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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）。  : Z6 ]; i- h3 o7 w; j9 j9 W- }
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图1 试样宏观形貌 3 E9 s) P7 U' ~( w; a2 c, M
 6 U9 o0 ?# z. i4 W6 S$ \ M- \
; o9 v' n* T* J6 O% t# D& A图2 试样宏观形貌
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图3 试样宏观形貌
* @) m9 F8 |/ }4 z8 t 0 R* Q& d" W! C# |
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9 B6 F9 J; p% D ?" l4 a图4 试样宏观形貌 5 H# O5 A3 G# K- f
2.断口分析
9 [3 C$ q% D: ^6 O1 ?$ A
* K" w, h7 z! f# ]1 y: x% H8 |% N6 M7 q, f" N S
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌 ' f5 {5 n5 G9 i* \7 `
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) f" t2 f' Z, r+ c4 {' C! \
4 b# }5 w! }( B1 P y! w" r) ^ 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。  2 z" j# |" W. {' d) n% ~8 D: g
) y, G/ L9 e9 J, x' B* e5 C4 n" |图6 断面A区形貌
2 H6 S3 O! Q% P0 x
6 w2 K0 A/ s2 D! n
5 f) y' _0 q6 p Q ]图7 断面A1区形貌 & K: `# P) e! `$ N0 |; K
 " x. W9 f# z: m" w7 j( q! O/ Q1 b
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图8 断面A2区形貌7 S: s: ?% y( _. h8 G8 u
1 _5 Z+ s: B G" ^3 M P: 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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) a$ G( J. `$ p1 Z图9 断面B区形貌  6 q" R2 i2 d( P: b
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4 G/ W3 i) j$ i- }图10 断面B1区形貌
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& A& j/ W5 l" S! d0 W: ]! T" p1 H- h/ ]3 c0 ^0 C
, }; [' L h+ X- X4 n" |& t) Y图11 断面B2区形貌 $ z' |* ^ v7 c4 u' }' j, o- K
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, z, a4 z+ o2 e3 s2 ~% ~% e+ u
, u7 m1 \! D& q5 |* F. k) _/ W
8 s- o# E1 M4 p/ N- v6 Q图12 断面C区形貌 0 K9 B1 ?; ? I7 y T3 ?5 S
: f8 t1 V7 M7 T: }$ `9 \( P2 Y% y) ?1 V. j- ^$ f, Z& W
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# F3 x6 E8 {7 o7 T( A8 [6 M, _& W+ S( n$ U) ]
图14 断面D区形貌 . b( y9 z2 U/ y. g: p% x9 l" {
断面D区可见大量韧窝，为螺栓瞬断区，如图15、16所示。  + ~6 v7 ~0 g5 S3 Z* Z9 \0 k) h
图15 断面D区形貌
6 S5 r$ T7 v, P7 `% B' Z. E H* @+ m t* ]# ?
9 h! y4 R, G1 J: G% N
3 O# M/ p+ t& Z图16 断面D区微观形貌
! n' l( j1 {$ A: g& [3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织
" {% x3 [) o1 e/ W 5 z Y# e* r! z! X9 L
& X% P s* q& A" f; m E
+ T, q( @0 q5 v7 F; t( Q- y图18 2号断裂件芯部金相组织2 C% E5 u& R# [4 Z5 C! ?
% T( o% e. E- h
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' R$ N2 _* D/ u/ ^1 F+ v
图19 完好件芯部金相组织
. d: [7 Q5 u' b0 L- Z) P- ^# T
) {( A! \- x" |: I& ^9 n 图20~22所示分别为1、2号断裂件和完好件的螺纹表面组织，未见表面不连续性缺陷。
+ g: O7 w1 I0 u* d8 g* V
( ~2 d# x- F/ |0 D. ~7 \) W) |
图20 1号断裂件螺纹表面组织 V) V" I" \+ P
 $ I* @& K9 u- n0 C2 K( v* g+ v0 K
' }6 b% k( @! w6 |' w8 L: a
3 o& g+ `6 X( }9 q5 q% h9 I
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) S" d% a1 R5 Y* R7 P7 J- |7 ?# @ c
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! m8 p/ H& F9 [/ x7 |图22 完好件螺纹表面组织
. {# |# o( B+ I+ `! ^ 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 N4 `$ d. [9 ^* J 
' R+ m6 O9 T" P& o* A; T$ X
4 n6 `5 O* Z3 H, O& @7 \图23 1号断裂件非金属夹杂物 ' K0 c8 Z( r2 D# o/ [4 K
4 D1 V$ n+ v1 f: N' p0 n6 ~" O
* z4 H# I4 u, y& p1 B) O# w* r2 _3 E
图24 2号断裂件非金属夹杂物
$ j$ g$ {8 K i6 D' P9 T
2 }- N! ^" a E& F! ]+ Q# _图25 完好件非金属夹杂物 + e- a8 L! C! ?7 r
' P+ B1 r/ o! z/ P2 R6 ]0 {) E
& g% Q( i* e3 O- w' P& J: K- n4.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）。 4 ^7 a8 v& Y3 c! J+ S0 O. v( e! F6 d# ~
表1 脱（增）试验结果（HV0.3） h, E- Q) @3 r% T, l! e- g
) r" A2 i1 \, {' G$ X \! q1 L( S x) h
 5 a" k0 ^! D0 L
表2 螺栓化学成分（%）- y p/ P4 v% S, J }$ I: d$ l
V3 x# Z u! a2 C
6 ^6 b, X. X% V. ]: _6.综合分析 ' O+ w4 L, n& W. K* d: B: R
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! ^( j5 g5 _; h8 C
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。 5 c. ]9 I1 n9 V( P# M i
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发表于 2020-2-10 14:32:36
