汽车制动器内轮毂裂纹失效分析_何胜豪.pdf

2023年 第4期 热加工59热 处 理Heat Treatment汽车制动器内轮毂裂纹失效分析何胜豪1，朱京妃1，叶枫1，孙峰1，李立国1，卢洪英1，陈杰1，21.义乌吉利动力总成有限公司 浙江义乌 3220002.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江宁波 315000摘要：在汽车制动器内轮毂经疲劳耐久试验后，焊缝出现裂纹。为查找失效原因，采用了CT扫描、3D显微镜拍照、金相分析、硬度检测、SEM扫描电镜分析，以及化学成分分析等方法对失效件进行了宏观和微观分析。结果表明：该断口为脆性断裂，样品中有明显的硫化物夹杂，增加了材料的脆性，焊缝处有较多气孔，焊缝收弧区的不良形态缺陷和焊趾应力集中处和高硬度的热影响区易产生裂纹，同时焊趾处存在咬边缺口，易在受力状态下形成应力集中，导致裂纹逐渐扩展。关键词：轮毂；裂纹；失效分析；脆性断口；夹杂物1 序言汽车制动器是汽车的制动装置，制动器内的轮毂是支撑轮胎的中心装在轴上的金属部件，其主要作用是与半轴连接，以传递旋转动力来驱动车轮，保证车辆的正常行驶1，2。在汽车行驶过程中，轮毂的失效将导致交通事故的发生，严重时会造成人员伤亡和重大经济损失3-5。因此，对轮毂在使用过程中发生的失效现象进行分析，找出其失效过程中通信作者：何胜豪，材料学硕士，E-mail：Shenghao.H。式制动器打开，试验液压缸拉力2600kN保持3min，制动器不打滑。2）检测盘式制动器间隙，单边间隙分别为0.5mm、0.3mm。3）检测盘式制动器响应动作时间分别为0.15s、0.05s。4）低速带式制动器。高速盘式制动器松开，低速带式制动器制动，试验液压缸拉力3380kN保持3min，制动器不打滑。5）检测带式制动器动作时间1.5s。7.3 试验结果检测项目制动试验时不打滑，制动动作时间满足要求，检查结果为合格。8 结束语通过对绞吸挖泥船控制系统的优化改进，实现了绞车操控系统协调运行，保证了卷筒带式制动和高速制动器同步工作，由单一系统控制。另外，控制部分增加一个限速保护功能，通过测量卷筒速度，当桥架下放速度超过设定值时，制动受电信号控制，自动予以制动降低桥架的下放速度。目前，该绞吸挖泥船配套桥架绞车顺利通过了实船动态负载试验，工作正常。绞吸挖泥船配套绞车与控制系统的优化改进，为我公司与船厂今后在类似项目设计与使用上积累了有益经验。参考文献：1 中国船级社材料与焊接规范M北京：人民交通出版社股份有限公司，2021.2 吕渊齿轴检测报告摘录R上海：机械工业材料质量检测中心，2022.3 陈轶辉，李洪星，赵树忠，等，采用蓄能器的大负载液压缸制动系统设计及其能量回收率仿真分析J机床与液压，2021，49（1）：165-168.202301302023年 第4期 热加工60热 处 理Heat Treatment的主要原因、使用环境对于失效过程的影响，以及失效件本身的设计缺陷等，再针对这些问题逐一排查解决，从而大大提高汽车轮毂在使用过程中的可靠性，最终提升整个汽车安全行驶的保障能力。某汽车制动器内轮毂疲劳耐久试验，在达到121万次左右时焊缝出现裂纹，且裂纹沿焊接位置产生肉眼可见的环形开裂。为避免类似事故再次发生，本文对该失效轮毂进行检验和分析6。2 试验材料及方法2.1 试验材料及工艺失效轮毂直径为180mm、厚度为34.2mm，其原材料牌号为16MnCr5钢，在加工过程中会进行热处理，原材料本身具有高淬透性和可加工性能，热处理后可提高其硬度和耐磨性，并在低温抗冲击性能上也有不错的表现，因此常被用于齿轮等零部件的制造。工艺过程如下。非冲压件：下料正火处理粗车半精车拉齿渗碳淬火热后精车。冲压件：原材料为酸洗板，并经冲压成形、花键冷成形、中孔车削后，再进行渗碳淬火，然后进行非冲压件与冲压件焊接。2.2 制样方法分别从冲压件和非冲压件部分随机抽取一段进行化学成分分析；在收弧区（5#位置）附近，取红色画线部位1#、2#、3#、4#横向切割，再做镶嵌（见图1），分别做金相分析。