制动鼓作为汽车的关键组成部件，其制动效果和服役可靠性对于车辆的安全行驶起到了至关重要的作用[1]。重型货车在山区公路坡道行驶时，频繁制动致使制动鼓温度升高、制动效能下降甚至失效，是发生重特大事故的主要原因[2]。制动鼓在长时间工作条件下，由于摩擦生热将导致温度急剧升高。目前，我国重型卡车采用的制动鼓降温方式是直接向制动鼓喷水冷却。制动鼓承受这种高温-激冷热冲击时，会在制动鼓内部引入大量内应力，从而加快制动鼓的开裂失效[3]。据统计表明，我国由于制动鼓失效引起的车祸占车祸总数的45%[4]。因此，研究制动鼓开裂失效的机理对于高性能制动鼓的设计生产以及保障车辆安全行驶都具有重要意义。
卡车制动鼓的性能受材质、成型方式及铸造工艺等多因素的影响，其中材料的成分及微观组织结构对制动鼓性能起着关键作用[1,5-7]。卡车制动鼓目前采用的铸造材料主要为灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁[8-10]。其中，灰铸铁由于热导率高、减震耐磨性好、性价比高等优点被广泛应用于重型货车制动鼓。本文针对某重型货车用HT250 制动鼓长时服役后出现开裂失效这一问题，通过对未服役试样和失效试样进行化学成分分析、显微组织观察、力学性能测试来探究其服役前后微观组织的变化特征，分析其开裂失效的原因及机理，从而为我国制动刹车鼓的长时间安全服役提供一定理论指导和技术支撑。
1 实验材料与方法
本实验所采用的试样取自某铸造公司生产的实际卡车制动鼓灰铸铁铸件(牌号HT250)。由于制动鼓主要从工作面开裂，因此取服役失效制动鼓工作面含有裂纹的部分作为服役失效试样进行分析。为了客观对比服役前后试样组织特点和力学性能变化，本研究以同一批次生产但未服役的制动鼓作为比较，并取未服役制动鼓工作面部分作为未服役试样分析。对于未服役制动鼓，不同取样位置得到的试样化学成分分析和力学性能测试结果分别如表1 和表2 所示。由表1～2 结果可知，未服役试样的化学成分和力学性能均处于GB/T 228-2010 对HT250 制动鼓铸件的要求范围之内[11]，说明制动鼓质量合格。
表1 HT250制动鼓化学成分 w/%
Tab.1 Chemical compositions of the HT250 brake drum
表2 HT250制动鼓力学性能
Tab.2 Mechanical properties of the HT250 brake drum
本研究采用OLYMPUS BX51M 金相显微镜和双束扫描电子显微镜(Thermo Scientific/Helios G4 CX，SEM) 对制动鼓未服役和服役失效试样的微观组织进行观察，观察前用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀试样表面。此外，利用HXD-1000TM SC/LCD显微硬度计对服役失效试样和未服役试样的硬度进行测试，所有试样在显微硬度测试之前都依次使用200#、400#、600#、800#、1000# 金相砂纸进行打磨，再使用金相抛光机进行抛光。
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织观察和分析
未服役制动鼓试样工作面的金相组织如图1 所示。由图1 可知，未服役试样工作面的组织主要为珠光体与石墨，其中基体组织主要为细片状珠光体，含量高于94%，石墨均为A 型片状石墨，且分布较为均匀。制动鼓未服役试样的基体组织和石墨形态均符合HT250 制动鼓材质组织要求。
图1 未服役制动鼓试样金相组织照片：(a)低倍，(b)低倍，(c)高倍
Fig.1 Metallographic images of the original brake drum sample:(a)low magnification,(b)low magnification,(c)high magnification
制动鼓服役失效试样的工作面和侧面金相组织分别如图2 和图3 所示。对比服役失效与未服役制动鼓试样工作面的金相组织(图1～2)可知，石墨形态出现了明显变化。相比失效前，石墨片变得更为粗大。此外，失效试样工作面出现了多处裂纹，并且主要出现在石墨与珠光体基体的界面处，如图2(b)所示。对于失效试样的侧面组织，与未失效试样相比，石墨形态相未发生明显变化，且并未观察到明显的裂纹，如图3 所示。工作面裂纹萌生的主要原因是石墨与珠光体基体热膨胀系数相差较大，刹车过程中不断的冷热交替，加上石墨尖端应力集中系数较大，导致石墨与珠光体基体间产生微小裂纹，微小裂纹在后续的刹车过程中进一步扩展，最终可能引起制动鼓失效。重型卡车制动能量大，制动鼓摩擦区域壁厚方向所存在的温度梯引起热应力。在制动鼓内侧摩擦区域的疲劳裂纹高发位置的周向应力与轴向应力中，热应力占据了主要部分，制动鼓的冷热交替易导致制动鼓疲劳失效产生[12]。
图2 服役失效制动鼓试样工作面金相组织照片：(a)低倍，(b)低倍，(c)高倍
Fig.2 Metallographic images of the working surface for the brake drum sample after failure:(a)low magnification,(b)low magnification,(c)high magnification
