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)。 ; l/ J: C) f8 o% {
. U |' t% h( B5 f! G图1 试样宏观形貌
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8 _7 } m( x4 q, P- g4 }3 h( O图2 试样宏观形貌 ; W; V2 C: c6 M/ W. Y
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5 w- G: m# |! D4 o0 i图3 试样宏观形貌
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1 |( h/ k3 h3 f; c* g- q . b9 U% l) s% a/ C/ d/ z: `
图4 试样宏观形貌
5 M5 {/ _, R% m9 `2.断口分析 + X9 _* m/ u4 ]' G
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌
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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。 8 k7 I, Z2 Y# p4 m- t
" ~, b1 E$ D; g5 y c. m" v, `9 a
图6 断面A区形貌 - t2 B; k. f$ q( }# ?
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7 s$ j5 B4 n+ e图7 断面A1区形貌
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) l" Y3 \7 _8 C% a B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。 7 y# `; }6 o, \; M6 n0 ~6 u2 ?* F

6 t1 [, d! e1 p }图9 断面B区形貌 [9 o) J+ y- \6 B4 P
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8 T4 t) e! p( a0 ?% m7 d: q图10 断面B1区形貌
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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
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& X! d3 [6 H1 Q5 S1 w& u图12 断面C区形貌 " o7 M P9 F* {; N9 g4 J5 u+ O
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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。 . x3 |# V, {+ C/ ^. f
图15 断面D区形貌
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* }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
0 Q) Q( y) y$ H5 F1 }! a2 w $ F3 a5 U O, U- K3 H. z5 c6 _

5 O/ b$ k0 m- V! `
% n) ~5 e" F( b8 k图18 2号断裂件芯部金相组织
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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
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图20 1号断裂件螺纹表面组织
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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
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{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
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$ d& t" f$ @' S" N6 m; c4.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)。 $ _5 e7 ?$ R* l
表1 脱(增)试验结果(HV0.3)
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& 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
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: ^8 H8 q% i9 t/ |) `" v2 R6.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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