關于汽車螺栓類零部件斷裂失效的探討

王崢 呼嘯 谷陽陽

摘 要：汽車螺栓類零部件斷裂失效在零部件失效中占有較大比例，危害較為嚴重。本文通過列舉了汽車螺栓類零部件斷裂失效的實際鑒定案例，得出此類斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見，探討了螺栓類零部件斷裂失效的鑒定技術，分析其斷裂失效原因、特征和規律，從而找出事實真相，為司法鑒定中心進行科學、

公正地鑒定工作提供技術支撐。關鍵詞：斷裂失效；疲勞斷裂；螺栓類零部件；鑒定技術

1 前言

螺栓類零部件是汽車緊固件中最重要的零部件之一，通常以斷裂失效的形式出現。汽車螺栓類零部件斷裂失效在中心開展的鑒定業務中占有較大比例，危害較為嚴重，甚至引起較大經濟損失和人員傷亡。對斷裂螺栓進行失效分析，研究汽車零部件喪失其功能的原因、特征和規律，找出責任，為進行科學、公正地鑒定工作提供技術支撐。

對于零部件斷裂失效的分析通常是通過斷口分析來實現的，因為斷口總是發生在金屬組織中最薄弱的地方，忠實地記錄了金屬斷裂時的全過程，即裂紋的產生、擴展直至開裂；尤其記錄著裂紋擴展的途徑、擴展過程及內外因素對裂紋擴展的影響 [1]。因此，通過對斷口形貌特征等信息的分析，可以分析材料組織和性能，確定斷裂失效模式，找出斷裂的原因及影響因素，得出鑒定結論。

2 汽車螺栓類零部件斷裂案例

通過大量的相關交通事故和質量事故中汽車螺栓類零部件斷裂失效案例，總結常見螺栓斷裂失效的規律，探討汽車螺栓類零部件斷裂失效的鑒定技術。

某使用 4年的小型載貨汽車，在某次檢修過程中，前輪的輪胎螺栓發生斷裂，與螺母一起掉落下來。該螺母是貨車在使用過程中斷裂的還是檢修工人的誤操作造成的呢，如果是對行車安全存在威脅，就應引起我們的高度重視。

對其進行宏觀檢視，照片如圖 1所示，螺栓表面較為光滑，螺栓未見明顯變形，斷裂位置為螺桿中下部的螺紋處。觀察斷口宏觀形貌如圖 1a所示：斷口右上角螺栓邊緣顏色較深，較為平坦、光滑、細密，有向外發射疲勞弧線的中心，認定為疲勞源；由疲勞源向中心的弧線區域斷面較平坦，有向外輻射的放射狀條紋（如圖 1b），與疲勞弧線相垂直，顏色介于源區與瞬斷區之間，宏觀特征是海灘花樣或貝殼花樣，此區域認定為疲勞斷裂擴展區，該區域的形成可能是在汽車開動、停止或負荷變動較大時造成的。斷面其余邊緣突出的部位存在較為尖銳的茬口，認定為瞬時斷裂區。綜上所述，該斷口具有典型的疲勞斷口形貌特征，此輪胎螺栓為疲勞斷裂失效形式。

此輪胎螺栓主要受軸向拉力的作用，產生了裂紋源及裂紋擴展區，最后瞬時斷裂區是受到一定的扭力作用導致的。經分析，在加工的螺紋處存在細小的微裂紋，在拉力的作用下形成了裂紋源，裂紋源繼續受拉力的作用，裂紋前沿繼續向前擴展，所受拉力越來越小直至為零，裂紋前沿將不再擴展。由于輪胎螺栓是 6個螺栓共同作用，即便此螺栓存在裂紋不能工作，依靠另外 5個螺栓也能固定輪胎繼續使用。如果螺栓是在汽車行駛中發生斷裂，那么螺栓帶螺母就會在斷裂的瞬間脫落，更不會出現照片上瞬斷區的扭力痕跡，所以，該螺栓應該是在檢修前產生的裂紋，在檢修過程中受拆卸扭力的作用，最終斷裂而掉落下來。

認定結果：該螺栓在檢修前產生的裂紋，在檢修過程中受拆卸扭力的作用，最終斷裂而掉落下來。

裂紋源位于螺栓表面、次表面小區域，為多源裂紋。中部平滑區的貝紋線表示裂紋前沿在間歇擴展時的依次位置。瞬斷區的斷口為纖維狀、暗灰色，自由表面斷面中心非對稱。瞬斷區面積越大，越靠近中心部位，工件過載程度越大，瞬斷區面積越小，越靠近邊緣，工件過載程度越小。根據上述斷口特征大致可判斷轉軸屬于低載荷下，在尖缺口高應力集中條件下的軸向拉伸疲勞斷裂。螺紋處受機械加工等的影響，存在微細小的裂紋造成應力集中，形成裂紋源，螺栓繼續受軸向拉力作用，形成裂紋擴展區，最后斷裂。

認定結果：該螺栓在使用中受持續軸向拉力作用，產生疲勞斷裂，并非由于事故造成的斷裂。

3 螺栓類斷裂鑒定技術的探討

疲勞斷裂是在交變應力作用下，經過較長時間工作而發生的斷裂現象。一般疲勞斷裂的應力遠比靜載下材料的 σ b低，甚至比 σ0.2低很多，斷裂前無明顯的塑性變形，是一種低應力脆斷破壞現象。疲勞斷裂是損傷累積過程的結果，是與時間相關的破壞方式。其疲勞抗力不僅取決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質量、服役條件環境等密切相關 [3-4]。

根據上述螺栓類零部件的鑒定案例可知，汽車螺栓類零部件斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見，在汽車金屬零部件斷裂失效中有 70%～ 80%的為低應力高周疲勞斷裂 [5]。針對螺栓類零部件斷裂失效的鑒定，首先要調查與背景信息收集，然后對斷裂失效零部件宏觀觀察，檢視失效零部件的整體外觀及破壞部位形貌，還可做材料方面的檢測分析，如成分、金相組織、力學性能及微觀斷口分析，再對失效零部件工作狀態分析，如受力種類、方向等，進而判定材料斷裂失效模式，通過推理判斷、科學分析可進一步得出鑒定意見，為找到事實真相作出貢獻。

4 結束語

螺栓類零部件斷裂失效在汽車交通事故和質量事故中較為常見，而根據上述螺栓類零部件案例，汽車螺栓類零部件斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見。針對螺栓類零部件斷裂失效的鑒定，需要深入細微的觀察并加以綜合分析，判斷零部件的失效性質（模式），總結規律然后對失效件的設計、材質、工藝和實際使用條件等進行綜合判斷，得出分析鑒定的結果，可為生產、使用或維修中采取有針對性的改進與預防措施提供理論依據，防止同類斷裂失效再次出現，提高汽車行駛的安全性。

參考文獻：

[1] 鐘群鵬， 趙子華 . 斷口學 [M].北京：高等教育出版社，2005：2-12.

[2] 譚國良，楊浩義，楊冬梅 .輪胎螺栓斷裂失效分析 [J]. 理化檢驗一物理分冊，2006，42（11）： 577-579.

[3] 孫智，江利，應鵬展，等.《失效分析 -基礎與應用》[M].第 1版，北京：機械工業出版社，2009：144-152.

[4] 莊東漢 .《材料失效分析》[M].第 1版，上海：華東理工大學出版社，2009：147-162.

[5] Robert H. Nath，Jay G. Saxton and Mark T. Everly. Automotive Component PerformancePrediction：Evaluating Component Nondestructive Test Methods in Terms ofCorrelationto Failure Test Results[J] ，SAEPAPER， 2008，01：0847.