一種高強度汽車車輪螺栓的異常斷裂

周 華，金應榮，劉錦云

(1.西華大學交通與汽車工程學院，成都610039；2.西華大學材料科學與工程學院，成都610039；3.四川西華機動車司法鑒定所，成都610039）

人們對金屬斷裂失效已經有非常深入的研究，幾乎所有的斷裂失效都可以在已知的斷裂失效方式中找到。然而在一起汽車車輪螺栓突然發生斷裂引發的道路交通事故的案例分析中，卻遇到了一種少見的金屬斷口，該案例中，后輪為雙式車輪的載貨汽車在行駛過程中，一個后輪的8顆車輪螺栓（雙式車輪兩個輪輞的連接螺栓）突然全部斷裂。本文運用金相分析、力學性能測試等方法對該案例中汽車車輪螺栓的異常斷裂進行了檢驗分析，并通過該案例，研究典型斷口形貌對失效分析工作的重要作用。

1 材料

8顆車輪螺栓（編號為1號～8號）。斷裂螺栓相關部分的尺寸如圖1所示，螺栓頭的直徑約30mm，螺桿部分直徑20mm，材質為含Cr、Mn的中碳鋼，均在螺栓的軸肩位置附近斷裂，斷裂后的長度基本相同，約55mm（圖2）；斷口處沒有明顯的彎曲、扭轉、縮小、翹曲等塑性變形；斷口均為新鮮斷口，沒有氧化、銹蝕痕跡；其中第2號和6號螺栓的斷口較平整，第3號、5號、7號和8號螺栓的斷口有較大的起伏，第1號和4號螺栓的斷口平整程度居中，第2號和6號螺栓斷口周圍有較光亮的環帶區域。除了第5號和7號螺栓的最后斷裂面積較大（約占斷口面積的1/3）之外，其余螺栓的最后斷裂區面積都較小。

圖1 斷裂螺栓的部分尺寸

圖2 螺栓的斷裂位置相同

圖3 第1號螺栓的宏觀斷口形貌

2 方法

2.1 檢驗與分析

8顆螺栓的斷口上都有大小不同的臺階，其中第1號、2號和3號斷口有較明顯的特征，本文進行了重點檢驗分析。

2.1.1 第1號螺栓的斷口檢驗

第1號螺栓斷口起伏較大，有較大的臺階 （圖3），其中A區臺階壁上有木紋特征，邊緣部位有較多的撕裂臺階（B區比較集中）。掃描電鏡觀察表明，撕裂臺階處有裂紋源，裂紋處有夾雜物。

從宏觀看，在C區應當還有一個裂紋源，由于斷口表面細裂紋和碳化物太多，在掃描電鏡下很難確定裂紋源的具體位置。裂紋擴展面上有許多小臺階（圖4），小臺階之間有撕裂痕跡，痕跡處有較多的球狀碳化物顆粒，臺階平面上有疲勞輝紋（E區）。

第1號螺栓最后斷裂區（D區）有較多的裂紋，裂紋內和斷口表面上有較多的碳化物（圖5），由表1可見碳化物是合金滲碳體。

2.1.2 第2號螺栓的斷口檢驗

第2號螺栓斷口較平整（圖6），四周有較多的撕裂臺階，除F區外四周有疲勞條紋，在疲勞條紋內有斷裂小臺階，小臺階之間有撕裂痕跡，小臺階旁有大量聚集的球狀碳化物（圖7）。此外，斷口內（圖6所示的G區）有一個內部裂紋源（I區），裂紋源區有很多球狀碳化物顆粒，如圖8所示。2號螺栓的最后斷裂區（圖6所示的H區）形貌與第1號螺栓的相似，斷口上有較多的裂紋，裂紋內和斷口表面上有較多的碳化物，碳化物的成分分析結果見表2，可見碳化物也是合金滲碳體。

