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你不知道轮毂螺栓断裂的二三事

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发表于 2020-2-10 14:32:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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图2 试样宏观形貌

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图3 试样宏观形貌
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图4 试样宏观形貌


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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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6 P. Y6 a1 d* I* G9 S- A
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    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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图6 断面A区形貌

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图7 断面A1区形貌


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图8 断面A2区形貌% U; P+ _6 a0 s, i; I3 p

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       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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6 t1 [, d! e1 p  }

图9 断面B区形貌

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图10 断面B1区形貌

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' {2 m. K8 ]# n( m4 f. j1 ?

图11 断面B2区形貌

1 x" W; }! W- o  F

    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。

- y0 |% Q$ V! ]; t, n' s. i

$ H% }. V, X  b* @0 _6 |9 U


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图12 断面C区形貌

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6 F" I+ Q: ]9 l4 N

图14 断面D区形貌

# m. H4 L. E% _; F0 \" M

    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


6 C3 W5 u& z+ u# y/ F
4 T  Z/ t" L1 H4 G" h/ Y8 f

/ k( y* ~+ o( f* ^7 T9 L7 `
* }0 a: \( T6 c

图16 断面D区微观形貌

9 O; k; ?" _$ I9 d9 F

3.金相检测

图17  1号断裂件芯部金相组织
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5 O/ b$ k0 m- V! `


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图18  2号断裂件芯部金相组织
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2 _* D* f1 {2 L8 }$ C8 t


8 r0 U" c7 U! u: M

图19  完好件芯部金相组织( s9 t( f4 d( ?1 n# ]& m

9 R. u  C* d1 x; X

    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。

9 m2 G8 \3 ^# L; d; I" Q

' I2 T7 _1 `8 s) F

图20  1号断裂件螺纹表面组织


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- Z# C& Z3 A+ F7 q

2 m. v1 D" I' y4 V. O. I
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2 O# z0 F, w# g, q. d( i* L


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图22 完好件螺纹表面组织

' Q; ~3 Y1 X) o+ 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。/ Z2 y! V6 g2 Z% B8 ?# M

% H9 {1 H7 w9 Z8 `* V8 ?5 F


0 v$ b8 m% c5 S' _. x, `+ R- v# B

图23  1号断裂件非金属夹杂物


' b1 r. E. L; h' F' [+ m" t


  {3 b. B) x8 L: g* b, J- t1 Q3 L

" _. x+ C+ O4 \, j8 E" p+ M' Y

图24  2号断裂件非金属夹杂物

( q6 o% t: ^, ^3 P4 q


: K$ I- r" }9 F$ {5 t

图25  完好件非金属夹杂物

: _9 R, e2 J, P# b. r

# F0 F) e% c0 {: Q6 ^
$ d& t" f$ @' S" N6 m; c

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)。

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表1  脱(增)试验结果(HV0.3)


* L, }* |  U. N
& E0 G: y; d; s* {$ z

* y8 }* s4 V7 l7 `, a

表2  螺栓化学成分(%)1 w- I4 m) P$ a! p2 Y

) @& ]6 M. u5 r# @


: ^8 H8 q% i9 t/ |) `" v2 R

6.综合分析


. K- q; T7 O" d) y6 m+ F( 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。


( d+ y# K8 _# |) o9 \9 M2 L

      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 16:45:06 | 显示全部楼层
发现断裂时的安装状态很要紧。轮毂孔处的痕迹也很要紧。
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发表于 2020-2-10 20:01:51 | 显示全部楼层
感谢分享。
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发表于 2020-2-10 20:38:12 | 显示全部楼层
螺栓安装的时候最好要使用扭力扳手,特别是精密部件,不然,后期做的任何实验都无法做出合理的分析
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发表于 2020-2-10 22:44:04 | 显示全部楼层
好,描述清晰,格式规范
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发表于 2020-2-11 09:26:43 | 显示全部楼层
谢谢社友分享
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发表于 2020-2-11 12:06:28 | 显示全部楼层
螺栓热处理的问题
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发表于 2020-2-11 12:08:39 | 显示全部楼层
螺母头上是带锥度的,如果与螺栓的同心度做的不好,也容易断吧
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