|
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）。 
* @5 `! s- D! k
& `" z8 |, N% z' M5 o, u9 G) ~图1 试样宏观形貌
B' u1 ?; `) z 2 v* n1 l) v% r# ^- v1 }8 G
: _& {( ]9 f h X* h7 x5 P图2 试样宏观形貌
4 ~1 b9 ?# S9 R' X " i& S9 a; k& b+ ~/ @ ?. \
* N+ R/ u$ U4 K, ^: l& h
图3 试样宏观形貌- y( X+ b* B; ]( W6 ]% h' R
5 q7 `! n) [& L2 x: J ) \$ b. k4 p$ r* H+ D; ?
# U9 D: }& c+ |6 F5 U$ u图4 试样宏观形貌
/ V. g- g4 o! i3 n( w7 X9 N2.断口分析 3 p- O- k; u) [2 a9 I
q! p& |! E3 o9 Q( W- V- _/ w6 K. J
& n0 `9 j1 |* f G1 n3 c9 _0 O4 S
& _0 |6 T7 f# h/ I$ @7 n& B图5 1号失效螺栓断口宏观形貌
2 v2 g% V9 `6 R2 x& j! q0 H/ o% u% y# ^8 Q
3 R7 p, b8 g; ?. F3 A
; `' d/ j- V# x3 _$ v4 } g
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。 
; ^. v/ b/ v. s5 e
2 @) p9 S, F' a2 H4 w图6 断面A区形貌 8 a; _( [1 ?2 b
 . v+ ?9 d! `3 ~
/ f \- v8 @; Y' @; J8 c
图7 断面A1区形貌
6 n. Y# F6 i* I# i- ~* @! x " y J* O0 w7 \1 Y' y+ r* `
! G4 _ i3 r, y图8 断面A2区形貌
. s. G4 s" g' V$ A0 e9 `$ ] ; p& c2 h i$ F; v
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。 u0 F( _! e2 Y3 O# }, z: X
& u1 @( N0 N( m图9 断面B区形貌 
+ G$ w- N4 J3 Z( _5 K
' o/ B5 p1 B- F$ J8 a
) q- E7 d' d- ~" W图10 断面B1区形貌
6 d8 u* I0 G9 `* v% y: D+ f) P! C G. t
8 S0 ^6 @) p$ ~6 S
/ h5 u' K+ r: m( i- g+ K4 s! Y图11 断面B2区形貌
- s. x5 H" z6 `8 o6 T% Y4 i8 A 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。
3 o. T5 E% J/ q, X
$ ^5 Y! Q4 l: l: ^
) |; }( G1 @* h7 i3 ~
图12 断面C区形貌
& z8 o A. a/ T/ `
$ i3 I/ w( k! y* }# X$ {9 v9 P
( n5 ?$ A5 U! u( ], u! `. f$ k3 U4 u. ^
! W( `" u8 D9 x: o) Y6 e
/ D5 O- E4 l, G" ~7 t图14 断面D区形貌
! s; e, @$ V; i- F, Y/ E1 W# ~ 断面D区可见大量韧窝，为螺栓瞬断区，如图15、16所示。  # y1 U( ^7 ^% J# `) L6 w. X# m9 C
图15 断面D区形貌
4 d1 B# y W) o
- s/ R3 X6 X7 f2 i. t, [( Z3 o" J) K \' P* ?- o/ y, Z
1 C- t+ h K8 F, a0 f图16 断面D区微观形貌 ]! q: M u, k3 [, t/ f
3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织 K1 e4 ?" [0 X; Q. T; e: z, b4 j
* l' Q4 k9 h+ K 0 j8 Z+ @! V1 K6 m
( F' e9 r. d( |8 c3 O图18 2号断裂件芯部金相组织4 j$ S5 R8 V ~6 n `) C
( x" \7 F( y+ Z- _( y3 D
' w% x9 i# K P* ]9 s( C7 s1 `
0 a8 b) C9 ]- o: W* V+ E
图19 完好件芯部金相组织 ?/ b" h' Z2 M
2 N6 E( l3 b- C$ ?/ v
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。 7 `! B5 `4 h, s; E) X, r
" `" w# S# L; ~# Z- l
图20 1号断裂件螺纹表面组织
4 \! V2 ^1 W! f6 d6 `' } 1 S, F( a# L( k1 C4 A; p/ D
4 b9 X1 T, s6 [$ p; g1 B
, H. T8 U+ a# o# H! @
0 p \% j; e/ V/ x% ~; d1 `
! r, R: F0 A* p! P' G
: x. P2 @$ {! K+ T2 T/ ~
6 M% l2 C) x, x' V6 p1 R7 P
图22 完好件螺纹表面组织 . @% D2 J# C, ^( D) `9 |0 }6 z
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。
5 b5 W! w3 p% s' p 
1 a2 B5 I, a) e: K) c0 s
" A0 Y/ T3 O% [$ a图23 1号断裂件非金属夹杂物 7 W I3 | ^ V( ^% H' H
 4 r4 b) t9 Y- c8 r
- {/ r, j7 r. F$ N2 M9 [2 z5 k& a
图24 2号断裂件非金属夹杂物
+ B6 g N( S, W
5 i) a7 T8 i( H* h L图25 完好件非金属夹杂物
0 p- |/ e0 d, f7 ?* T; P' U% G
% g, N' P% Z) X, d& o
: o: R6 d, P* [ {" } o# J T2 e4.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）。
, k, p# I( u7 g$ M1 G7 S表1 脱（增）试验结果（HV0.3） ) L2 o+ p* y' R) h. U9 [
( Q# m, Z' }- p 5 ?0 S5 b& b. c( Y' ^
表2 螺栓化学成分（%）
8 o4 k9 Z: c. n4 q+ q: h  % g8 y5 }+ ]) G. Q) z1 Z3 F
) [' s6 b3 s3 e; f
6.综合分析
/ v0 t3 V) h! B 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。 `: w. u4 K6 p
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。
; C- B& B% i% E! B$ y | 
发表于 2020-2-10 14:32:36
