你不知道輪轂螺栓斷裂的二三事
1.概述
現(xiàn)有輪轂螺栓斷裂殘件2件，完好件4件，等級(jí)為10.9級(jí)，材質(zhì)為SCM435，螺母三件，安裝于車輛輪轂處，服役過(guò)程中失效，要求分析失效原因。圖1~4所示為試樣宏觀形貌，螺栓斷裂位置為螺紋收尾處，斷口及斷口附近均未見(jiàn)明顯的塑性變形，斷面內(nèi)部分區(qū)域存在磨損痕跡。螺母中（圖3所示），兩件表面磨損嚴(yán)重(圖3所示1、2號(hào)樣)，一件表面輕微磨損（圖3所示3號(hào)樣），檢測(cè)螺母螺紋，發(fā)現(xiàn)1號(hào)螺母約1/2的內(nèi)螺紋已經(jīng)嚴(yán)重磨損（圖4紅色虛線所示）。
圖1 試樣宏觀形貌
圖2 試樣宏觀形貌
圖3 試樣宏觀形貌
圖4 試樣宏觀形貌
2.斷口分析
任取一件失效件進(jìn)行斷口掃描，圖5所示為2號(hào)失效螺栓斷口的宏觀形貌，斷面較平整，斷口附近無(wú)明顯塑性變形；斷口邊緣可見(jiàn)輪輻狀臺(tái)階，斷面內(nèi)可見(jiàn)明顯的“貝紋線”，由左、右、下側(cè)邊緣向中心擴(kuò)展（圖5紅色箭頭所示）。將斷口分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域進(jìn)一步描述。
圖5 1號(hào)失效螺栓斷口宏觀形貌
圖6~8所示為A區(qū)形貌，可見(jiàn)該區(qū)斷口靠近邊緣（A1區(qū)）存在輪輻狀臺(tái)階，微觀可見(jiàn)磨損痕跡，靠近芯部（A2區(qū)）可見(jiàn)疲勞輝紋。
圖6 斷面A區(qū)形貌
圖7 斷面A1區(qū)形貌
圖8 斷面A2區(qū)形貌
圖9~11所示為B區(qū)形貌，可見(jiàn)該區(qū)斷口清晰的貝紋線，起源于斷口邊緣向中部擴(kuò)展，靠近邊緣部（B1區(qū)）可見(jiàn)磨損痕跡，靠近芯部（B2區(qū)）可見(jiàn)疲勞輝紋。
圖9 斷面B區(qū)形貌
圖11 斷面B2區(qū)形貌
圖12~14所示為C區(qū)形貌，可見(jiàn)該區(qū)斷口靠近邊緣（C1區(qū)）可見(jiàn)輪輻狀臺(tái)階，微觀下可見(jiàn)磨損痕跡，靠近芯部（C2區(qū)）可見(jiàn)少量韌窩。
圖12 斷面C區(qū)形貌
圖13 斷面C1區(qū)形貌
圖14 斷面D區(qū)形貌
斷面D區(qū)可見(jiàn)大量韌窩，為螺栓瞬斷區(qū)，如圖15、16所示。
圖15 斷面D區(qū)形貌
圖16 斷面D區(qū)微觀形貌
3.金相檢測(cè)
圖17、18、19所示分別為1、2號(hào)斷裂件和完好件芯部的金相組織，均為均勻的索氏體組織，無(wú)異常。
圖17 1號(hào)斷裂件芯部金相組織
圖18 2號(hào)斷裂件芯部金相組織
圖19 完好件芯部金相組織
圖20~22所示分別為1、2號(hào)斷裂件和完好件的螺紋表面組織，未見(jiàn)表面不連續(xù)性缺陷。
圖20 1號(hào)斷裂件螺紋表面組織
圖22 完好件螺紋表面組織
圖23、24、25所示分別為斷裂件和完好件的非金屬夾雜物照片，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標(biāo)準(zhǔn)可判定斷裂件和完好件均為D類球狀氧化物（細(xì)系）1級(jí)。
圖23 1號(hào)斷裂件非金屬夾雜物
圖24 2號(hào)斷裂件非金屬夾雜物
圖25 完好件非金屬夾雜物
4.性能檢測(cè)
對(duì)螺栓進(jìn)行脫（增）碳檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，根據(jù)“ISO 898-1:2013”中對(duì)10.9級(jí)螺栓的要求，可判定為螺栓斷裂件與完好件均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂件與完好件的芯部硬度滿足委技術(shù)要求（芯部硬度34-38HRC）。
表1 脫（增）試驗(yàn)結(jié)果（HV0.3）
表2 螺栓化學(xué)成分（%）
6.綜合分析
螺栓斷口形貌顯示，宏觀可見(jiàn)斷面邊緣存在輪輻狀臺(tái)階，瞬斷區(qū)位于接近斷面中部位置，“貝紋線”清晰可見(jiàn)，分布瞬斷區(qū)兩側(cè)，呈典型的多源疲勞斷裂特征。通常情況下，緊固件疲勞失效的原因?yàn)椋寒a(chǎn)品質(zhì)量存在問(wèn)題，裝配工藝不合理，后期維護(hù)不到位等。
在本案例中，螺栓芯部金相組織、化學(xué)成分、洛氏硬度等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。螺紋表面未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象或不連續(xù)性缺陷。另一方面，從工況上分析，輪轂螺栓在正常預(yù)緊狀態(tài)下，主要受軸向拉伸載荷。但是，如果螺栓在安裝時(shí)由于預(yù)緊力不一致，沒(méi)有采取有效的防松措施，在服役時(shí)易發(fā)生松動(dòng)而承受額外的剪切、彎曲載荷，導(dǎo)致其服役時(shí)在應(yīng)力集中位置萌生疲勞裂紋。試樣宏觀形貌顯示，其中一件螺母近1/2內(nèi)螺紋嚴(yán)重磨損，表明螺栓失效前該組合件可能已發(fā)生松動(dòng)。
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