某車型輪轂螺栓斷裂的原因分析

朱正東，王添琪，劉凱

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230022)

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某車型輪轂螺栓斷裂的原因分析

朱正東，王添琪，劉凱

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230022)

某車型車輪轂螺栓在車輛行駛過程中發生斷裂。為了研究斷裂原因，應用掃描電子顯微鏡、直讀光譜儀、光學顯微鏡及疲勞試驗機對故障螺栓進行了化學成分、宏觀、微觀及模擬對比等分析。結果表明，其斷裂形式為脆性斷裂。脆性斷裂的產生是由于熱處理過程的增碳及滾絲收尾不合格，致使應力集中，加速了螺栓裂紋的產生、擴展，從而導致輪轂螺栓在裝車使用后不久便發生了斷裂失效。

輪轂螺栓；脆性斷裂；失效分析

0 引言

某車型車輪轂螺栓的材質為35CrMo鋼，規格為M12，性能等級為10.9級，生產工藝為冷鐓、滾絲、熱處理、表面鍍鋅處理，螺栓在車輛行駛過程中發生斷裂。為了研究斷裂原因[1-4]，做了一系列的分析工作，包括化學成分、宏觀、微觀、模擬對比分析等。

1 試驗過程與分析

1.1 宏觀和微觀觀察

為了尋找車輪轂螺栓的斷裂原因，作者首先對車輪轂螺栓斷口進行宏觀觀察，如圖1所示。

圖1 失效輪轂

從圖1可以看出：輪轂螺栓端口比較平整無其他污染，斷口表面呈灰色，基本沒有塑性變形，沒有疲勞斷裂的跡象，為脆性斷裂。

為了進一步查找車輪轂螺栓的斷裂原因，采用掃描電鏡(SEM)對斷口形貌進行觀察，如圖2所示。

圖2 螺栓斷口微觀形貌

從圖2發現斷口周邊高倍形貌呈冰糖狀，有大量沿晶裂紋，部分斷口芯部形貌也呈冰糖狀，有沿晶裂紋。

1.2 材質分析

輪轂螺栓材料為35CrMo，根據GB/T 3077-1999《合金結構鋼》標準，35CrMo碳含量在0.32%～0.40%之間。作者隨機選取50件故障輪轂螺栓作為樣本，檢測故障螺栓的碳含量，檢測結果見表1。

表1 故障螺栓碳含量列表%

通過表1可以看出：50件故障螺栓的芯部碳含量全部合格，表面碳含量42臺不合格，8臺合格，這些數據充分說明了故障螺栓表面存在著增碳現象。螺栓表面增碳是斷裂的重要原因，在扭緊后，螺栓會受軸向力，在軸向力作用下，螺栓會有變形。裝配后的輪轂螺栓，因車身自重，螺栓也存在彎曲載荷。增碳后，螺栓表面的硬度會比芯部高很多，表面組織的強度也高。由于表面和芯部的硬度、強度不一致，其變形量也不一致，在硬度過渡區造成應力集中，容易產生裂紋。表面硬度高，在沖擊載荷下，表面微裂紋將迅速擴展，甚至斷裂。

1.3 金相試驗

作者對故障件的表層進行金相試驗，觀察它的橫截面和縱截面表面的金相組織，如圖3所示。

圖3 橫截面和縱截面表面金相組織

從圖3可以發現故障件表面有明顯的發黑現象，其發黑層為螺栓的增碳層，這些增碳層碳含量比芯部高，它經過腐蝕而呈現發黑現象。

1.4 螺紋收尾檢測

作者從故障螺栓中隨機抽取兩件對螺紋的收尾進行檢測，檢測結果見表2。

表2 螺栓收尾尺寸檢測表

按GB/T 3-1997標準要求[5]，螺紋收尾的牙底圓弧半徑不應小于對完整螺紋所規定的最小牙底圓弧半徑。根據廠家提供的信息，此批次故障件M12螺栓的最小牙底圓弧半徑是0.263 mm，實測收尾牙底半徑明顯小于M12螺栓最小牙底圓弧半徑，這說明螺紋收尾長度過短。

1.5 模擬分析

依據故障螺栓的實測尺寸，對螺栓進行CAE受力模擬分析，如圖4所示。

從圖4可以發現：故障螺栓螺紋的收尾處牙底是危險截面，加載后存在應力集中現象，容易在此處斷裂。CAE模擬的斷裂位置與故障件的斷裂位置一致。

圖4 故障螺栓受力CAE模擬分析

1.6 疲勞試驗

由于螺栓表面增碳，會降低螺栓的疲勞強度，當行駛里程達到一定時，可能會提前出現疲勞斷裂現象。為此，作者將故障螺栓與正常螺栓進行疲勞對比試驗，具體結果見表3。

表3 疲勞試驗對比結果

由表3可以發現：正常螺栓經過100萬次試驗后，螺栓未斷裂，且樣件外觀無明顯變化。故障批次螺栓未達到規定試驗次數即斷裂，試驗次數從18萬到47萬次不等。由此可知，螺栓增碳的疲勞壽命降低。

2 結果與討論

通過以上實驗可以得出以下結論：

(1)螺栓的斷裂為脆性斷裂，端口形貌呈冰糖狀，原區、擴展區呈現沿晶斷裂特征。

(2)螺栓表面增碳是螺栓斷裂的重要原因，故障螺栓表面增碳已經從表面的材質分析、金相試驗里得到驗證。

(3)螺紋收尾長度過短也是螺栓斷裂的另一重要原因，收尾長度過短會造成其形狀變化太快，形成應力集中，容易發生斷裂，這一點在螺栓的模擬分析中也得到了驗證。

【1】NETTO T A，FERRAZ U S，ESTERFEN S F．The Effect Corrosion Defects on the Burst Pressure of Pipelines[J]．Journal of Constructional Steel Research，2005,61(8)：1185-1204．

【2】上海交通大學《金屬斷口分析》編寫組．金屬斷口分析[M]．北京：國防工業出版社，1979．

【3】王大為，胡成江.扭簧斷裂分析[J]．失效分析與預防，2006，1(3):57-59.

WANG D W,HU C J.Fracture Analysis of Turn-spring[J].Failure Analysis and Prevention,2006，1(3):57-59.

【4】李炯輝，施友方，高漢文,等．鋼鐵材料金相圖譜[M]．上海：上海科學技術出版社，1981：758-766.

【5】GB/T 3-1997普通螺紋收尾、肩距、退刀槽和倒角[S]．

Analysis on the Fracture of Wheel Hub Bolt on a Certain Car

ZHU Zhengdong，WANG Tianqi，LIU Kai

(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230022,China)

An automobile wheel hub bolt crack occurred in the process of vehicle. In order to study the crack reason, scanning electron microscopy, direct reading spectrometer, optical microscope and fatigue testing machine were used to make chemical composition analysis, macro analysis, micro analysis and simulation comparison analysis. The results show that the crack mode is brittle crack. The brittle crack is due to carburizing in the heat treatment process and unqualified rolling finishing, which cause stress concentration, accelerating generation and expansion of the bolt crack. As a result, rupture failure is occurred on hub bolt shortly after use.

Hub bolt;Brittle crack; Failure analysis

2016-07-26

朱正東，男，本科，研究方向為車輛工程。E-mail:zhuzhengdong6@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.018

U463.343

B

1674-1986(2016)10-073-03