鄒兵鳳

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轎車車輪固定螺栓斷裂原因及工藝探析

鄒兵鳳

（江西江鈴底盤股份有限公司，江西 撫州 344000）

轎車車輪是汽車輪轂和車橋連接的連接件，對于汽車行駛的安全性具有重要的保障作用。固定螺栓斷裂是影響生產(chǎn)和經(jīng)營的主要問題，容易導(dǎo)致汽車產(chǎn)品的報廢、返工。因而控制類似的質(zhì)量問題也是汽車企業(yè)工作的重點(diǎn)。文章也將圍繞轎車車輪固定螺栓的斷裂原因展開分析，針對性地探究工藝保障方案。

轎車車輪；固定螺栓斷裂；原因；工藝

引言

汽車螺栓類零部件斷裂失效問題是零部件故障中的主要組成部分，產(chǎn)生的危害程度也比較嚴(yán)重。本文圍繞汽車車輪固定螺栓斷裂的鑒定案例，以此為基礎(chǔ)分析斷裂失效的原因與特征規(guī)律，以便于在專業(yè)技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)。

1 車輛情況

某車輛為使用年限為5年的小型某品牌轎車，在檢修的過程中發(fā)現(xiàn)前輪輪胎出現(xiàn)螺栓斷裂情況，并與螺母同時掉落。后發(fā)現(xiàn)螺母在車輛行駛的過程中已經(jīng)存在損壞情況，故檢修工作的要點(diǎn)在于確定螺栓斷裂的因素，究竟是因為人為因素斷裂還是行車過程中自行斷裂。螺栓材料為40Cr鋼，在加工后進(jìn)行淬火處理，硬度要求達(dá)到30HRC以上。

2 理化檢驗過程

2.1 螺栓斷裂特征

螺栓斷裂的基本情況為斷面相對平整，斷裂面與螺栓保持軸向垂直，螺栓斷裂面的斷口未見明顯起伏與塑性變形情況。從裂紋源分析，并沒有顯著的裂紋擴(kuò)散情況，基本保持為小范圍擴(kuò)展的疲勞斷裂，換言之即使用周期過長產(chǎn)生的斷裂。另外，觀察斷口形貌克制，斷口右上角螺栓邊緣顏色較深，且表面光滑，認(rèn)定為疲勞源[1]。最終的預(yù)測結(jié)果為汽車在開動的過程中突然出現(xiàn)停止或劇烈的負(fù)荷變動產(chǎn)生斷面。而最后的瞬時斷裂還受到了一定程度的扭力作用。由于輪胎有數(shù)個螺栓的共同作用，此螺栓因斷裂無法正常工作，依靠另外的螺栓雖然能夠保持一定時間的使用，但同樣有可能在行駛過程中出現(xiàn)斷裂，從而脫落，在檢修工作中也應(yīng)該注意到這一點(diǎn)。

2.2 化學(xué)含量分析

化學(xué)含量分析可以從輪胎螺栓取樣入手，使用直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，最終結(jié)果也表明螺栓的化學(xué)成分符合要求。具體數(shù)值如下表1所示。

表1 螺栓化學(xué)成分（wt，%）

2.3 金相組織分析

通過對斷裂螺栓的切口部分試驗樣品的拋光與磨平后，對其金屬分布情況進(jìn)行金相組織分析。通過硝酸酒精溶液浸蝕后的結(jié)果為回火索氏體，硬度符合一般材料要求。

2.4 掃描結(jié)果

螺栓斷口的微觀形貌分析結(jié)果存在顯著的條紋與纖維孔洞，瞬斷區(qū)為韌窩斷口狀態(tài)，自由表面斷面中心不對稱。此時可以判斷為轉(zhuǎn)軸處于工作狀態(tài)，螺紋處受到機(jī)械加工的影響，細(xì)小的裂紋在應(yīng)力的作用下形成穩(wěn)定的裂紋源，在拉力影響下最終形成裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)并斷裂，并非因事故沖擊產(chǎn)生的斷裂故障[2]。

3 結(jié)果分析

從化學(xué)檢驗等一系列工作的結(jié)果來看，斷裂螺栓的強(qiáng)度與硬度符合《緊固件機(jī)械性能》對于螺栓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，螺栓斷裂口的微觀形貌表現(xiàn)為金屬沿邊界分離。產(chǎn)生這種情況的主要原因是因為弱化晶界導(dǎo)致，說明開裂區(qū)域已經(jīng)處于強(qiáng)度降低的狀態(tài)，發(fā)生脆化。一般情況下，蠕變、低溫、淬火、應(yīng)力腐蝕與氫脆是主要的影響因素[3]。

