某汽車10.9級(jí)輪轂螺栓，規(guī)格為M22×1.5×115mm，材料為40Cr，表面磷化處理。在汽車運(yùn)行過(guò)程中螺栓突然斷裂；螺栓斷裂后對(duì)輪胎進(jìn)行更換輪胎，更換輪胎時(shí)有的螺栓因滑牙無(wú)法拆卸。

對(duì)輪轂斷裂螺栓的安裝位置，見(jiàn)圖11-29，斷裂螺栓外觀見(jiàn)圖11-30，斷裂部位在螺紋部分，斷口附近無(wú)明顯塑性變形。 斷裂起源從于一側(cè)向另一側(cè)擴(kuò)展，部分區(qū)域有敲擊痕跡，斷口附近螺紋有碰撞痕跡,

圖11-29 螺栓安裝位置 圖11-30 斷裂螺栓形貌

斷口附近桿部有明顯磨損痕跡，其他三件完整螺栓螺紋部分也均可見(jiàn)螺紋碰撞痕跡。斷面顏色較深，平坦光滑細(xì)密；瞬斷區(qū)斷口較粗糙，斷面可見(jiàn)清晰疲勞條帶，從疲勞條帶形貌和面積判斷，瞬斷區(qū)面積較小，約占總面積的15%（圖11-31）。

圖11-31 螺栓斷口宏觀形貌

微觀形貌分析和能譜分析，在掃描電鏡下對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察，斷裂源區(qū)微觀上（圖11-32、圖11-33）可見(jiàn)較多的疲勞條帶，并且疲勞源區(qū)的疲勞弧形和疲勞條帶清晰可見(jiàn)，未發(fā)現(xiàn)低倍缺陷及夾雜物，擴(kuò)展區(qū)形貌（圖11-34、圖11-35）為疲勞準(zhǔn)解理，有二次裂紋，瞬斷區(qū)的微觀形貌為拋物線狀韌窩形貌（圖11-36）。

對(duì)斷口的能譜分析結(jié)果顯示疲勞源區(qū)不存在腐蝕性元素。

圖11-32 多源疲勞臺(tái)階 圖11-33 疲勞源疲勞條帶

圖11-34 擴(kuò)展區(qū)的準(zhǔn)解理 圖11-35 擴(kuò)展區(qū)二次裂紋

圖11-36 瞬斷區(qū)韌窩形貌

顯微組織分析，沿?cái)嗫诳v向剖開(kāi)，經(jīng)金相制樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察，螺栓的表面和心部組織均為回火索氏體組織（圖11-37），表面無(wú)脫碳現(xiàn)象，螺紋牙型完好，未發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷。

圖11-37 回火索氏體組織

用光譜法在斷裂螺栓上進(jìn)行化學(xué)成分分析，各元素含量均符合《GB/T 3077- 1999》關(guān)于40Cr材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

在斷口附近的螺紋牙底進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果表明螺紋牙底附近硬度分布均勻，符合《GB/ 3098.1-2000》標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用6h環(huán)規(guī)的止規(guī)、通規(guī)分別對(duì)3件完整螺栓進(jìn)行尺寸檢測(cè)，3件螺栓均未能通過(guò)6h環(huán)規(guī)通規(guī)檢測(cè)，在對(duì)碰傷螺紋部分進(jìn)行修復(fù)后，3件螺栓的通止規(guī)檢測(cè)均符合要求，能順利通止。

斷裂螺栓的化學(xué)成分符合40Cr鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分。金相組織為回火索氏體，表面無(wú)脫碳現(xiàn)象，其硬度值也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明螺栓的材料和熱處理工藝正常。

斷口附近無(wú)明顯的塑性變形，表明螺栓不是由過(guò)載引起的斷裂。由于斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞斷裂所具有的典型特征：疲勞條帶和輝紋等，并且能譜分析未在斷口處發(fā)現(xiàn)任何腐蝕性元素，可以排除斷裂是由腐蝕引起的，即未發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，只是由應(yīng)力集中造成的單純疲勞斷裂。

