輪轂螺栓斷裂失效分析

某汽車10.9級輪轂螺栓，規(guī)格為M22×1.5×115mm，材料為40Cr，表面磷化處理。在汽車運行過程中螺栓突然斷裂；螺栓斷裂后對輪胎進行更換輪胎，更換輪胎時有的螺栓因滑牙無法拆卸。

對輪轂斷裂螺栓的安裝位置，見圖11-29，斷裂螺栓外觀見圖11-30，斷裂部位在螺紋部分，斷口附近無明顯塑性變形。 斷裂起源從于一側(cè)向另一側(cè)擴展，部分區(qū)域有敲擊痕跡，斷口附近螺紋有碰撞痕跡,

圖11-29 螺栓安裝位置                  圖11-30 斷裂螺栓形貌

斷口附近桿部有明顯磨損痕跡，其他三件完整螺栓螺紋部分也均可見螺紋碰撞痕跡。斷面顏色較深，平坦光滑細密；瞬斷區(qū)斷口較粗糙，斷面可見清晰疲勞條帶，從疲勞條帶形貌和面積判斷，瞬斷區(qū)面積較小，約占總面積的15%（圖11-31）。

圖11-31   螺栓斷口宏觀形貌

   微觀形貌分析和能譜分析，在掃描電鏡下對斷口進行微觀觀察，斷裂源區(qū)微觀上（圖11-32、圖11-33）可見較多的疲勞條帶，并且疲勞源區(qū)的疲勞弧形和疲勞條帶清晰可見，未發(fā)現(xiàn)低倍缺陷及夾雜物，擴展區(qū)形貌（圖11-34、圖11-35）為疲勞準解理，有二次裂紋，瞬斷區(qū)的微觀形貌為拋物線狀韌窩形貌（圖11-36）。

對斷口的能譜分析結(jié)果顯示疲勞源區(qū)不存在腐蝕性元素。

圖11-32   多源疲勞臺階                 圖11-33  疲勞源疲勞條帶

圖11-34  擴展區(qū)的準解理                圖11-35  擴展區(qū)二次裂紋

               圖11-36   瞬斷區(qū)韌窩形貌

顯微組織分析，沿斷口縱向剖開，經(jīng)金相制樣，在光學顯微鏡下觀察，螺栓的表面和心部組織均為回火索氏體組織（圖11-37），表面無脫碳現(xiàn)象，螺紋牙型完好，未發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷。

                      圖11-37  回火索氏體組織

   用光譜法在斷裂螺栓上進行化學成分分析，各元素含量均符合《GB/T 3077- 1999》關(guān)于40Cr材料的標準規(guī)定。

在斷口附近的螺紋牙底進行硬度梯度測試，檢測結(jié)果表明螺紋牙底附近硬度分布均勻，符合《GB/ 3098.1-2000》標準要求。

   采用6h環(huán)規(guī)的止規(guī)、通規(guī)分別對3件完整螺栓進行尺寸檢測，3件螺栓均未能通過6h環(huán)規(guī)通規(guī)檢測，在對碰傷螺紋部分進行修復后，3件螺栓的通止規(guī)檢測均符合要求，能順利通止。

斷裂螺栓的化學成分符合40Cr鋼的標準成分。金相組織為回火索氏體，表面無脫碳現(xiàn)象，其硬度值也符合標準要求，表明螺栓的材料和熱處理工藝正常。

   斷口附近無明顯的塑性變形，表明螺栓不是由過載引起的斷裂。由于斷口的裂紋擴展區(qū)存在疲勞斷裂所具有的典型特征：疲勞條帶和輝紋等，并且能譜分析未在斷口處發(fā)現(xiàn)任何腐蝕性元素，可以排除斷裂是由腐蝕引起的，即未發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，只是由應(yīng)力集中造成的單純疲勞斷裂。

由疲勞斷口可見，瞬斷區(qū)只占很小一部分，而疲勞擴展區(qū)面積很大，這說明整個螺栓一側(cè)所受應(yīng)力較小，而螺栓另一側(cè)螺紋根部受到很大的應(yīng)力；另外由于螺栓根部存在較大的應(yīng)力集中，因而容易萌生裂紋，裂紋一旦產(chǎn)生，裂紋尖端始終受到較大的應(yīng)力，因而在交變載荷下不斷疲勞擴展，直至斷裂。

疲勞破壞時疲勞源的數(shù)目一般受應(yīng)力水平和應(yīng)力集中的影響，當應(yīng)力水平高或有應(yīng)力集中存在時，疲勞斷口上往往存在多個疲勞源，這些疲勞源并不處于同一個垂直于主應(yīng)力的平面上，因而當疲勞裂紋向前擴展時，它們會匯合成一個單一的裂紋前沿，并在斷口上留下“臺階”等特征。

輪轂螺栓受力狀態(tài)為：汽車行駛時受到汽車重力，行駛中的滾動阻力以及轉(zhuǎn)彎時或在傾斜路面上產(chǎn)生的側(cè)向力，汽車制動時還受到路面的制動力，隨著車輪轉(zhuǎn)動，路面對車輪產(chǎn)生的沖擊力，這些力構(gòu)成了輪轂的交變循環(huán)應(yīng)力。在輪轂螺栓和螺母配合良好，螺母擰緊的情況下，這些力不全部是由輪轂螺栓、螺母承受的，它還要克服輪輞與輪轂之間的摩擦力，也就是說輪轂、半軸及橋殼也承受分擔了上述各力。如果裝配輪轂螺栓螺母時，螺母未擰緊，預緊力不夠，從而造成輪輞與輪轂摩擦力過小，甚至造成內(nèi)輪輞未與輪轂貼合，此時上述各力均由輪轂螺栓、螺母承受，這就大大增加了螺栓螺母所承受的載荷力。螺栓在這種情況下一直受到交變應(yīng)力的作用，而且螺栓的螺紋根部本身就存在應(yīng)力集中，易形成多源疲勞。斷裂件附近桿部四周有明顯磨損痕跡，表明螺栓固定不好，螺栓松動發(fā)生撞擊出現(xiàn)磨痕。

同時從另外三件完整樣上均發(fā)現(xiàn)有螺紋碰傷導致螺栓無法正常通過通規(guī)測試的情況，而經(jīng)修復后均能通過通止規(guī)測試說明螺栓的制作尺寸是符合要求的。

綜合以上情況分析，可推斷該批螺栓在運輸及安裝前螺紋有碰傷情況，而安裝時工人直接將有螺紋損傷的螺栓與螺母配合擰緊，這就會產(chǎn)生兩種情況:一是強力擰入，引起螺紋的變形，同時在服役條件下，螺紋的變形程度在交變力的作用下不斷加劇，從而導致拆卸時無法正常擰出；二是表面上螺栓螺母的配合良好，安裝扭矩達到了安裝要求，而實際上由于螺紋損傷導致配合的摩擦系數(shù)大大增加，螺母與螺栓的預緊力并未真正達到安裝要求，在螺栓正常服役條件下，這種預緊力不足的連接就增加了螺栓的承受載荷而導致了螺栓疲勞壽命的降低。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓材質(zhì)、顯微組織、硬度、尺寸均符合相關(guān)標準要求。

（2）螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（3）螺栓安裝預緊力不足，固定不好而松動，在交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中螺紋根部形成多源疲勞，疲勞裂紋不斷擴展最后疲勞斷裂。

（4）對螺栓的生產(chǎn)、運輸和保管過程，采取措施保證螺栓安裝前螺紋的完好性。

（5）螺栓在使用一段時間后，應(yīng)檢查螺栓是否松動，確保螺栓的預緊力滿足使用要求。