陳雪艷 張彥文 孫宜強(qiáng)

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 湖北 武漢：430080）

在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，重載車發(fā)揮著重要作用，其身影隨處可見，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到駕駛者及周邊人身安全。而重載車的各組件是其安全性的關(guān)鍵影響因素，車輪作為重載車的最終承載部件，構(gòu)成車輪的輪轂、輪輻、輪輞等的安全性能，均受到材料工作者密切關(guān)注。本文以某重載車輪輻與輪輞發(fā)生突然崩斷為例，從宏觀斷面特征和材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)兩方面，對斷裂性質(zhì)和斷裂原因進(jìn)行了分析和討論。

1 宏觀斷口觀察

某重載車在修理過程中輪輻緊固螺絲被拆卸完后，輪輻突然與輪輞發(fā)生崩斷。車輪輪輞和輪輻匹配斷口見圖1。

圖1 輪輞和輪輻匹配斷口

輪輻與輪輞通過焊接連接，輪輻盤斷口部位直徑約450mm，斷裂發(fā)生在輪輻與輪輞的焊接部位。斷口經(jīng)弱酸除銹后，可見整個斷面特征可分為三種類型：一種是平坦光滑的扇型區(qū)域，對照光線肉眼可見海灘狀弧線，屬疲勞斷面，疲勞分別發(fā)生于四個不連續(xù)的區(qū)域，但均起源于輪輻內(nèi)弧側(cè)的焊接部位，典型的扇型疲勞斷面如圖2。用鋼卷尺測量估算四個疲勞斷面區(qū)域面積共約占整個斷面面積的60%。

圖2 四個不連續(xù)的疲勞區(qū)域

第二種斷面特征為最終發(fā)生的金屬光澤明顯的放射狀瞬時斷口，人字紋走向明顯，主要存在于焊接部位附近的輪輞基體上，如圖3，面積約占35%；第三種為局部的剪切型撕斷區(qū)（剪切唇），約占5%；這二者均為輪輻最終破斷時產(chǎn)生的。

圖3 瞬斷口及細(xì)小剪切唇

從上述宏觀特征看，輪輻與輪輞的斷裂屬多源疲勞斷裂性質(zhì)，且疲勞源均起源于二者內(nèi)側(cè)的焊接圈部位。

2 掃描電鏡斷口分析

斷口經(jīng)砂輪分解切割后選取典型的部位置于Quanta 400掃描電鏡下觀察，較低倍率下疲勞區(qū)可見海灘狀條痕，是疲勞擴(kuò)展的宏觀表象，如圖4、5，高倍下疲勞斷面主要為疲勞擠壓磨損特征，局部還隱約可見疲勞輝紋特征，它與疲勞循環(huán)應(yīng)力相對應(yīng)，如圖6、7。

圖7 疲勞擠壓磨損及輝紋

上述宏觀可見的約35%面積的金屬光澤明顯的放射狀瞬時破斷區(qū)均為穿晶解理特征，如圖8，而約5%的最終剪切斷裂區(qū)為撕裂韌窩形貌，如圖9。

3 金相磨面觀察

將斷裂部位的截面磨制成金相拋光面，浸蝕后低倍下輪輻與輪輞的內(nèi)外側(cè)焊接部位如圖10、11，可見輪輻與輪輞連接的中間部位未焊透，縫隙超過長度一半，且在內(nèi)側(cè)部位可見明顯的偏焊現(xiàn)象，焊縫偏向輪輻一邊。

用QUANTA400掃描電鏡觀察，在兩側(cè)焊縫中均存在較多較大的氣孔和疏松，電鏡照片見圖12。

圖12 焊縫中的氣孔和疏松

在內(nèi)側(cè)焊縫與過熱區(qū)之間的熔合線部位還存在裂紋（圖11局部放大），裂紋周邊較潔凈（如圖13），可見裂紋與夾雜物無關(guān)。浸蝕后組織為鐵素體＋珠光體，無異常特征見圖14。

圖13 裂紋周邊無夾雜

圖14 裂紋周邊組織無異常

4 分析討論

金屬材料或結(jié)構(gòu)零件承受變動載荷的循環(huán)重復(fù)作用，在所施加的應(yīng)力低于材料的抗張強(qiáng)度下而產(chǎn)生裂紋或斷裂的破壞現(xiàn)象叫做疲勞失效。

疲勞斷口一般從宏觀上可以明顯地劃分兩個不同的區(qū)域，即平滑的疲勞斷裂區(qū)和凸凹不平的最終斷裂區(qū)。疲勞斷裂區(qū)是表示疲勞裂紋作漸進(jìn)式擴(kuò)展，即裂紋緩慢擴(kuò)展；而最終斷裂區(qū)，表示裂紋高速擴(kuò)展（即靜載瞬斷區(qū)）。其中疲勞斷裂區(qū)呈現(xiàn)一種發(fā)亮的研磨面；瞬斷區(qū)在韌性金屬中為纖維形貌特征，而在脆性金屬中則為粗糙的結(jié)晶狀形貌特征。本文分析中的圖2為典型的四個不連續(xù)的疲勞區(qū)域。

