1.概述
現(xiàn)有輪轂螺栓斷裂殘件2件，完好件4件，等級為10.9級，材質(zhì)為SCM435，螺母三件，安裝于車輛輪轂處，服役過程中失效，要求分析失效原因。圖1~4所示為試樣宏觀形貌，螺栓斷裂位置為螺紋收尾處，斷口及斷口附近均未見明顯的塑性變形，斷面內(nèi)部分區(qū)域存在磨損痕跡。螺母中（圖3所示），兩件表面磨損嚴重(圖3所示1、2號樣)，一件表面輕微磨損（圖3所示3號樣），檢測螺母螺紋，發(fā)現(xiàn)1號螺母約1/2的內(nèi)螺紋已經(jīng)嚴重磨損（圖4紅色虛線所示）。
圖1 試樣宏觀形貌
圖2 試樣宏觀形貌
圖3 試樣宏觀形貌
圖4 試樣宏觀形貌
2.斷口分析
任取一件失效件進行斷口掃描，圖5所示為2號失效螺栓斷口的宏觀形貌，斷面較平整，斷口附近無明顯塑性變形；斷口邊緣可見輪輻狀臺階，斷面內(nèi)可見明顯的“貝紋線”，由左、右、下側(cè)邊緣向中心擴展（圖5紅色箭頭所示）。將斷口分為A、B、C、D四個區(qū)域進一步描述。
圖5 1號失效螺栓斷口宏觀形貌
圖6~8所示為A區(qū)形貌，可見該區(qū)斷口靠近邊緣（A1區(qū)）存在輪輻狀臺階，微觀可見磨損痕跡，靠近芯部（A2區(qū)）可見疲勞輝紋。
圖6 斷面A區(qū)形貌
圖7 斷面A1區(qū)形貌
圖8 斷面A2區(qū)形貌
圖9~11所示為B區(qū)形貌，可見該區(qū)斷口清晰的貝紋線，起源于斷口邊緣向中部擴展，靠近邊緣部（B1區(qū)）可見磨損痕跡，靠近芯部（B2區(qū)）可見疲勞輝紋。
圖9 斷面B區(qū)形貌
圖11 斷面B2區(qū)形貌
圖12~14所示為C區(qū)形貌，可見該區(qū)斷口靠近邊緣（C1區(qū)）可見輪輻狀臺階，微觀下可見磨損痕跡，靠近芯部（C2區(qū)）可見少量韌窩。
圖12 斷面C區(qū)形貌
圖13 斷面C1區(qū)形貌
圖14 斷面D區(qū)形貌
斷面D區(qū)可見大量韌窩，為螺栓瞬斷區(qū)，如圖15、16所示。
圖15 斷面D區(qū)形貌
圖16 斷面D區(qū)微觀形貌
3.金相檢測
圖17、18、19所示分別為1、2號斷裂件和完好件芯部的金相組織，均為均勻的索氏體組織，無異常。
圖17 1號斷裂件芯部金相組織
圖18 2號斷裂件芯部金相組織
圖19 完好件芯部金相組織
圖20~22所示分別為1、2號斷裂件和完好件的螺紋表面組織，未見表面不連續(xù)性缺陷。
圖20 1號斷裂件螺紋表面組織
圖22 完好件螺紋表面組織
圖23、24、25所示分別為斷裂件和完好件的非金屬夾雜物照片，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標準可判定斷裂件和完好件均為D類球狀氧化物（細系）1級。
圖23 1號斷裂件非金屬夾雜物
圖24 2號斷裂件非金屬夾雜物
圖25 完好件非金屬夾雜物
4.性能檢測
對螺栓進行脫（增）碳檢測，結(jié)果如表1所示，根據(jù)“ISO 898-1:2013”中對10.9級螺栓的要求，可判定為螺栓斷裂件與完好件均符合標準要求，斷裂件與完好件的芯部硬度滿足委技術要求（芯部硬度34-38HRC）。
表1 脫（增）試驗結(jié)果（HV0.3）
表2 螺栓化學成分（%）
6.綜合分析
螺栓斷口形貌顯示，宏觀可見斷面邊緣存在輪輻狀臺階，瞬斷區(qū)位于接近斷面中部位置，“貝紋線”清晰可見，分布瞬斷區(qū)兩側(cè)，呈典型的多源疲勞斷裂特征。通常情況下，緊固件疲勞失效的原因為：產(chǎn)品質(zhì)量存在問題，裝配工藝不合理，后期維護不到位等。
在本案例中，螺栓芯部金相組織、化學成分、洛氏硬度等指標均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。螺紋表面未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象或不連續(xù)性缺陷。另一方面，從工況上分析，輪轂螺栓在正常預緊狀態(tài)下，主要受軸向拉伸載荷。但是，如果螺栓在安裝時由于預緊力不一致，沒有采取有效的防松措施，在服役時易發(fā)生松動而承受額外的剪切、彎曲載荷，導致其服役時在應力集中位置萌生疲勞裂紋。試樣宏觀形貌顯示，其中一件螺母近1/2內(nèi)螺紋嚴重磨損，表明螺栓失效前該組合件可能已發(fā)生松動。