取5#位置做断口分析。其中1#3#试样在切割过程中冲压件与非冲压件焊接部分已分离，4#试样未与基体金属分开。因此将4#试样作为对比样，分别对其进行金相观察，以及表面硬度和心部硬度检测。2.3 分析方法与结果（1）宏观形貌分析1）CT扫描分析。将未切割的样件放入蔡司小功率工业CT（型号：CTMETROTOM 800）进行扫描，发现裂纹分为两个方向：第一方向从起弧位到逆时针208；第二方向从收弧位到顺时针281.9（见图2）。从图2可明显看到，收弧点和起弧点在同一位置，且这也是裂纹的起始位置。2）3D显微镜分析。将5#断口用酒精超声波清洗、烘干后，用3D显微镜进行分析，发现断面有轻微锈蚀现象，明显观察到断裂源起始于收弧处，呈放射状快速扩展，未见有疲劳弧线特征和陈旧性撕裂（见图3）。在扩展区中有一明显的裂缝，其长度为0.859mm，能明显发现在裂缝的周围有细微裂纹的存在且有向外延伸的趋势（见图4）。（2）金相分析 将1#4#样品镶嵌后，依次经过120目、400目、1000目的砂纸打磨，再使用金a）轮毂未切割前整体形貌 b）轮毂线切割后形貌图2CT扫描结果图35#试样断裂源（100）c）线切割下的试样 d）试样镶嵌后图1轮毂取样2023年 第4期 热加工61热 处 理Heat Treatment刚石抛光剂抛光，最后用4%硝酸酒精进行腐蚀后观察样品金相，结果如图5图12所示。根据GB/T 257442010钢件渗碳淬火回火金相检验判定，1#4#样品存在的硫化物尺寸均在标准允许范围内，靠近焊缝热影响区均为粗大马氏体组织，与GB/T 257442010比对后判定为3级马氏体+残留奥氏体组织，1#4#试样组织及碳化物等级均符合设计要求。但在4#试样焊脚处可明显观察到咬边及微裂纹缺陷，焊脚周边的微观组织也可发现存在少量的魏氏体组织，这可能是由于在焊接过程中产生的高温图7图6中1区焊缝组织（500）图9图6中3区焊脚缺口和裂纹形貌（500）图8图6中2区焊缝热影响区少量魏氏组织（500）图10咬边引起的裂纹扩展（500）图51#试样粗大马氏体组织（100）图45#试样断口扩展区裂缝（150）图64#试样焊脚处咬边和微裂纹形貌（50）2023年 第4期 热加工62热 处 理Heat Treatment使其组织发生了变化，在裂纹周围也发现了明显的羽毛状上贝氏体组织，从而增加了材料的脆性，这对于裂纹扩展增加了一定的助力。初步判断在焊接过程中，焊缝周围形成缺陷以及组织变化，导致材料在疲劳耐久试验中过早出现裂纹失效现象。（3）硬度检测 对4#样品进行表面硬度、心部硬度以及硬化层深度检测，试验过程按GB/T 94502005钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核和GB/T 4340.12009金属材料维氏硬度试验 第1部分：试验方法 范围要求进行，4#试样硬度及硬化层深度检测结果见表1。表14#试样硬度及硬化层深度检测结果项目实测值平均值123硬化层深度/mm0.1950.2160.200.204表面硬度HV1751.25751.25761.15754.55心部硬度HV1453.68430.34444.41442.81材料技术要求：在550HV1的极限硬度下，硬化层深度要求0.20.5mm，表面硬度600HV1，心部硬度390480HV1。从表1可看出，实测值均在要求范围内，因此判定试样的硬度符合技术要求。由于在显微组织观察中发现焊缝周围组织发生了改变，存在阶层性的组织变化，因此本试验在4#试样中不同位置各打了3个点，对比这3个不同区域的硬度差异，试验结果见表2。表24#试样中1、2、3区硬度结果 （HV1）位置实测值平均值1231区424.67453.27431.98436.642区344.28339.59379.57354.483区233.95232.34246.31237.53结果显示，在越靠近焊缝周围，其硬度值越低，这可能是焊接时产生的高温所导致的，且硬度值要低于其心部硬度要求，可能对其性能存在一定的影响。