图3 服役失效制动鼓试样侧面金相组织：(a)低倍，(b)低倍，(c)高倍[1]
Fig.3 Metallographic images of the side surface for the brake drum sample after failure:(a)low magnification,(b)low magnification,(c)high magnification[1]
为进一步研究石墨与基体间的结合情况以及失效前后基体组织的变化，利用SEM 对试样组织进行观察，其结果如图4 所示。由图4(a)可观察到，未服役试样片状石墨与基体结合紧密，而且珠光体基体组织呈片层交替构成的团簇状，片层分部均匀细小，具有良好的形态，如图4(b～c)所示。在服役失效制动鼓试样的工作面，石墨与基体的界面处生成了灰色相，如图4(d)所示。能谱分析结果表明，该灰色相成分主要由铁和氧组成，表明灰色相应该是铁的氧化物。生成氧化物的原因可能是石墨与基体界面易于萌生为裂纹(图2(b))，为氧气提供了扩散通道，从而生成了铁的氧化物。由于铁氧化物的生成，石墨与基体的界面变得粗糙不均。此外，珠光体基体组织的片状形态发生退化，推测应是珠光体中的碳析出，向石墨中扩散，导致渗碳体分解[13]；而且珠光体片层间距变得更致密，片层结构较失效前也变得不清晰，如图4(e)所示。相比之下，失效后制动鼓的侧面组织未发生明显变化，如图4(f～g)所示。
图4 未服役和失效制动鼓试样SEM 形貌图:(a～c)铸态试样，(d～e)失效制动试样工作面，(f～g)失效制动试样侧面
Fig.4 SEM observations of original and failed brake drum samples:(a～c)as-cast sample,(d～e)working surface of the sample after failure,(f～g)side surface of the sample after failure
2.2 显微硬度分析
服役过程中试样的微观组织发生变化，导致试样失效前后的力学性能也会有所差别，因此本文对服役失效制动鼓和未服役制动鼓的硬度进行了分析，结果如图5～6 所示。图5 是对服役失效制动鼓试样的测量结果，图5(a)是失效试样侧面的宏观图，其中黄色箭头方向代表维氏硬度的测量方向，每两个测量点间距为1 mm，硬度结果如图5(c)所示。图5(b)是服役失效试样的工作面宏观图，黄色箭头代表维氏硬度的测量方向，每两个测量点的间距也为1 mm，硬度结果如图5(d)所示。根据硬度的折线图可知，试样硬度值出现了较大幅度的波动，该波动在工作面表现更为明显。
图5 服役失效制动鼓试样硬度：(a)侧面宏观图，(b)工作面宏观图，(c)侧面硬度，(d)工作面硬度
Fig.5 Variation in hardness for the brake drum samples after failure:(a)side surface,(b)working surface,(c)hardness of the side surface,(d)hardness of the working surface
未服役试样的硬度结果如图6 所示，图6(a～b)分别是未服役试样不同表面的宏观图，黄色箭头代表硬度的测量方向，其每两个测量点的间距也为1 mm，统计结果分别如图6(c～d)所示。由测量结果可知，未服役的制动鼓铸件的维氏硬度值分布在250～350 HV0.1 之间，且硬度分布比较均匀，没有出现较大波动，表明其内部组织分布比较均匀，与图1 的金相结果保持一致。失效后，制动鼓试样的硬度值增大，接近断裂部分和裂纹附近处的硬度值明显增加。此外，服役失效后制动鼓工作面的硬度比侧面硬度也更高。这主要是因为，相比制动鼓侧面，制动鼓工作面承受了刹车过程中更为剧烈的高温-激冷变化，导致工作面的珠光体片层间距变得更为致密，如图4(e)和(g)所示，从而表现出更高的硬度值。
图6 未服役制动鼓试样硬度：(a～b)铸态试样表面，(c)沿长度方向硬度，(d)沿宽度方向硬度
Fig.6 Variation in hardness for the original brake drum sample:(a～b)surface of the as-cast sample,(c)hardness along the length direction,(d)hardness along the width direction
3 结论
(1)未服役制动鼓试样组织和基本性能符合要求。服役失效试样组织中出现了石墨粗化的现象，应是珠光体中渗碳体分解所形成的碳扩散所致。服役失效后试样的工作面上石墨与基体界面处生成了铁的灰色氧化物相，且不断地冷热交替使得石墨与基体界面处产生裂纹，是导致制动鼓最终失效断裂的主要原因。
(2)制动鼓试样在失效后整体硬度有所提高，且制动鼓工作面比侧面硬度值更高。这主要是因为制动鼓工作面承受了更为剧烈的温度变化，使珠光体片层间距更为致密，导致硬度值大幅提高。
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