蘇忠亮

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,福建 廈門 361004)

車輛輪轂分為前輪轂和后輪轂，是指支撐輪胎的中心裝在軸上的金屬部件。輪轂的主要作用是與半軸連接,傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)車輪，保證車輛的正常行駛[1]。在汽車行駛過(guò)程中,輪轂的失效將導(dǎo)致交通事故的發(fā)生,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)對(duì)輪轂進(jìn)行失效分析，可以找出輪轂失效的原因，提出預(yù)防的措施和解決辦法,保證輪轂的質(zhì)量和穩(wěn)定性[2]。某車輛輪轂在使用不到三個(gè)月后發(fā)生斷裂，為了找出輪轂斷裂原因，避免類似事故再發(fā)生，本文對(duì)該輪轂進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)該車輛輪轂基體材質(zhì)進(jìn)行取樣，樣品表面用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，使用德國(guó)Spark-MAXx LMM14直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)試三個(gè)位置的成分，取平均值，檢測(cè)結(jié)果見表1，可見該車輛輪轂的化學(xué)成分符合質(zhì)量證明書上對(duì)QT500-10球墨鑄鐵化學(xué)成分的規(guī)定。

表1 斷裂輪轂的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 硬度分析

依據(jù)《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 231.1-2018)，采用萊州華銀320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，對(duì)斷裂輪轂和完好輪轂取樣進(jìn)行檢測(cè)，分別標(biāo)識(shí)為樣品1和樣品2，每個(gè)樣品的不同位置測(cè)3個(gè)硬度值，測(cè)試位置為樣品芯部。檢測(cè)結(jié)果顯示，樣品1三個(gè)不同位置的布氏硬度分別為192、188、191，樣品2三個(gè)不同位置的布氏硬度分別為202、203、205。可見斷裂輪轂和完好輪轂的硬度均能滿足《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對(duì)QT500-10規(guī)定的要求(170～230)，斷裂輪轂的硬度略低于完好輪轂。

1.3 拉伸性能分析

在斷裂輪轂和完好輪轂上分別截取1根拉伸試驗(yàn)樣，標(biāo)識(shí)為樣品1和樣品2。根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)》(GB/T 228.1-2010)，采用長(zhǎng)春科新WDW-100微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，樣品1的抗拉強(qiáng)度為422 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為5.5%，樣品2的抗拉強(qiáng)度為532 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為16.5%，而QT500-10鑄鐵的抗拉強(qiáng)度應(yīng)≥500 MPa，斷后伸長(zhǎng)率應(yīng)≥10%?？梢姅嗔演嗇炘囼?yàn)樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率明顯不足，不符合《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對(duì)QT500-10的拉伸性能的規(guī)定。

1.4 金相組織分析

依據(jù)《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》(GB/T 9441-2009)，金相視場(chǎng)放大100倍，少量小于2mm的石墨不計(jì)數(shù)，若石墨大多數(shù)小于2mm或者大于12mm時(shí)，則可適當(dāng)放大或縮小倍數(shù)，視場(chǎng)內(nèi)的石墨數(shù)一般不少于20顆。在斷裂輪轂和完好輪轂上分別制取1個(gè)金相試驗(yàn)樣，經(jīng)研磨、拋光后，在徠卡DMIRM金相光學(xué)顯微鏡下觀察。如圖1所示，斷裂輪轂的球化率差，平均球化率為58.2%，球化級(jí)別為6級(jí)，基體中的石墨難以呈球狀分布，導(dǎo)致輪轂的強(qiáng)度和韌性都大大降低。而完好輪轂的基體中石墨很好地呈球狀分布，平均球化率為85.3%，球化級(jí)別為3級(jí)。

(a)斷裂輪轂 (b)完好輪轂圖1 輪轂的金相顯微組織

1.5 斷口掃描電鏡分析

將樣品進(jìn)行超聲波清洗后，使用蔡司MA-15掃描電鏡觀察斷裂輪轂的斷面形貌，如圖2可見，斷面表面有多處磨損痕跡存在，為輪轂開裂后仍繼續(xù)運(yùn)行造成輪轂開裂截面之間或者開裂面與其他硬質(zhì)顆粒之間摩擦導(dǎo)致的磨損。

圖2 斷裂輪轂斷面SEM掃描電鏡微觀組織

2 分析討論

由化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果可知，該斷裂輪轂化學(xué)成分符合質(zhì)量證明書上對(duì)QT500-10球墨鑄鐵化學(xué)成分的規(guī)定，但斷裂輪轂的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率明顯不足，不能滿足《球墨鑄鐵件》(GB/T 1348-2009)對(duì)QT500-10拉伸性能的要求，導(dǎo)致輪轂在復(fù)雜的高強(qiáng)度工作應(yīng)力作用下，超過(guò)其最大負(fù)載而發(fā)生斷裂。從斷裂輪轂的金相顯微組織觀察可知，由于斷裂輪轂的球化率差，平均球化率僅為58.2%，所以造成該輪轂的強(qiáng)度和韌性較低。球墨鑄鐵是通過(guò)球化處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性[3]。該斷裂輪轂的的球狀石墨較少，蠕狀和條狀石墨較多，這種石墨分布在基體中，容易割裂基體，減小有效承載面積，加大材料的脆性。輪轂球化率差主要由以下幾個(gè)原因造成：①P、S等雜質(zhì)元素會(huì)干擾球化過(guò)程；②球化劑、孕育劑量不足和球化孕育工藝不當(dāng)；③控制澆注溫度過(guò)高。而高的球化率可以將基體的割裂作用降到最小，保證材料的整體穩(wěn)定性，提高材料的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)無(wú)法呈球狀分布的石墨在其尖角處容易發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)輪轂受到較大的工作應(yīng)力時(shí)，在應(yīng)力集中區(qū)容易萌生裂紋，再加上蠕狀和條狀石墨割裂基體強(qiáng)度，造成的裂紋快速擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

造成輪轂斷裂的主要原因，一方面是該球墨鑄鐵球化率不足，石墨割裂基體作用明顯，導(dǎo)致有效承載面積減小，加大材料的脆性；另一方面，無(wú)法呈球狀分布的石墨在其尖角處容易應(yīng)力集中，當(dāng)受到較大應(yīng)力時(shí)，容易萌生裂紋，發(fā)生斷裂。

提高球墨鑄鐵球化率的措施有以下三點(diǎn)：①控制P、S等雜質(zhì)元素，減少球化干擾元素；②選擇合適的球化劑、孕育劑和球化孕育工藝，可以提高石墨球整度；③選擇合適的澆注溫度和澆注時(shí)間。