（4）微观形貌 在扫描电镜（SEM）下可以更细致地观察到试样断口表面的形貌，结果如图13图16所示。从扫描电镜结果可看到，在扩展区中存在多个气孔（见图13），最大气孔直径约为103.3m（见图14）。图15中显示的是瞬断区形貌，可以判断为沿晶韧窝断口形貌，并在其附近还存在着一些二次裂纹，仔细观察可发现微裂纹是沿晶界分布的。放大断裂边缘区气孔周围形貌（见图16）可以发现在气孔周围有明显二次裂纹，这种现象在断裂扩展区也存在。图13断裂扩展区形貌SEM结果图14断裂扩展区孔洞形貌SEM结果图11图6中3区裂纹深度77.56m（100）图12图6中的4区珠光体+铁素体（500）2023年 第4期 热加工63热 处 理Heat Treatment（5）化学成分分析 采用直读光谱仪OES8000s对冲压件和非冲压件的化学成分进行检测，取任意段样品，结果见表3、表4。表3非冲压件化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnSPCr标准值0.140.190.401.001.300.035 0.0250.801.10实测值0.210.191.350.0270.0121.03得出结论：材料内部化学成分并未出现异常，样件失效与成分无关。渗碳淬火金相组织、表面硬度、心部硬度及硬化层深度等相关检测结果也符合技术要求，证明样件在热处理过程中并未发生异样。在肉眼及3D显微镜下观察后，可以排除疲劳断裂的可能性；在扫描电镜下，样件断口形貌可以判断为沿晶断裂；在金相中可见其焊缝周围组织为粗大马氏体组织，这会增加材料的脆性，且材料本身带有的硫化物成分，也一定程度上增加了其脆性；在焊缝处存在多处气孔缺陷，这使得在实际应用过程中，极易导致在应力加持下，由于应力集中，在气孔的边缘会出现微裂纹，随着应力的增加，裂纹随之扩展。焊脚处可以明显观察到咬边缺口缺陷，这为使用过程中的应力集中提供了条件，最终因材料承受不住集中的巨大应力而造成裂纹的萌生、扩展，甚至断裂。4 结束语本文经过调查得出以下结论：该断口为脆性断口，样品中有明显的硫化物夹杂，增加了材料的脆性，焊缝处有较多的气孔，焊缝收弧区的不良形态缺陷和焊脚应力集中处和高硬度的热影响区易产生裂纹，同时焊脚处存在咬边缺陷，易在受力状态下形成应力集中，导致裂纹逐渐扩展。参考文献：1 刘天平，蔡梅芹，李泽同，等新型球墨铸铁汽车轮毂的研制开发J现代铸铁，2022，42（4）：1-4，9.2 王长乐，朱文浩，李明伟，等汽车电尾弹簧电泳后断裂失效分析J金属加工(热加工)，2022（11）：58-60，64.3 王令，李志华汽车变速器行星齿轮轴断裂失效分析J金属加工(热加工)，2018（12）：59-60.4 谈智辉，张传业，李晓辉电动轻卡前轮毂轴承失效分析J汽车科技，2021（3）：65-68.5 万正宇过驱动电动汽车底盘执行器失效行为分析及容错控制D重庆：重庆大学，2020.6 杨龙界面裂纹对铝钢复合材料轮毂疲劳寿命的影响D兰州：兰州理工大学，2020.20230130图15断裂瞬断区形貌SEM结果图16断裂边缘区域形貌SEM结果表4冲压件化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnSPAl标准值0.210.301.600.020 0.025 0.010实测值0.110.0251.150.0040.0150.024从表3、表4可得，所有元素均符合设定成分，且非冲压件化学成分含量均符合欧洲标准DIN EN 100842008渗碳钢 技术交货条件要求，冲压件化学成分含量均符合宝钢企业标准Q/BQB 3102018汽车结构用热连轧钢板及钢带，因此判定该汽车制动器内轮毂化学成分符合技术要求。3 分析与讨论将材料的化学成分测试结果与标准比对，可以