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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）。 
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图1 试样宏观形貌 7 u, ~, B! n( `/ R& ?
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* _8 ^" }: A$ w; [, |图2 试样宏观形貌
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图3 试样宏观形貌: D/ Z5 `1 A+ g2 l3 @: {+ }
6 p+ L" X0 R# Y. H& {3 D+ t _/ O1 U! v) X" y9 J3 D- t& { z
! ^6 U4 g+ i. ]2 l" F9 L3 w* y图4 试样宏观形貌 # c* N+ W, z6 z! b
2.断口分析
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌
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; N* B9 l- }. T% B- a# v X! `# M/ [ 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。 
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' F3 W# H( t4 r9 ^; G8 V图6 断面A区形貌
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) P) d* t8 p) K/ B7 f" p图7 断面A1区形貌 8 k8 Z( m6 T# ^
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- J$ M! X" n5 s: y" s图8 断面A2区形貌
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# R/ |. B# x. a2 A) u {: f( \. t 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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( j8 w4 Z# r# x; N图9 断面B区形貌  3 Z5 d- \! K, { U' B7 x
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. ]. M7 u8 c% U图10 断面B1区形貌 % w, E. h, m3 u
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图11 断面B2区形貌
0 Z/ N1 p( a' }2 I 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。 & }8 }, c$ ]$ E/ M$ f, i8 l( B
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图12 断面C区形貌
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图14 断面D区形貌 ( W5 y) ^- W% C; }5 w
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
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0 Y/ L l1 b/ s. z, a, M, J) `9 O! ?6 z0 Q: E, r) {7 A" `4 N
0 T4 ]8 ?% }- [; Q: l$ b图16 断面D区微观形貌 , D% D, V6 ]- X! w5 K. n
3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织
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v- u' g% @. U8 Y7 T2 H* s* Q! n# o! K
5 {- e* c0 R* z9 O- y" V图18 2号断裂件芯部金相组织
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9 r8 z1 j8 K9 }$ x+ q% Q4 I图19 完好件芯部金相组织
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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。 3 B6 l: [; u. h% |+ E
; g D# q8 M8 p5 F1 \1 @0 V) l图20 1号断裂件螺纹表面组织
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H, s+ x$ P7 I4 d4 ] Y8 m, ~: r) [, p. O2 _8 g$ q/ ]% I- f
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图22 完好件螺纹表面组织
; e$ N+ L/ Q9 T7 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。0 k) f1 j1 Z1 m9 G& P
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图23 1号断裂件非金属夹杂物
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图24 2号断裂件非金属夹杂物 ! z8 a4 ]8 E2 n# _/ R% v: v# s. h
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图25 完好件非金属夹杂物 . J1 q! r# k( u9 b) }% p
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# {4 W: j7 ?0 @' ]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）。 " P$ ~& k! z M5 r/ E! A% {
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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1 o7 S8 c* G0 H& s" A& G" f# N7 @6.综合分析
/ H" r- p, L# t. k, g' b4 |4 \' ~ 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。
$ x; @' \; R/ u6 Y0 r9 H8 [1 j. X 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
