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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
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; g! s) p: Y' t( B' E9 B图2 试样宏观形貌 * {$ R& i) @0 j) \% P( e
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7 t5 \/ b: u! |" z图3 试样宏观形貌; e0 z4 z; z3 t8 \3 e
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( B% Q. e3 [9 J2 M' @) r) q" h7 C- t
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图4 试样宏观形貌
" V8 X5 Y0 Q a! l/ y2.断口分析
6 N9 T: Y" {& P. N, e6 H
5 K) k9 Y# ` u. B2 j& l
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌
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B) h% n4 t _# V
: H- b3 W/ V( V; |- y 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。  * ~, Y( n' y, ^4 v& w- ?* q! g
- E# X) \$ K/ V! p8 g图6 断面A区形貌 & o' F4 i, e8 [6 m% {& [
# e9 f6 Y3 H; i: @# S& H( [1 @
0 }* g+ i- d' o9 g& ?图7 断面A1区形貌
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1 h9 H* g4 S5 C- U V
图8 断面A2区形貌/ A( s) a Q5 c$ ^& @
: L9 j5 N, h, B, `& l% A/ x 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。 " Q% K* C3 O7 l/ ]/ U7 {) |9 v+ V
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图9 断面B区形貌 
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图10 断面B1区形貌 : A6 s* ^% \7 v: Y) \) o% S
8 k* }, }4 k. `# T- e3 I8 k
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8 o* \" K; L+ G0 |1 R5 @
图11 断面B2区形貌 & {/ U A8 J1 `
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。 % ]# X. P) k+ M: {9 K- d
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图12 断面C区形貌 % ]) F# y8 ], i/ Z$ [, {
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8 q1 a- o; J2 X/ o* ?% D6 E7 ?8 g图14 断面D区形貌 : v o6 \9 b6 y" y4 X
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 - u* \, a" S: v; D X
; O1 i7 m1 M% j) t; J% L+ U3 I6 d, a0 U" P% \6 _: E' F, K, F
; U; T; S& {1 N7 w- s
图16 断面D区微观形貌 0 e2 i' |. J6 D) J4 [, {4 ^
3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织9 G' _. L: Z4 G; h- A
7 J, s4 x& Y! y, G8 ?' C& v5 A
7 ~( I$ ]) D% K$ H3 w1 `3 y
' H9 U- Z( r/ M- F3 k
图18 2号断裂件芯部金相组织, Q T8 F8 q5 a% t- s V* e1 V
, ?( A6 k# X8 r% u S7 o0 f5 x' B% k $ ~, [! O$ l) s6 o! y* V
: ^! c# R4 g& x8 P" Z
图19 完好件芯部金相组织" m( f& `7 o: n# N1 K
2 B- V G: V5 c; o- `$ G* N+ B 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。
( s9 @% I2 c1 N4 v( M2 m. r9 u$ K
" s% |2 Q6 n2 z8 ?- [& V0 C
图20 1号断裂件螺纹表面组织
1 Y! B5 f# _ N8 B 8 {0 G+ `: F8 R* F
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8 e2 i, g( a4 _ L8 i9 h
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3 M7 e+ A, V9 x& M
7 w7 n; m) M1 \1 ~) P' l1 a5 s( c6 b; a H! B- m/ x, U
图22 完好件螺纹表面组织
0 h- k! I! D7 H 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。
' b6 }9 b4 n2 T$ [& }+ r) K 
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( G; w5 O7 M" C8 T) L
图23 1号断裂件非金属夹杂物
2 Q `2 g9 C% @! U : w+ h& @; a" i2 [) A& K+ k
1 w6 k" o- v0 B R5 y0 H+ K: Y图24 2号断裂件非金属夹杂物 5 r- v1 N$ Y3 M: I0 c7 U; y" v
1 k' G: D7 h' K1 ?+ E" v) r
图25 完好件非金属夹杂物
E" t/ i4 g" X, i! i% i: N* Q8 m5 W
6 Q+ i% }. D& q- O5 m
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）。
/ G3 A9 r# q3 M+ b( U) T4 ^* a N表1 脱（增）试验结果（HV0.3） " _- l& j1 H, n0 h- x
% z! C1 E; m$ a+ P5 U- z: e# S* W; { . ~, q, x( i- y# v4 q# X+ S
表2 螺栓化学成分（%）( ?* M3 }* _: Z- w1 `
5 x# r$ u9 y1 W. k% X
8 D/ G+ F d3 I3 I6.综合分析
2 W/ c5 u+ K0 j- @ 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。 , ?5 c1 a0 j. r) J0 P# A
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
