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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+ r9 f- s1 V; d6 ~: q1 b$ @4 q* A图2 试样宏观形貌 % f. y; Y9 H) w5 I2 ~
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& Y% U1 y7 d g, o, C |图3 试样宏观形貌7 ?8 m$ s* `2 o# w$ f8 Q% O8 I+ L
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' F8 Y7 Y1 I4 u# h6 }图4 试样宏观形貌
6 w9 A! w1 O! u7 q$ ^0 l h2.断口分析
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图5 1号失效螺栓断口宏观形貌 4 b( ^0 |, o4 A2 O5 V
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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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) I: G7 K. ? x. x# f8 _7 ]图6 断面A区形貌 6 i! B/ p0 X m! y! U2 U

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图7 断面A1区形貌 % D6 p' b3 K8 [* _1 ]' s

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. k( d4 Y$ n2 e5 `0 L" Q图8 断面A2区形貌
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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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3 {% R% T! o/ [3 `图9 断面B区形貌 
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& C8 P$ R) b. v6 x3 N图10 断面B1区形貌 5 _5 q" g! d$ C9 R& q' r) B7 S
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! d1 r; F: I+ v% J4 q% U. n图11 断面B2区形貌 & ~; i+ g' I) d# s
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。
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图12 断面C区形貌
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. M, l. O0 H a1 X G图14 断面D区形貌 , A# V ?* C; K8 G9 F6 k
断面D区可见大量韧窝,为螺栓瞬断区,如图15、16所示。 ~/ u/ F0 R0 t3 |9 w/ e+ e
图15 断面D区形貌
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图16 断面D区微观形貌 ; G+ ?2 R" n* V F9 z( b
3.金相检测 图17 1号断裂件芯部金相组织
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# J2 n+ N# {* G1 F1 x6 n' Y图18 2号断裂件芯部金相组织' P, A3 y) \( U" K: _
6 ?% e- q; k+ N% S; A$ k/ K ( f5 k+ B+ b* `9 ^9 E" u& T4 |
- J* O3 g, W5 K# [9 K图19 完好件芯部金相组织; h0 K5 P* @( D L0 l
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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。 - Z( P; R6 c8 T7 o3 Q' [! V! @2 c

3 R5 Y2 X+ {3 E' I6 w3 d图20 1号断裂件螺纹表面组织 ( j: x, o8 A4 Z) U! W
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' P" q# ~3 m8 c0 a- ~图22 完好件螺纹表面组织 ' b- A: m& \) t+ u
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。
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1 ^( {7 ^( C; \; p图23 1号断裂件非金属夹杂物 7 Q; ]. O; Z" ?4 E) {7 J$ E4 f8 s

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/ h9 I, \3 g6 b- ~! F8 y图24 2号断裂件非金属夹杂物 4 ~4 B# Y+ K* Q
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图25 完好件非金属夹杂物
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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)。
% g9 @+ f! a8 P& ~( g* A表1 脱(增)试验结果(HV0.3)
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表2 螺栓化学成分(%)' W: Q1 \, [- `: B8 O- E
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6.综合分析
4 ?( Q: z& \+ s 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。 / e W6 b" ^0 h! y5 e! J* c
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。 * T/ n/ `2 A |( Y; p& d! A* O
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