M20轮胎螺栓断裂分析报告

邓建

摘 要 对断裂螺栓进行宏观和微观检验、化学成份分析及电镜扫描，结果表明：螺栓的所有机械性能均符合国家标准要求。螺栓断裂的主要原因是由于设计方，所设计的摩擦系数与实际装配扭矩不匹配，造成螺栓在实际装配过程中紧固系统出现假拧紧状态。螺栓在服役过程中，将会产生横向滑移，从而导致螺栓产生疲劳断裂。

关键词 轮胎螺栓;断裂;摩擦系数;装配扭矩;失效分析

1 概述

委托方提供规格为M20×1.5-M20×1.5×83的10.9级后右车轮螺栓断裂部件五件（两件短件断口与其余三件断口不能完好连接，故为五件），材质为40Cr。 该款产品在实际使用过程中断裂，通过委托方描述，汽车在正常运输过程中出现后右轮胎脱出现象，造成外车轮总成脱落飞出，内车轮轮胎、钢圈破裂報废。

2 宏观分析

根据委托方提供样品可见螺栓断裂发生在螺纹部位，在最终断裂时，断裂部位未发生明显塑性变形，说明螺栓断裂时承受较小的轴向拉伸力。外部断口整齐，内部呈现波浪状，说明螺栓在断裂前承受横向弯曲力，可初步判定为疲劳剪切断裂。

3 化学成分分析

采用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，结果如下表所示，其化学成分符合40Cr钢的要求。

4 摩擦系数分析

根据委托方提供，该款零件的实际摩擦系数在0.12～0.14之间，且实际装配扭矩为330～380Nm，根据标准GB/T16823.3-2010对装配扭矩及摩擦系数进行计算如下：

5 综合分析

从上述分析结果可知，螺栓断口附近未发生塑性变形，外部断口整齐，内部呈现波浪状，该断口为典型的疲劳断口，同时在电镜扫描中发现明显的疲劳辉纹，微观形貌显示断裂面韧窝区域约占整个断面面积的10%左右，说明螺栓断裂时承受较小的轴向应力。

通过送样人反馈的摩擦系数及客户实际装配扭矩计算可知，螺栓所产生的最大轴向力为124.3kN，仅占保证载荷的55.2%，而螺栓所产生的最小轴向力为93.6kN，仅占保证载荷的41.5%，故螺栓在实际装配中，未将螺栓拧紧。这样螺栓在服役过程中，将会产生横向滑移。轮毂旋转一周，则螺栓被横向剪切一次，周而复始螺栓将产生松动，进而产生疲劳断裂，从而导致整个轮毂上的螺栓松动或断裂。

6 结论

送检螺栓出现断裂的主要原因是螺栓在实际装配过程中，未完全拧紧，导致螺栓在实际服役过程中出现疲劳断裂。

该款螺栓的实际装配扭矩与摩擦系数不匹配，导致螺栓在实际装配中出现假拧紧状态，未充分利用螺栓性能。

参考文献

[1] 王泰花，吴延本.贯彻紧固件标准之管见[J].中国标准化，1994（8）.

[2] 王开远.GB/T3098.1——2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》浅析[J].机械工业标准化与质量，2002（5）：2-5.