由疲勞斷口可見(jiàn)，瞬斷區(qū)只占很小一部分，而疲勞擴(kuò)展區(qū)面積很大，這說(shuō)明整個(gè)螺栓一側(cè)所受應(yīng)力較小，而螺栓另一側(cè)螺紋根部受到很大的應(yīng)力；另外由于螺栓根部存在較大的應(yīng)力集中，因而容易萌生裂紋，裂紋一旦產(chǎn)生，裂紋尖端始終受到較大的應(yīng)力，因而在交變載荷下不斷疲勞擴(kuò)展，直至斷裂。

疲勞破壞時(shí)疲勞源的數(shù)目一般受應(yīng)力水平和應(yīng)力集中的影響，當(dāng)應(yīng)力水平高或有應(yīng)力集中存在時(shí)，疲勞斷口上往往存在多個(gè)疲勞源，這些疲勞源并不處于同一個(gè)垂直于主應(yīng)力的平面上，因而當(dāng)疲勞裂紋向前擴(kuò)展時(shí)，它們會(huì)匯合成一個(gè)單一的裂紋前沿，并在斷口上留下“臺(tái)階”等特征。

輪轂螺栓受力狀態(tài)為：汽車行駛時(shí)受到汽車重力，行駛中的滾動(dòng)阻力以及轉(zhuǎn)彎時(shí)或在傾斜路面上產(chǎn)生的側(cè)向力，汽車制動(dòng)時(shí)還受到路面的制動(dòng)力，隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，路面對(duì)車輪產(chǎn)生的沖擊力，這些力構(gòu)成了輪轂的交變循環(huán)應(yīng)力。在輪轂螺栓和螺母配合良好，螺母擰緊的情況下，這些力不全部是由輪轂螺栓、螺母承受的，它還要克服輪輞與輪轂之間的摩擦力，也就是說(shuō)輪轂、半軸及橋殼也承受分擔(dān)了上述各力。如果裝配輪轂螺栓螺母時(shí)，螺母未擰緊，預(yù)緊力不夠，從而造成輪輞與輪轂?zāi)Σ亮^(guò)小，甚至造成內(nèi)輪輞未與輪轂貼合，此時(shí)上述各力均由輪轂螺栓、螺母承受，這就大大增加了螺栓螺母所承受的載荷力。螺栓在這種情況下一直受到交變應(yīng)力的作用，而且螺栓的螺紋根部本身就存在應(yīng)力集中，易形成多源疲勞。斷裂件附近桿部四周有明顯磨損痕跡，表明螺栓固定不好，螺栓松動(dòng)發(fā)生撞擊出現(xiàn)磨痕。

同時(shí)從另外三件完整樣上均發(fā)現(xiàn)有螺紋碰傷導(dǎo)致螺栓無(wú)法正常通過(guò)通規(guī)測(cè)試的情況，而經(jīng)修復(fù)后均能通過(guò)通止規(guī)測(cè)試說(shuō)明螺栓的制作尺寸是符合要求的。

綜合以上情況分析，可推斷該批螺栓在運(yùn)輸及安裝前螺紋有碰傷情況，而安裝時(shí)工人直接將有螺紋損傷的螺栓與螺母配合擰緊，這就會(huì)產(chǎn)生兩種情況:一是強(qiáng)力擰入，引起螺紋的變形，同時(shí)在服役條件下，螺紋的變形程度在交變力的作用下不斷加劇，從而導(dǎo)致拆卸時(shí)無(wú)法正常擰出；二是表面上螺栓螺母的配合良好，安裝扭矩達(dá)到了安裝要求，而實(shí)際上由于螺紋損傷導(dǎo)致配合的摩擦系數(shù)大大增加，螺母與螺栓的預(yù)緊力并未真正達(dá)到安裝要求，在螺栓正常服役條件下，這種預(yù)緊力不足的連接就增加了螺栓的承受載荷而導(dǎo)致了螺栓疲勞壽命的降低。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓材質(zhì)、顯微組織、硬度、尺寸均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（3）螺栓安裝預(yù)緊力不足，固定不好而松動(dòng)，在交變應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中螺紋根部形成多源疲勞，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展最后疲勞斷裂。

（4）對(duì)螺栓的生產(chǎn)、運(yùn)輸和保管過(guò)程，采取措施保證螺栓安裝前螺紋的完好性。

（5）螺栓在使用一段時(shí)間后，應(yīng)檢查螺栓是否松動(dòng)，確保螺栓的預(yù)緊力滿足使用要求。