有關(guān)疲勞斷口形貌特征分析需注意如下幾個方面：

（1）平滑區(qū)：平滑區(qū)是裂紋緩慢擴(kuò)展所形成的，通常呈現(xiàn)脆性外觀。裂紋擴(kuò)展方向與最大拉伸應(yīng)力方向垂直，在平滑區(qū)中用內(nèi)眼或放大鏡有時可以觀察到“年輪”（或稱“貝殼狀”、“海灘狀”、“前沿線”等）宏觀特征。這樣，可根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向與“年輪”條紋相垂直原則確定裂紋的擴(kuò)展方向，“年輪”的曲率半徑最小處即為裂源位置。

（2）“年輪”條紋：疲勞“年輪”又稱之為貝殼狀”或“海灘狀”或“前沿線”等，它是疲勞斷口最突出的宏觀形貌特征?！澳贻啞北硎玖鸭y前沿在間歇擴(kuò)展晨的依次位置，它是機(jī)器在開車、停車或負(fù)荷變動較大時所造成的。這種特征的尺寸較大，用肉眼或放大鏡就可以觀察到。如果在宏觀斷口上觀察到“年輪”條紋，基本上就可以認(rèn)為這個斷口是疲勞斷口。

（3）“年輪”的形狀 ：若“年輪”繞著裂源成為向外凸起的同心圓狀，表示材料對缺口不敏感（例如低碳鋼）；相反，若圍繞裂源成凹杯狀時，則表示材料對缺口敏感（例如高碳鋼）?！澳贻啞敝孕纬赏?fàn)罨虬紶睿怯捎谄诹鸭y在材料的外緣部分和材料的內(nèi)部部分其擴(kuò)展速率不相同所致。例如對缺口敏感的材料，裂紋沿外緣的擴(kuò)展速率內(nèi)部為大，故“年輪”形成凹杯狀，如圖15（a）所示；對于缺口不敏感的材料，外緣的擴(kuò)展速率罰內(nèi)部為小，故“年輪”圍繞裂源呈現(xiàn)同心圓標(biāo)記，如圖15（b）所示。本文分析中的輪輞疲勞屬于后者。

圖15 兩種形狀年輪示意圖

（4）最終斷裂區(qū)：它是由于疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，截面縮小而材料強(qiáng)度不夠所引起的瞬時超載斷裂的結(jié)果。它表示裂紋快速斷裂的特征，斷口形貌凸凹程度較大。這個區(qū)域有時稱之為瞬時斷裂區(qū)，簡稱為“瞬斷區(qū)”。疲勞斷口的瞬斷區(qū)是由纖維狀，剪切唇及放射狀三個部分所組成的。瞬斷區(qū)的大小取決于負(fù)載的大小、材料的優(yōu)劣、環(huán)境介質(zhì)等因素。在通常情況下，瞬斷區(qū)面積較大，則表示所受負(fù)載較大或材料較脆；相反，瞬斷區(qū)面積較小，則表示承載較小劃材料較韌。通過輪輞斷面宏觀估算，四個疲勞斷面區(qū)域面積共約占整個斷面面積的60%，說明輪輞的疲勞是在較小的應(yīng)力作用下，裂紋緩慢擴(kuò)展，裂紋從萌生、擴(kuò)展至最終破斷歷經(jīng)了一個較長的過程。

（5）疲勞源的位置，一般是在機(jī)械零部件的表面或次表面。但是，當(dāng)材料內(nèi)部存在冶金缺陷，例如夾雜物、夾渣、氣孔、白點(diǎn)、內(nèi)裂、顯微裂紋等時，疲勞源可能發(fā)生在材料內(nèi)部。如果疲勞源在外表面上，則表示機(jī)件在外表面上有拉應(yīng)力存在；若疲勞源在次表面上，則表示表面經(jīng)過硬化處理如滲碳、滲氮、高頻淬火等，或者表面上存在著壓應(yīng)力，這時疲勞源具有“魚眼”狀特征。本文的宏觀分析可確定，疲勞源均起源于輪輞與輪輻內(nèi)側(cè)的焊接圈部位。因斷件結(jié)構(gòu)較粗糙，無法精確定位，但從焊接部位的截面微觀組織分析可見，焊縫中存在氣孔、疏松、偏焊、微裂紋等缺陷，疲勞起源于此也就在所難免。

5 結(jié) 論

（1）輪輻與輪輞的斷裂屬多源疲勞斷裂，疲勞裂紋均起源于二者內(nèi)側(cè)的焊接部位。

（2）疲勞斷面光滑，擠壓磨損特征較重，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個斷面面積的60%，可見疲勞裂紋從萌生、擴(kuò)展至最終破斷歷經(jīng)了一個較長的過程。

（3）輪輻與輪輞的內(nèi)外側(cè)焊縫中均存在氣孔、疏松缺陷，內(nèi)側(cè)焊縫存在偏焊現(xiàn)象，再加上內(nèi)側(cè)熔合線處存在裂紋，這些一同構(gòu)成了從張應(yīng)力集中處（焊接部位）產(chǎn)生疲勞斷裂的內(nèi)因。

［1］吳連生.失效分析技術(shù)［M］.成都：四川科學(xué)出版社，1985.

［2］肖紀(jì)美.材料的應(yīng)用與發(fā)展［M］.北京：宇航出版社，1988.

［3］金屬斷裂失效分析［M］.沈陽：中國科學(xué)院金屬研究所，1985.