中出现开裂或裂纹处分离。根据在电镜扫描（SEM）下观察的断口形貌特征可得出下列结论：
①人工断裂断口形貌显示4号车轮较6号车轮断面暗些，而且4号车轮轮辐人工断面呈现很多亮点，较6号轮辐存在较多的微小缩松等缺陷。
②6号轮辐人工断裂断口中部亮点较少，断面呈现细腻的灰白色，只有边缘部位存在一些亮点，其原因可能是车轮轮辐中心部位的Si相变质较边缘部位好。
③疲劳裂纹断口部分由于弯曲疲劳试验已被碾压，未发现明显铸造缺陷。
2.3 渗透探伤研究
渗透探伤是在被检工件上浸涂可以渗透的带有荧光的或红色的染料，利用渗透剂的渗透作用，显示表面缺陷痕迹的一种无损检测方法。为了检查轮毂铸件的内部损伤，对铸件进行渗透探伤研究。首先在两个车轮的相同部位取剖切样，用600目砂纸研磨铸件表面后进行渗透探伤。根据渗透探伤结果，得出结论如下：从剖切面渗透探伤结果可看出4号轮辐中微小缩松比6号多一些，但总体而言都不严重。
关键词：铝合金车轮；弯曲疲劳试验；失效分析
1 铝合金车轮弯曲疲劳实验介绍
汽车车轮的优劣直接影响着汽车整体性能，包括对行驶稳定性、安全性的影响，对驾驶操控性的影响，对乘客乘坐舒适性的影响，对汽车加速和制动性能的影响等。车轮的优劣已经同汽车油耗一样，成为衡量整车质量和档次高低的重要指标之一。根据国内和国际标准化组织的规定，车轮在出厂前必须通过冲击试验、径向疲劳试验和动态弯曲疲劳试验等实验方式对车轮性能进行试验。其中动态弯曲疲劳实验通常也简称为弯曲疲劳实验，具体实验过程如下。
试样旋转同时承受一定的弯矩。由力产生的弯矩恒定不变并且不转动或者车轮固定不动，而承受一个旋转的弯矩（见图1和图2）。
试样可在一处或两处固定轮毂进行悬臂试验，也可四点固定轮毂进行横梁试验。直至试样失效或超出预定应力循环周期。采用的国标为GB/T5334-2005，试验装置如图1。
按照车轮的实际安装情况，对螺母施加扭矩最低值的115%的载荷，螺母不加润滑剂将车轮固定于试验装置上，保持试验连接件和车轮配合面的清洁。试验时为保持车轮上的螺栓和螺母配合的可靠性，可多次紧固。加载系统需控制规定的载荷，误差在±2.5%范围内。如果螺栓在试验过程中失效破坏，更换螺栓后仍可继续试验。高速旋转下，此装置可能会因摩擦产生大量热量，对实验结果产生较大影响。试验弯矩由公式M=（μR+d）FS确定。其中M、μ、R、d、F、S分别表示弯矩、轮胎与道路之间的磨擦系数、静负荷半径、车轮偏距、车轮最大额定载荷、强化试验系数。
失效判定依据：
①达到规定的循环周期后车轮出现可见的疲劳裂纹；
②车轮出现其他失效形式致使车轮无法完成其所需的循环周期；
③未达到所要求的循环周期之前，试验中加载处的偏移量超过初始偏移量的20%。
试验过程：本试验所用的镁铝合金车轮轮毂成形方式采用低压铸造铝合金轮毂成形工艺，热处理方式采用T6处理后完全人工时效，T6处理是目前铸造铝合金轮毂常用的热处理方式之一，这是由于固溶处理时铸件可析出大量硅化镁微粒，此析出相对铸件的硬化影响较大，使轮毂组织强度增加，其处理工艺规范：固溶处理（538±5）℃，为了让溶质原子全部溶入基体，我公司选择固溶时间为5小时。为了使硅化镁在时效处理时能够均匀分布于铸件内，淬火介质选择水，温度在60-80℃，淬火转移时间为30s；时效处理温度138±5℃，保温3-4小时以上。本实验分别对两组实验对象进行实验：实验组1试验对象为4号车轮；试验组2试验对象为6号车轮。两车轮都是用压铸成形技术生产的。
