M20輪胎螺栓斷裂分析報告

鄧建

摘 要 對斷裂螺栓進行宏觀和微觀檢驗、化學成份分析及電鏡掃描，結果表明：螺栓的所有機械性能均符合國家標準要求。螺栓斷裂的主要原因是由于設計方，所設計的摩擦系數(shù)與實際裝配扭矩不匹配，造成螺栓在實際裝配過程中緊固系統(tǒng)出現(xiàn)假擰緊狀態(tài)。螺栓在服役過程中，將會產(chǎn)生橫向滑移，從而導致螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂。

關鍵詞 輪胎螺栓;斷裂;摩擦系數(shù);裝配扭矩;失效分析

1 概述

委托方提供規(guī)格為M20×1.5-M20×1.5×83的10.9級后右車輪螺栓斷裂部件五件（兩件短件斷口與其余三件斷口不能完好連接，故為五件），材質為40Cr。 該款產(chǎn)品在實際使用過程中斷裂，通過委托方描述，汽車在正常運輸過程中出現(xiàn)后右輪胎脫出現(xiàn)象，造成外車輪總成脫落飛出，內(nèi)車輪輪胎、鋼圈破裂報廢。

2 宏觀分析

根據(jù)委托方提供樣品可見螺栓斷裂發(fā)生在螺紋部位，在最終斷裂時，斷裂部位未發(fā)生明顯塑性變形，說明螺栓斷裂時承受較小的軸向拉伸力。外部斷口整齊，內(nèi)部呈現(xiàn)波浪狀，說明螺栓在斷裂前承受橫向彎曲力，可初步判定為疲勞剪切斷裂。

3 化學成分分析

采用直讀光譜法對螺栓進行化學成分分析，結果如下表所示，其化學成分符合40Cr鋼的要求。

4 摩擦系數(shù)分析

根據(jù)委托方提供，該款零件的實際摩擦系數(shù)在0.12～0.14之間，且實際裝配扭矩為330～380Nm，根據(jù)標準GB/T16823.3-2010對裝配扭矩及摩擦系數(shù)進行計算如下：

5 綜合分析

從上述分析結果可知，螺栓斷口附近未發(fā)生塑性變形，外部斷口整齊，內(nèi)部呈現(xiàn)波浪狀，該斷口為典型的疲勞斷口，同時在電鏡掃描中發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞輝紋，微觀形貌顯示斷裂面韌窩區(qū)域約占整個斷面面積的10%左右，說明螺栓斷裂時承受較小的軸向應力。

通過送樣人反饋的摩擦系數(shù)及客戶實際裝配扭矩計算可知，螺栓所產(chǎn)生的最大軸向力為124.3kN，僅占保證載荷的55.2%，而螺栓所產(chǎn)生的最小軸向力為93.6kN，僅占保證載荷的41.5%，故螺栓在實際裝配中，未將螺栓擰緊。這樣螺栓在服役過程中，將會產(chǎn)生橫向滑移。輪轂旋轉一周，則螺栓被橫向剪切一次，周而復始螺栓將產(chǎn)生松動，進而產(chǎn)生疲勞斷裂，從而導致整個輪轂上的螺栓松動或斷裂。

6 結論

送檢螺栓出現(xiàn)斷裂的主要原因是螺栓在實際裝配過程中，未完全擰緊，導致螺栓在實際服役過程中出現(xiàn)疲勞斷裂。

該款螺栓的實際裝配扭矩與摩擦系數(shù)不匹配，導致螺栓在實際裝配中出現(xiàn)假擰緊狀態(tài)，未充分利用螺栓性能。

參考文獻

[1] 王泰花，吳延本.貫徹緊固件標準之管見[J].中國標準化，1994（8）.

[2] 王開遠.GB/T3098.1——2000《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》淺析[J].機械工業(yè)標準化與質量，2002（5）：2-5.