某型混凝土攪拌運(yùn)輸車輪胎安裝螺栓失效分析

李 杰，鄧云喆，周 博

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.三一重工股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

螺紋連接件在汽車結(jié)構(gòu)中廣泛存在，其中輪轂螺栓連接是汽車輪轂連接的主要方式，對整車性能和安全起著極其重要的作用［1］.作為汽車和路面間的唯一接觸部件，輪轂在工作中承受極為復(fù)雜的載荷［2］，這些載荷會傳遞并施加于連接螺栓上.車輪螺栓的服役質(zhì)量直接影響著汽車的性能及安全.

混凝土攪拌運(yùn)輸車（以下簡稱攪拌車）是現(xiàn)代混凝土施工中常見的工程車輛［3］，是運(yùn)輸預(yù)拌混凝土的專用車輛，為了防止混凝土凝固，在運(yùn)輸過程中由筒體對物料進(jìn)行攪動，快速運(yùn)送至施工現(xiàn)場.某型攪拌車在行駛5萬km后，發(fā)現(xiàn)前輪多件安裝螺栓發(fā)生斷裂，存在嚴(yán)重的安全隱患.為了找出螺栓斷裂失效的原因，筆者采用斷口宏微觀分析、化學(xué)成分分析、顯微組織觀察、硬度檢驗(yàn)、局部倒角尺寸測量等方法對該斷裂失效螺栓進(jìn)行了檢驗(yàn)，分析造成螺栓斷裂失效的原因，以避免類似問題再次發(fā)生.

1 試驗(yàn)樣件及斷口觀察

1.1 試驗(yàn)樣件

試驗(yàn)樣件為斷裂失效的攪拌車輪胎安裝螺栓，材料為35CrMo鋼，規(guī)格為M22，樣件要符合《GB/T 3098.1-2010緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中10.9級標(biāo)準(zhǔn).螺栓主要生產(chǎn)工藝流程為：退火→拉拔→下料→鐓頭成型→熱處理（調(diào)質(zhì)，具體參數(shù)不詳）→滾絲→鍍鋅.

如圖1所示，失效螺栓斷裂位置位于螺桿中部與輪轂過盈配合段的端部，距螺栓頭部約20 mm.從同一攪拌車輪胎上拆除的未斷裂螺栓螺桿部位可以看出，加工臺階處存在明顯的擠壓痕跡.同時(shí)，螺栓與輪轂過盈配合部分存在明顯的微動磨損.

圖1 失效螺栓斷裂位置及示意圖

1.2 斷口觀察

圖2 為螺栓斷口宏觀形貌，斷口處上下部分較平整，未見明顯的塑性變形，呈現(xiàn)較顯著的貝紋線形貌，中部起伏較大，推測為交變載荷作用下的疲勞開裂，疲勞裂紋源位于上下兩側(cè)的螺栓表面臺階倒角處，為線狀源.疲勞裂紋從表面向心部擴(kuò)展，疲勞源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大，推測螺栓在服役條件下名義工作應(yīng)力較低，局部應(yīng)力較小，屬于高周疲勞，最終在螺栓心部瞬斷.斷口未見明顯銹蝕現(xiàn)象，部分位置發(fā)生擠壓磨損而較光亮.此外，上下兩部分的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積大小不一致，斷口下半部分?jǐn)U展區(qū)的面積更大.

圖2 失效螺栓斷口宏觀形貌

使用FEI Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡對斷口形貌進(jìn)行微觀觀察，結(jié)果如圖3所示.圖3（a）為裂紋擴(kuò)展區(qū)中部位置，可見明顯的疲勞輝紋形貌，證明為疲勞開裂，還可見較多二次裂紋.圖3（b）為瞬斷區(qū)位置，為典型的韌窩形貌，撕裂棱很明顯且韌窩較深，說明材料韌性較好.

圖3 失效螺栓斷口微觀SEM形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分

沿螺栓橫斷面，采用線切割取樣后磨平，使用德國SpectroTest公司的TXC25型便攜式直讀光譜儀測試化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示.可以看出，試樣為CrMo系低合金鋼，符合《GB/T 3077-2015合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的要求.

表1 螺栓化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 心部硬度

在軸線中心位置沿螺栓軸向，采用線切割取樣，鑲樣并進(jìn)行預(yù)磨、機(jī)械拋光后，使用美國Wilson公司402MVD型顯微硬度計(jì)測試硬度和螺紋表面硬度梯度，壓頭載荷2.94 N（即為HV0.3）.

失效螺栓的心部硬度為374±4 HV0.3，符合GB/T 3098.1-2010對于10.9級螺栓的硬度要求（320～380HV）.

2.3 螺紋硬度梯度

螺紋處從頂部表面到心部的硬度分布如圖4所示.從硬度結(jié)果并按照GB/T 3098.1-2010進(jìn)行判定，可以看出螺紋表面未脫碳、未增碳，未脫碳層高度E符合標(biāo)準(zhǔn)要求.另外，螺紋部分整體硬度均高于心部基體，是由螺紋加工過程中的大量塑性變形強(qiáng)化所致.

