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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）。  : N4 K$ n) @% i' t
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图1 试样宏观形貌
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2 H$ y: Z w" {* f. p1 I3 u图2 试样宏观形貌 0 J, k9 h3 k ^$ x9 q8 L! c
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图3 试样宏观形貌7 Q7 h( P4 w3 o I D
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) l9 i3 }4 E7 `9 O图4 试样宏观形貌 , [! g5 i5 }, K/ A) ^; p
2.断口分析 ; \: [9 }& _. R2 x- \
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* M! R* S0 [* V: Y- H4 I1 v& G% i图5 1号失效螺栓断口宏观形貌
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5 u" d8 Y4 ^: w) G7 e' n7 t4 q9 R" [; r& o8 B4 L4 G$ I
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。  1 j2 p; Q8 |+ U2 R$ B
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图6 断面A区形貌
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2 K/ f% `+ _6 b; x4 j/ E* M
, K- `+ g/ r$ n$ D图7 断面A1区形貌 5 Y, n$ o- v/ {' |* V' h1 J
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图8 断面A2区形貌4 M s% r5 q! J
- U1 I4 o' h& O3 p0 R4 {' { 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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& ?$ U1 G. i! a- D4 ^图9 断面B区形貌 
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" c; ~' f- X; }+ {: d# s. o- \图10 断面B1区形貌 ! ]! w5 i6 Q- S/ g4 \0 V
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图11 断面B2区形貌 3 s1 L0 ]7 g5 U- s
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。 - |, W2 |" I2 O
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图12 断面C区形貌 ( \8 a; }8 I9 ?- f
6 X( S6 ~; Y" A: s" y, a4 A' p3 k! r7 f( u, [$ f, \0 A
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6 i/ d- U4 j+ n2 `: X$ y! T图14 断面D区形貌 8 G, _, p8 n2 l% A5 b
断面D区可见大量韧窝，为螺栓瞬断区，如图15、16所示。 
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图15 断面D区形貌 + X: l) u G/ o* U0 Y
n) c" ?! s2 Z0 Z, B; g: {7 U
# H) \4 K$ y$ x; n- o, L$ Q
7 t' L1 ~" h4 b5 v2 L图16 断面D区微观形貌
4 q; k. r, l1 t9 T3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织
- s: {4 z$ C5 q! P, h' ` " J! \, p% Q2 r. D {1 a
 , J u8 a1 y2 z
# v: v9 L- r+ t6 p Z图18 2号断裂件芯部金相组织, c! f5 E# \ v1 o+ T
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 1 k( O3 {" s$ Z, n, m+ p
; H$ i n$ h7 w# a图19 完好件芯部金相组织7 t' N! e; G1 C# p
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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 C) R9 D0 G; Q
% o. v2 o+ r/ F' i+ @4 u0 P图20 1号断裂件螺纹表面组织
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1 N, B% F+ k2 |3 }" R# s: K
6 J; h5 k' p1 b8 E7 ? `& J2 U0 U
* T* h; V- x$ ?( ? : F) Q8 m$ Z; }0 Q8 p- S
0 e+ o Z; \, `7 \! V
& g( w. c/ F ] r图22 完好件螺纹表面组织
$ O7 ]8 {& l9 W 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。
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图23 1号断裂件非金属夹杂物
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5 {3 {' R) \ l" c8 ~ m* d图24 2号断裂件非金属夹杂物
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( C2 M, ~9 ?7 h4 a3 @3 s
图25 完好件非金属夹杂物
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1 ^2 v% D2 x* W( \4 ^7 w' n 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）。
1 H1 p9 B1 Y( e5 l& G6 p: A: e8 C表1 脱（增）试验结果（HV0.3）
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表2 螺栓化学成分（%）
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6.综合分析
' }8 I2 Y5 @$ \% I0 C 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。
% U$ x0 v6 L, N 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