圖4 第1號螺栓斷口上的小臺階、撕裂痕跡、球狀碳化物及疲勞輝紋

圖5 第1號螺栓最后斷裂區內的裂紋和斷口表面上的碳化物顆粒

表1 第1號螺栓的碳化物的成分

表2 第2號螺栓的碳化物成分

圖6 第2號螺栓的斷口形貌

圖7 第2號螺栓斷口表面的球狀碳化物

圖8 第2號螺栓斷口內（F區）的裂紋源及裂紋源區的球狀碳化物

2.1.3 第3號螺栓的斷口檢驗

圖9是第3號螺栓的斷口形貌，其上有疲勞條紋（J區），在K區和L區分別有一個可辨認的疲勞裂紋源，最后斷裂區（M區）面積較小。圖9所示左下角處的夾雜物沒有引起裂紋，芯部放射狀臺階處（N區）有裂紋和球狀碳化物（圖10）。其余特征與第1號、第2號螺栓的斷口相似，不再贅述。

其余5顆螺栓的斷口雖然在宏觀形貌上有一定差異，但微觀與上述三者相似，斷口上都有許多球狀物。

圖9 第3號螺栓斷口（組合照片）

圖10 芯部臺階處的裂紋和碳化物

2.2 金相分析

出現疲勞輝紋，表明斷裂時螺栓承受的應力較大[1]，最后斷裂面積較小，表明斷裂時螺栓承受的應力較小[2]，這一矛盾的結果促使我們進一步檢驗了2號螺栓和6號螺栓的金相組織。結果表明螺栓的組織是淬火高溫回火后的索氏體組織，未見異常，螺栓內的金屬流線分布和夾雜物分布均未見異常，晶粒大小適當，未見異常。

2.3 力學性能檢驗

經過上述檢驗，仍然沒有查明斷裂原因，為此進一步檢驗了螺栓的力學性能。在第4號螺栓芯部切取沖擊試樣，檢驗螺栓材料的沖擊韌性。沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×54mm（比標準試樣短1mm），中部開V形缺口。測得試樣的沖擊功為74焦耳，沖擊斷口為韌性斷口，斷口上除韌窩底部外很少觀察到球狀碳化物顆粒（圖11）。此外，還檢驗了第2號螺栓材料的硬度，檢測結果為HRC36、HRC37、HRC37，略高于常規調質的硬度（HRC28～32）。

圖11 從第4號螺栓中截取的沖擊試樣的韌性斷口

3 結論

從上述檢驗結果可見，該汽車車輪螺栓材料的金相組織、力學性能均未發現異常，唯一的問題是沖擊試樣的斷口與螺栓的實際斷口截然不同。實際斷口上有大量的球狀碳化物，它們使螺栓的有效承載面積減小，進而使承載部分承受了較高的實際應力，從而呈現出高應力疲勞斷裂的特征（疲勞輝紋）。但螺栓的實際斷面又較大，使最后斷裂區的面積相對于螺栓斷口的面積較小，造成“螺栓斷裂時承受的應力較小”的假象。

8顆螺栓的斷裂部位基本一致，都在螺栓的軸肩處附近，這可能與大量的聚集成群的球狀碳化物有關。通常螺栓頭是鐓粗成型的，本文所涉及的螺栓可能是采用擠壓—鐓粗復合工藝成型的，即直徑20mm的螺桿部分采用擠壓方式成型，直徑30mm的軸肩部分采用鐓粗成型，擠壓—鐓粗時產生的塑性變形會促進碳、氮原子的擴散和碳、氮化合物的析出[3-4]。在螺栓軸肩的成型過程中，螺栓軸肩與螺栓光桿部分銜接處（即斷口附近）的塑性變形量較大，如果螺栓軸肩的成型工藝與后續熱處理（如調質處理）工藝匹配不合理，則有可能在塑性變形比較集中的螺栓軸肩與光桿部分銜接部位析出大量的碳化物，從而引起斷裂事故。

綜上所述，該車輪螺栓的材質、力學性能都未見異常，盡管螺栓的最后斷裂區域面積較小，但并不是低應力斷裂。螺栓的斷裂是由大量聚集成群的球狀碳化物引起的高應力疲勞斷裂，這些聚集的碳化物可能是塑性成型工藝與后續熱處理工藝不匹配引起的。

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