两实验组车轮试验条件如下：
试验组1：车轮加载3600N·m转矩，运行大约253万转。
试验组2：车轮加载3600N·m转矩，运行大约1173万转。
试验结果：
试验组1：轮辐开裂；
试验组2：轮辐和轮心出现裂纹。
根据上述试验结果图可得出以下结论：
①试验组2中的6号车轮的轮辐和4号车轮轮辐裂纹较深。
②6号车轮出现裂纹的轮辐的裂纹都较深。
③根据试验结果可知，试验组1中出现裂纹的轮辐是临近的两轮辐，而试验组2中出现裂纹的轮辐是相对的两轮辐，可能是由于6号车轮质量较4号车轮均匀一些。因此，为了研究导致弯曲疲劳试验出现失效结果的可能原因，本文后续内容将分别从车轮尺寸的角度、端口形貌、剖切样渗透分析等几个方面对疲劳失效的原因进行研究。
2 铝合金车轮弯曲疲劳失效原因分析
2.1 车轮尺寸测量的研究
由于轮辐的薄厚对疲劳强度影响较大，因此，本节从车轮尺寸的角度对两试验组中的车轮轮辐进行研究，对两试验组中车轮的尺寸进行测量并记录其值。
通过对两试验组中的车轮进行尺寸测量，其研究结果如下：
①6号轮辐厚度比4号轮辐厚度均值大36um，但表中可见6号开裂的轮辐1的厚度值最大，而其它开裂的轮辐的厚度值并非轮辐的最值，因而轮辐厚度可能与其是否开裂无相关联系。
②表中可见6号车轮法兰厚度比4号车轮法兰厚度厚484um。然而由于6号车轮法兰漆厚，而且在清洗过程中法兰下端的锈迹无法除去，并且6号车轮法兰的锈迹较4号车轮多一些，因而可能是6号车轮在进行尺寸测量时误差较大。
③综合两轮毂的测量结果可看出两轮轮辐厚度差距较小，几乎无差别，车轮尺寸对其轮弯曲疲劳性能影响可能不大，影响其出现不同疲劳失效结果可能另有原因。
2.2 断口形貌研究
疲劳断口记录了整个断裂过程的所有信息，因此，对端口形貌的研究具有重要的意义。疲劳断裂形成的断口具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，这些特征不仅受到材料自身的属性的影响还受到材料所承受的外载荷及工作环境的影响，因此对疲劳断口的分析是研究疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要手段。
从宏观角度来看，疲劳断口包括疲劳裂纹产生到未断裂前的扩展区和最后断裂区两部分组成。试验时，采用人工机械方式将两试验组中出现开裂或裂纹处分离。根据在电镜扫描（SEM）下观察的断口形貌特征可得出下列结论：
①人工断裂断口形貌显示4号车轮较6号车轮断面暗些，而且4号车轮轮辐人工断面呈现很多亮点，较6号轮辐存在较多的微小缩松等缺陷。
②6号轮辐人工断裂断口中部亮点较少，断面呈现细腻的灰白色，只有边缘部位存在一些亮点，其原因可能是车轮轮辐中心部位的Si相变质较边缘部位好。
③疲劳裂纹断口部分由于弯曲疲劳试验已被碾压，未发现明显铸造缺陷。
2.3 渗透探伤研究
渗透探伤是在被检工件上浸涂可以渗透的带有荧光的或红色的染料，利用渗透剂的渗透作用，显示表面缺陷痕迹的一种无损检测方法。为了检查轮毂铸件的内部损伤，对铸件进行渗透探伤研究。首先在两个车轮的相同部位取剖切样，用600目砂纸研磨铸件表面后进行渗透探伤。根据渗透探伤结果，得出结论如下：从剖切面渗透探伤结果可看出4号轮辐中微小缩松比6号多一些，但总体而言都不严重。