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汽车轮毂螺栓断裂分析

2012-4-14 15:51| 发布者: 花瓣七七| 查看: 3388| 评论: 0|原作者: 陈伟峰,徐云峰,任鹏波,余兆新,徐国平

摘要: 摘要:高强度汽车轮毂螺栓在汽车运行时发生断裂。对断裂螺栓进行宏观和微观检验、化学成分分析、金相检验硬度测试等方面的分析,结果表明:螺栓化学成分和金相组织均正常。经对螺栓变形情况及受力情况分析,认为螺纹 ...

摘要:高强度汽车轮毂螺栓在汽车运行时发生断裂。对断裂螺栓进行宏观和微观检验、化学成分分析、金相检验硬度测试等方面的分析,结果表明:螺栓化学成分和金相组织均正常。经对螺栓变形情况及受力情况分析,认为螺纹损伤,安装工人的安装不得当,引起螺栓安装时预紧力不足,导致螺栓发生疲劳断裂。

关键词:轮毂螺栓;疲劳;失效分析

文章标志码:A  文章编号:1001-0777201103-0042-03

 

Fracture Analysis About Nave Bolts Used In Truck

 

CHEN Wei-fengXU Yun-fengREN Peng-boYU Zhao-xinXU Guo-ping

(1.    China National Center for Quality Supervision and Test of Standard PartsHaiyan 314300ZhejiangChina2. Zhejiang New Oriental Fastener Co. Ltd.. Haiyan 314305ZhejiangChina)

 

AbstractHigh strength nave bolt fractured during running. The analysis of macro and microchemical compositionmetallographic and hardness were carried out on the fractured bolt. The analysis showed that the chemical composition and microstructure were in normal state. Bolt deformation and the force acting on bolt were analyzedThe results showed that the damaged threads and incorrect installation caused lacking of enough pre-force in bolt assembling resulted in the fatigue rupture of nave bolts.

KeywordsNave boltsfatiguefailure analysis

 

汽车用高强度级别轮毂螺栓,材料40Cr钢,规格为M22mm×1.5mm×115mm,使用级别10.9级,表面磷化处理。螺栓在汽车正常装载行驶运行2816km时发生断裂。同时据客户反映该批螺栓在使用后多次出现无法拆卸,滑牙的情况。

1.       理化检验

1.1.    外观检查

该螺栓的安装位置见图1a)所示。断裂螺栓及宏观形貌见图1b)、图1c)。断裂部位的螺纹部分对应于螺母拧紧的第一扣位置,断口附近无明显塑性变形。断口附近螺纹有碰撞痕迹,杆部有明显磨损痕迹。检查该批未使用的其他螺栓,发现部分螺栓螺纹存在一定程度的碰撞损坏情况。

1  螺栓宏观形貌

Fig. 1  Macro-morphology of bolt

 

从整体来看,螺栓断口比较平坦,裂纹源区域颜色较深,扩展区和瞬断区颜色较浅。断裂起源于一侧的螺纹根部,起源处有许多台阶,表明有多个裂纹源[1]。多个裂纹交汇后继续向前扩展。扩展区可见清晰疲劳条带,从疲劳条带和形貌和区域判断,断口上的扩展区面积较大,瞬断区面积较小,表现为典型的低应力高周疲劳特征。

1.2.    微观形貌分析

将断口置于扫描电镜下观察,图2为裂纹源区低倍形貌,图3为裂纹源区放大形貌,有明显的疲劳磨损痕迹。图4为疲劳裂纹扩展区,二次裂纹和撕裂岭比较明显,断口疲劳条带少、短,间距小,属高周疲劳特征[2]。从螺栓受力情况来看,只有高频率的振动才能满足这一应力要求。图5为最后断裂的韧窝特征,可以看出韧窝较小,为等轴状,该区域仅出现在断口边缘的很小部分,说明最后断裂时应力较小,这是因为随着裂纹的扩展,施加在螺栓上的径向力被螺栓由于开裂而产生一定的位移量所释放。由于车辆正常行驶时车轮转速基本保持一致,所以裂纹不断扩大的过程中,有效承载面积也在不断减小,应力也就显得越来越大,当应力超过材料的断裂强度时,就会出现最后的一次性瞬断[3],这和断口上反映出来的特征也是一致的。

2  疲劳源区

Fig. 2  Fatigue resource area

3  磨损痕迹

Fig. 3  Wear trace

4  扩展区 疲劳条带

Fig. 4  Fatigue striation in extending area

5  瞬断区韧窝

Fig. 5  Dimples in final rupture area

 

1.3.    金相检验

对断裂螺栓螺纹部分纵向沿直径方向切开,制成金相试样,在光学显微镜下观察,螺栓的表面和芯部组织均为回火索氏体组(见图6),表面无脱碳和渗碳现象,螺纹牙型完好,在断口及附近螺纹根部未发现微裂纹等缺陷(见图7)。

6  回火索氏体组织

Fig. 6  Tempered sorbitic structure

7  螺纹形貌

Fig. 7  Morphology of thread

 

1.4.    化学成分分析

用光谱法在断裂螺栓上进行化学成分分析,各元素的成分含量均符合GB/T3077-1999关于40Cr材料的标准规定,化学成分检测结果见表1

1  断裂螺栓化学分析结果(质量分数)

                   Table  1  Chemical composition of broken bolt                   %

项目

C

Si

Mn

Cr

S

P

标准规定

0.37~0.44

0.17~0.37

0.50~0.80

0.80~1.10

≤0.035

≤0.035

检测值

0.43

0.24

0.72

0.89

0.006

0.012

 

1.5.    硬度检验

在断口附近的螺纹牙底进行硬度梯度测试,检测结果表面螺纹牙底附近硬度分布均匀,且硬度值均符合GB/3098.1-2000标准要求,但其硬度HV0.3值接近范围上限(390[4],显微硬度梯度检测结果见表2

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