轮胎钢圈断裂分析

摘 要： 为了分析某轮胎钢圈的断裂性质和原因，本文对部分残骸进行了外观检查。对断裂钢圈断口进行了宏观和微观检查和分析，另外对断裂钢圈夹杂物进行了能谱分析。该断裂钢圈截面上夹层带的材质具有不均匀性；钢圈的疲劳断裂和扩展主要和大量氧化铁夹杂物有关。

关键词：钢圈； 失效分析； 疲劳断裂； 氧化铁

中图分类号：U463.341

一、前言

在进行RS10更换车轮胎过程中，发生钢圈断裂事故的断裂钢圈（见图1），大连市质检所委托本中心作该钢圈断裂原因分析，结果如下。

二、实验方法

对钢圈进行外观观察，发现断口处具有疲劳特征，大致确定疲劳区的位置和疲劳纹扩展方向。将疲劳断口上取样进行扫描电镜观察，确定了疲劳源区的位置， 利用能谱对源区的腐蚀夹杂物进行了分析，确定其腐蚀介质。

三、实验与分析结果

3.1 外观观察

钢圈是从锁环沟槽根部开始并沿钢圈周围发生的整体断裂，因此断裂后形成两段，一段为钢圈体积较大的部分，一段为尺寸较小的环圈（见图2）。本次送检的样品是

从环圈件的残留断口上检查，可见该钢圈的断口有以下主要特征：

1.沿钢圈圆周方向约有3/4的断口组织较细，其中约30mm长的局部位置自钢圈外圆至内圆的整个壁厚完全为细微平坦断裂。自该局部位置两端开始沿钢圈内圆表面出现从低至高的峰状倾斜断口。这说明断裂过程是从外向内发展。这个区域的断口上有明显的由于受力周期变化而形成的疲劳辉纹的宏观特征。该区断口的钢圈壁厚无明显减薄现象。为脆性断口特征。

2.在上述断口的对面是钢圈的终断区断口，约占整个断口长度的1/4。该区中有3处粗糙表面的脆断区，其余部份呈现出剪切塑性变形的滑移断裂特征。

根据以上宏观断口的特征，初步判断该

钢圈的断裂属于疲劳引起的脆性断裂。疲劳源位于上述约30mm长的钢圈平坦断口区域。参考轮胎及密封圈的装配图，分析受力状况，具体的疲劳源应位于钢圈外沿锁环沟槽的圆角过渡区。

3.2断裂钢圈断口的扫描电镜检查

分别在疲劳源区，疲劳扩展区及终断区取样观察了断口的微观特征，结果证实了宏观分析的结论：钢圈确为疲劳引起的脆性断裂。（见图3、图4、图5、图6）。

3.3断裂钢圈电子金相检查

为了确定疲劳源区特征，在扫描电镜下检查了包括断口在内的疲劳源区的截面金相组织，发现：

1.在断裂钢圈疲劳源区的断口附近有大量氧化铁夹杂，其分布特征为与疲劳断口平行方向的片状，（见图6、图8），夹杂物能谱分析结果，见图7所示。

2.在断口表面上残留有同样特征及成分的氧化铁夹杂物，夹杂物能谱分析结果近似于图7所示。

3.在断裂钢圈的壁厚截面上有一条夹层带，夹层带是化学成分碳含量相对较高的金属组织带，（见图9）。这说明断裂钢圈材质具有不均匀性。

以上结果说明：断裂钢圈锁环沟槽圆角区从表面向钢圈内部分布的氧化铁夹杂物是形成疲劳源的直接原因。

四、钢圈断裂原因分析及结论

从上述各项检查结果，可以证实，该断裂钢圈的壁厚截面上有一条夹层带，夹层带是化学成分碳含量相对较高的金属组织带，这说明断裂钢圈材质具有不均匀性。在该钢圈锁环沟槽的圆角表面，局部分布有大量的氧化铁夹杂物，在轮胎受交变应力作用时，这些从表面向钢圈内部延伸的夹杂物，促成了疲劳源的形成，致使钢圈最终发生大面积疲劳断裂。

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