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你不知道輪轂螺栓斷裂的二三事

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瀏覽:- 發(fā)布日期:2020-01-14 11:33:08【

1.概述

     現(xiàn)有輪轂螺栓斷裂殘件2件,完好件4件,等級(jí)為10.9級(jí),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(yán)重(3所示12號(hào)樣),一件表面輕微磨損(圖3所示3號(hào)樣),檢測(cè)螺母螺紋,發(fā)現(xiàn)1號(hào)螺母約1/2的內(nèi)螺紋已經(jīng)嚴(yán)重磨損(圖4紅色虛線所示)。

試樣宏觀形貌


圖1  試樣宏觀形貌


試樣宏觀形貌


圖2 試樣宏觀形貌


試樣宏觀形貌


圖3 試樣宏觀形貌


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(jìn)行斷口掃描,圖5所示為2號(hào)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(tái)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(kuò)展(圖5紅色箭頭所示)。將斷口分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域進(jìn)一步描述。


1號(hào)失效螺栓斷口宏觀形貌


圖5   1號(hào)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(tái)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7 斷面A1區(qū)形貌


圖8 斷面A2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(kuò)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9 斷面B區(qū)形貌


圖10 斷面B1區(qū)形貌


圖10 斷面B1區(qū)形貌



圖11 斷面B2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(tái)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12 斷面C區(qū)形貌


斷面C1區(qū)形貌


圖13 斷面C1區(qū)形貌


360截圖20200114124502584


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15 斷面D區(qū)形貌


圖16 斷面D區(qū)微觀形貌


圖16 斷面D區(qū)微觀形貌

3.金相檢測(cè)

      圖17、18、19所示分別為1、2號(hào)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。


1號(hào)斷裂件芯部金相組織


圖17  1號(hào)斷裂件芯部金相組織


2號(hào)斷裂件芯部金相組織


圖18  2號(hào)斷裂件芯部金相組織


;完好件芯部金相組織


圖19  完好件芯部金相組織


    圖20~22所示分別為1、2號(hào)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。


1號(hào)斷裂件螺紋表面組織


圖20  1號(hào)斷裂件螺紋表面組織


360截圖20200114132059743


圖21  2號(hào)斷裂件螺紋表面組織


360截圖20200114132129807


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(biāo)準(zhǔn)可判定斷裂件和完好件均為D類球狀氧化物(細(xì)系)1級(jí)。

1號(hào)斷裂件非金屬夾雜物


圖23  1號(hào)斷裂件非金屬夾雜物


2號(hào)斷裂件非金屬夾雜物


圖24  2號(hào)斷裂件非金屬夾雜物


完好件非金屬夾雜物


圖25  完好件非金屬夾雜物



4.性能檢測(cè)

      對(duì)螺栓進(jìn)行脫(增)碳檢測(cè),結(jié)果如表1所示,根據(jù)“ISO 898-1:2013”中對(duì)10.9級(jí)螺栓的要求,可判定為螺栓斷裂件與完好件均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,斷裂件與完好件的芯部硬度滿足委技術(shù)要求(芯部硬度34-38HRC)。


表1  脫(增)試驗(yàn)結(jié)果(HV0.3)



螺栓性能測(cè)試

表2  螺栓化學(xué)成分(%)

360截圖20200114141341254

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(tái)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?yàn)椋寒a(chǎn)品質(zhì)量存在問題,裝配工藝不合理,后期維護(hù)不到位等。


      在本案例中,螺栓芯部金相組織、化學(xué)成分、洛氏硬度等指標(biāo)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(yù)緊狀態(tài)下,主要受軸向拉伸載荷。但是,如果螺栓在安裝時(shí)由于預(yù)緊力不一致,沒有采取有效的防松措施,在服役時(shí)易發(fā)生松動(dòng)而承受額外的剪切、彎曲載荷,導(dǎo)致其服役時(shí)在應(yīng)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(yán)重磨損,表明螺栓失效前該組合件可能已發(fā)生松動(dòng)。

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