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1.概述 现有轮毂螺栓断裂残件2件，完好件4件，等级为10.9级，材质为SCM435，螺母三件，安装于车辆轮毂处，服役过程中失效，要求分析失效原因。图1~4所示为试样宏观形貌，螺栓断裂位置为螺纹收尾处，断口及断口附近均未见明显的塑性变形，断面内部分区域存在磨损痕迹。螺母中（图3所示），两件表面磨损严重(图3所示1、2号样)，一件表面轻微磨损（图3所示3号样），检测螺母螺纹，发现1号螺母约1/2的内螺纹已经严重磨损（图4红色虚线所示）。 ![]() * ~8 J6 A& x) E* f/ ~
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图1 试样宏观形貌 " ~3 y0 |" s7 \4 @8 b7 T
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; B8 B' j+ J; W0 X- `图2 试样宏观形貌 ) q- |* ~, e; e8 D. j1 C( A9 @
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7 R' R# x) Q5 L- O* E图3 试样宏观形貌4 U6 f! I! A5 e. S( E4 r- ]* R
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" k0 L! N/ z9 h3 |) b' C+ X( K图4 试样宏观形貌 l: z8 Q1 S/ L
2.断口分析
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌 - `& P5 i% [( H [2 {; y. D3 o
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1 d% V& F: q4 N( z. @& o0 Q, D/ P2 T7 a% h. V. K) ]
图6~8所示为A区形貌，可见该区断口靠近边缘（A1区）存在轮辐状台阶，微观可见磨损痕迹，靠近芯部（A2区）可见疲劳辉纹。 ![]() 9 f; {1 l' v+ O) `: {( e" Q# T6 g
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图6 断面A区形貌 ' P& v4 a* f: F
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; V. c$ x* E& b/ o: z图7 断面A1区形貌 3 z' \- `1 |! A
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图8 断面A2区形貌
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% k* r6 c( I3 G 图9~11所示为B区形貌，可见该区断口清晰的贝纹线，起源于断口边缘向中部扩展，靠近边缘部（B1区）可见磨损痕迹，靠近芯部（B2区）可见疲劳辉纹。
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图9 断面B区形貌 ![]()
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图10 断面B1区形貌
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图11 断面B2区形貌
+ o: s0 X4 A9 J' {5 T! x 图12~14所示为C区形貌，可见该区断口靠近边缘（C1区）可见轮辐状台阶，微观下可见磨损痕迹，靠近芯部（C2区）可见少量韧窝。
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图12 断面C区形貌 [- z1 o5 S' E7 C5 c* G w
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& B3 Q% \' v2 M1 V; N1 W, j图14 断面D区形貌 2 U) g+ _( q& i/ I4 N6 i* U
断面D区可见大量韧窝，为螺栓瞬断区，如图15、16所示。 ![]() % S% N) m- W! K) I" I
图15 断面D区形貌
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& Y( z/ E! ^9 x# v7 L$ s3 J$ l图16 断面D区微观形貌 $ @9 g3 j' q, a: d
3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织; \9 ]. i1 z* a- z
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图18 2号断裂件芯部金相组织( k. z5 J; T% `
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4 j) k$ l4 W, e( K% N& V
图19 完好件芯部金相组织+ }% A: F7 O# `' k n, L# A
$ P- E4 G, k0 Q/ ?& ] b0 m 图20~22所示分别为1、2号断裂件和完好件的螺纹表面组织，未见表面不连续性缺陷。
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图20 1号断裂件螺纹表面组织 7 g4 x$ a* a$ T
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3 G. P8 ]7 \/ y l![]() 9 x; @% j8 N: a
0 a8 g, O& f; G/ t9 n9 {+ F
, @" s. Q( a \ e+ C; W. V图22 完好件螺纹表面组织
( b2 N/ s% U/ o B 图23、24、25所示分别为断裂件和完好件的非金属夹杂物照片，根据“GB/T 10561-2005”标准可判定断裂件和完好件均为D类球状氧化物（细系）1级。" J& y: c2 R5 v a- H( i# Q+ M
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8 f% I; F$ B6 m& h9 Q图23 1号断裂件非金属夹杂物
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0 ^4 Y8 X, ` m" y2 @: d! B m图24 2号断裂件非金属夹杂物
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3 U! j( e- Y, Y: w; s1 o9 r图25 完好件非金属夹杂物
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+ t$ z2 X/ r9 F+ J9 N4 {. y) w4 N/ r9 X2 ^) k/ z
4.性能检测 对螺栓进行脱（增）碳检测，结果如表1所示，根据“ISO 898-1:2013”中对10.9级螺栓的要求，可判定为螺栓断裂件与完好件均符合标准要求，断裂件与完好件的芯部硬度满足委技术要求（芯部硬度34-38HRC）。 / Y6 }1 f8 s7 Q* v" r! K
表1 脱（增）试验结果（HV0.3） # G! y8 X- b& Z7 a) W
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表2 螺栓化学成分（%）) R; i7 g8 k5 i
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7 V. p5 |# X) m1 d) G% r& K6.综合分析 : y" H4 e3 M2 m
螺栓断口形貌显示，宏观可见断面边缘存在轮辐状台阶，瞬断区位于接近断面中部位置，“贝纹线”清晰可见，分布瞬断区两侧，呈典型的多源疲劳断裂特征。通常情况下，紧固件疲劳失效的原因为：产品质量存在问题，装配工艺不合理，后期维护不到位等。
$ p y! N7 [0 ?9 ? 在本案例中，螺栓芯部金相组织、化学成分、洛氏硬度等指标均未发现明显异常。螺纹表面未发现脱碳现象或不连续性缺陷。另一方面，从工况上分析，轮毂螺栓在正常预紧状态下，主要受轴向拉伸载荷。但是，如果螺栓在安装时由于预紧力不一致，没有采取有效的防松措施，在服役时易发生松动而承受额外的剪切、弯曲载荷，导致其服役时在应力集中位置萌生疲劳裂纹。试样宏观形貌显示，其中一件螺母近1/2内螺纹严重磨损，表明螺栓失效前该组合件可能已发生松动。
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发表于 2020-2-10 14:32:36
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