朱正东，王添琪，刘凯

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230022)



某车型轮毂螺栓断裂的原因分析

朱正东，王添琪，刘凯

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230022)

某车型车轮毂螺栓在车辆行驶过程中发生断裂。为了研究断裂原因，应用扫描电子显微镜、直读光谱仪、光学显微镜及疲劳试验机对故障螺栓进行了化学成分、宏观、微观及模拟对比等分析。结果表明，其断裂形式为脆性断裂。脆性断裂的产生是由于热处理过程的增碳及滚丝收尾不合格，致使应力集中，加速了螺栓裂纹的产生、扩展，从而导致轮毂螺栓在装车使用后不久便发生了断裂失效。

轮毂螺栓；脆性断裂；失效分析

0 引言

某车型车轮毂螺栓的材质为35CrMo钢，规格为M12，性能等级为10.9级，生产工艺为冷镦、滚丝、热处理、表面镀锌处理，螺栓在车辆行驶过程中发生断裂。为了研究断裂原因[1-4]，做了一系列的分析工作，包括化学成分、宏观、微观、模拟对比分析等。

1 试验过程与分析

1.1 宏观和微观观察

为了寻找车轮毂螺栓的断裂原因，作者首先对车轮毂螺栓断口进行宏观观察，如图1所示。

图1 失效轮毂

从图1可以看出：轮毂螺栓端口比较平整无其他污染，断口表面呈灰色，基本没有塑性变形，没有疲劳断裂的迹象，为脆性断裂。

为了进一步查找车轮毂螺栓的断裂原因，采用扫描电镜(SEM)对断口形貌进行观察，如图2所示。

图2 螺栓断口微观形貌

从图2发现断口周边高倍形貌呈冰糖状，有大量沿晶裂纹，部分断口芯部形貌也呈冰糖状，有沿晶裂纹。

1.2 材质分析

轮毂螺栓材料为35CrMo，根据GB/T 3077-1999《合金结构钢》标准，35CrMo碳含量在0.32%～0.40%之间。作者随机选取50件故障轮毂螺栓作为样本，检测故障螺栓的碳含量，检测结果见表1。

表1 故障螺栓碳含量列表%

通过表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台不合格，8台合格，这些数据充分说明了故障螺栓表面存在着增碳现象。螺栓表面增碳是断裂的重要原因，在扭紧后，螺栓会受轴向力，在轴向力作用下，螺栓会有变形。装配后的轮毂螺栓，因车身自重，螺栓也存在弯曲载荷。增碳后，螺栓表面的硬度会比芯部高很多，表面组织的强度也高。由于表面和芯部的硬度、强度不一致，其变形量也不一致，在硬度过渡区造成应力集中，容易产生裂纹。表面硬度高，在冲击载荷下，表面微裂纹将迅速扩展，甚至断裂。

1.3 金相试验

作者对故障件的表层进行金相试验，观察它的横截面和纵截面表面的金相组织，如图3所示。

图3 横截面和纵截面表面金相组织

从图3可以发现故障件表面有明显的发黑现象，其发黑层为螺栓的增碳层，这些增碳层碳含量比芯部高，它经过腐蚀而呈现发黑现象。

1.4 螺纹收尾检测

作者从故障螺栓中随机抽取两件对螺纹的收尾进行检测，检测结果见表2。

表2 螺栓收尾尺寸检测表

按GB/T 3-1997标准要求[5]，螺纹收尾的牙底圆弧半径不应小于对完整螺纹所规定的最小牙底圆弧半径。根据厂家提供的信息，此批次故障件M12螺栓的最小牙底圆弧半径是0.263 mm，实测收尾牙底半径明显小于M12螺栓最小牙底圆弧半径，这说明螺纹收尾长度过短。

1.5 模拟分析

依据故障螺栓的实测尺寸，对螺栓进行CAE受力模拟分析，如图4所示。

从图4可以发现：故障螺栓螺纹的收尾处牙底是危险截面，加载后存在应力集中现象，容易在此处断裂。CAE模拟的断裂位置与故障件的断裂位置一致。

图4 故障螺栓受力CAE模拟分析

1.6 疲劳试验

由于螺栓表面增碳，会降低螺栓的疲劳强度，当行驶里程达到一定时，可能会提前出现疲劳断裂现象。为此，作者将故障螺栓与正常螺栓进行疲劳对比试验，具体结果见表3。

表3 疲劳试验对比结果

由表3可以发现：正常螺栓经过100万次试验后，螺栓未断裂，且样件外观无明显变化。故障批次螺栓未达到规定试验次数即断裂，试验次数从18万到47万次不等。由此可知，螺栓增碳的疲劳寿命降低。

2 结果与讨论

通过以上实验可以得出以下结论：

(1)螺栓的断裂为脆性断裂，端口形貌呈冰糖状，原区、扩展区呈现沿晶断裂特征。

(2)螺栓表面增碳是螺栓断裂的重要原因，故障螺栓表面增碳已经从表面的材质分析、金相试验里得到验证。

(3)螺纹收尾长度过短也是螺栓断裂的另一重要原因，收尾长度过短会造成其形状变化太快，形成应力集中，容易发生断裂，这一点在螺栓的模拟分析中也得到了验证。

【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】上海交通大学《金属断口分析》编写组．金属断口分析[M]．北京：国防工业出版社，1979．

【3】王大为，胡成江.扭簧断裂分析[J]．失效分析与预防，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】李炯辉，施友方，高汉文,等．钢铁材料金相图谱[M]．上海：上海科学技术出版社，1981：758-766.

【5】GB/T 3-1997普通螺纹收尾、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

朱正东，男，本科，研究方向为车辆工程。E-mail:zhuzhengdong6@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.018

U463.343

B

1674-1986(2016)10-073-03