圖4 螺紋位置從頂部到心部的硬度分布

2.4 顯微組織

將拋光后的試樣采用4%硝酸酒精溶液擦拭，使用日本Olympus公司GX51型金相顯微鏡觀察顯微組織，如圖5所示.由圖5（a）整體形貌可知，螺紋加工變形過程中的流變組織沿加工輪廓無斷點(diǎn)，未見異常.實(shí)測螺距P=1.5 mm，牙型高度H1=0.926 mm.螺紋側(cè)面未見淺色的脫碳層.圖5（b）心部及整個(gè)螺紋基體均為細(xì)小均勻的回火索氏體+少量鐵素體，參照《GB/T 13320-2007鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》第三組評級圖，金相組織等級為2級.此外，未觀察到沿軸向的條帶狀形貌.

圖5 失效螺栓顯微組織

2.5 倒角尺寸

對失效螺栓頭部倒角及螺桿中部臺階處，使用美國Bruker公司NPFLEX-LA型非接觸式三維表面光學(xué)形貌儀測量尺寸.圖6為螺栓頭部與桿部交接處的倒角三維形貌，實(shí)測尺寸為R=0.98 mm，滿足設(shè)計(jì)要求R=0.8 mm～1.2 mm.此外，螺桿中部臺階實(shí)測高度為0.12 mm.

圖6 失效螺栓頭部與桿部倒角處三維形貌

3 分析討論

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，失效螺栓的化學(xué)成分、硬度、金相組織等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也未見表面脫碳、增碳等異常情況，說明螺栓的制造、熱處理等過程正常進(jìn)行.35CrMo鋼是一種常用的低合金高強(qiáng)鋼，一般經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能.［4］

螺栓斷口分為疲勞斷口和拉伸剪切斷口［5］，前者具有“貝紋線”特征，后者塑性變形很大，呈撕裂狀，與螺栓的軸向呈一定角度，斷口橫跨5～6個(gè)螺距.一般來說螺栓疲勞裂紋起源于螺紋根部加工刀痕處，沿垂直于螺栓軸向擴(kuò)展，最后瞬斷區(qū)呈現(xiàn)明顯的塑性變形.疲勞斷裂是螺栓主要的失效形式［6］.從疲勞現(xiàn)象的影響因素來看，螺栓的下列位置更有可能成為裂紋源［7］：螺栓頭部與桿部的倒角處、外螺紋、緊挨螺母的螺栓螺紋根部.螺栓疲勞性能與材料成分及性能、表面狀態(tài)、加載方式及環(huán)境介質(zhì)等因素有關(guān)［8］.本文所分析的螺栓屬于疲勞斷裂，且斷口不在螺紋處，而是在螺桿上的臺階處，說明此處的受力狀態(tài)更嚴(yán)苛.同時(shí)，裂紋源在斷口上呈現(xiàn)上下對稱形貌，只是上下擴(kuò)展區(qū)面積不同，說明受到了不對稱的彎曲載荷.

攪拌車行進(jìn)過程中實(shí)際工況非常復(fù)雜，存在頻繁的加速、制動、轉(zhuǎn)彎等情況，來自輪輞、輪邊減殼及制動鼓的周向力（車輪螺栓分度圓切線方向的力）在螺栓上產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在軸向拉力、摩擦力、微動磨損、擠壓力等作用下，螺栓承受復(fù)雜得多向隨機(jī)載荷［9］，對其疲勞性能提出了更高的要求.螺栓由于受力不均，局部存在應(yīng)力集中，致使螺栓桿部受擠壓與微轉(zhuǎn)動產(chǎn)生了塑性變形及微動磨損，彎曲應(yīng)力和軸向拉應(yīng)力等綜合作用，誘發(fā)了螺栓表面磨損裂紋及臺階應(yīng)力集中處疲勞裂紋的萌生.隨著攪拌車進(jìn)一步運(yùn)行，螺栓裂紋源處的裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展、閉合、再擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂.因此，導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂的根本原因是彎曲應(yīng)力+應(yīng)力集中，而受到彎曲應(yīng)力的根本原因?yàn)檐囕喡菽赴l(fā)生了松動.

螺母松退通常由于初始擰緊力矩不足，螺栓、連接件的污損，擰緊順序錯誤，連接件間存在間隙，震動影響等造成［10］.螺栓預(yù)緊力對于結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要，過小會導(dǎo)致連接滑動，過大則會使螺栓強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)［11］.實(shí)際生產(chǎn)中，制造商通過嚴(yán)格控制安裝扭矩、各種緊固措施等預(yù)防螺栓松動，防止螺栓預(yù)緊力降低.但是在長期使用過程中，在持續(xù)的載荷、沖擊、振動等作用下，螺栓不可避免地會發(fā)生松動，螺栓強(qiáng)度降低［12］.因此，對于攪拌車使用中的常規(guī)維護(hù)特別是對螺栓松動情況的監(jiān)控非常重要，有必要定期檢查螺栓的擰緊力矩.

4 結(jié)論及改進(jìn)

本文針對某型攪拌車前輪安裝螺栓的斷裂原因進(jìn)行了綜合分析，得出如下結(jié)論：

（1）失效螺栓化學(xué)成分、硬度、金相組織等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也未見表面脫碳、增碳等異常情況，說明螺栓的制造、熱處理等過程正常進(jìn)行.

（2）螺栓斷裂原因?yàn)檩S向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等綜合作用下的疲勞開裂，存在應(yīng)力集中，而受到彎曲應(yīng)力的根本原因?yàn)檐囕喡菽赴l(fā)生了松動，導(dǎo)致對輪輞等零部件的夾緊力不足.

（3）建議在攪拌車生產(chǎn)過程中采用準(zhǔn)確合理的擰緊力矩及擰緊方法，在使用過程中定期對螺栓擰緊力矩進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)復(fù)緊螺母.