蠕變與低溫狀態(tài)的出現(xiàn)主要與環(huán)境有關(guān)，由于轎車車輪位置固定，螺栓所承受的環(huán)境溫度相對穩(wěn)定，不存在明顯溫度差異。

淬火方面，如果螺栓之前存在淬火產(chǎn)生的裂紋，那么在裝配環(huán)節(jié)就可能出現(xiàn)斷裂，因此淬火裂紋情況不符合。

應(yīng)力腐蝕方面，在經(jīng)過電子顯微鏡觀察后，結(jié)果表明開裂區(qū)域并沒有顯著的腐蝕痕跡，說明斷裂并不是因為應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。

氫脆主要發(fā)生與平緩應(yīng)力作用下的突然延遲破斷，零件產(chǎn)生突然失效的情況。一來說破斷失效主要出現(xiàn)于零件檢驗合格后，因此其危險性更加顯著。從斷裂部位、斷裂過程與硬度特征來說，螺栓硬度越高，其氫脆敏感度越高，符合氫脆特征。

從氫脆產(chǎn)生的原因來看，主要體現(xiàn)在兩個方面。一是因為材料本身的性能問題。由于金屬在冶煉的過程中，材料中的氫元素溶解度會因為溫度的變化出現(xiàn)差異，此時溫度如下降，那么氫的溶解度降低，加上凝固速度較快的因素，導(dǎo)致氫殘留在金屬材料之內(nèi)，出現(xiàn)氫脆。此外，如果在氧化處理過程中清洗金屬的銹蝕，金屬與酸液之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫，除了部分以分子形式存在，還有部分氫會直接進(jìn)入金屬內(nèi)部。

針對這一問題，為了防止今后的螺栓因氫脆現(xiàn)象出現(xiàn)斷裂，可以采取一些應(yīng)對措施。

（1）對于材料表面的去氫工作是首要任務(wù)。具體來看可以通過加熱零件的方式將金屬內(nèi)部的氫去除，然后進(jìn)行1-3h的保溫工作處理。

（2）采用氧化性酸洗模式，減少氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）達(dá)克羅處理。這是目前主要的技術(shù)方案，也是國際金屬處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比于傳統(tǒng)工藝，這種技術(shù)的抗腐蝕能力顯著，可以在高溫環(huán)境下進(jìn)行，且全過程閉路循環(huán)模式并不會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。其處理工藝的特點(diǎn)決定了它不會產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，非常適用于受力件的涂覆工作。另外，它與金屬機(jī)體之間有良好的結(jié)合力，和其它附加涂層具有顯著的粘著性，處理之后的零件便于噴涂與上色，甚至超過了磷化膜的性能[4]。相比而言，傳統(tǒng)的鍍鋅工藝在100℃以上時就有可能出現(xiàn)質(zhì)量問題而報廢。最后，該技術(shù)的滲透性較好，可以直接進(jìn)入工件內(nèi)部形成涂層。但需要注意的問題在于其導(dǎo)電性能并不顯著，如果是電氣零件，則要考慮更換技術(shù)工藝，另外，還需要考慮其與鎂、鎳等材料的零部件之間產(chǎn)生的接觸性腐蝕問題?？傮w來看，螺紋表層出現(xiàn)的應(yīng)力集中裂紋源導(dǎo)致了脫碳、開裂等各個方面的問題，在后續(xù)的工藝加工中也需要控制好熱處理技術(shù)，例如在淬火加熱時需采用保護(hù)氣，并清理表面的雜物，防止脫碳等現(xiàn)象的產(chǎn)生，保障機(jī)械零件的使用性能。

4 結(jié)語

氫脆斷裂與疲勞斷裂都和應(yīng)力作用有關(guān)，尤其是疲勞斷裂是因為螺栓零件長時間工作所導(dǎo)致的斷裂現(xiàn)象，一般情況下在斷裂前并沒有明顯的塑性變形癥狀，疲勞斷裂損傷也是因長期的累計過程所導(dǎo)致。因此，疲勞抗力與時間有著密切的聯(lián)系，同時與材料本身的性能，尺寸與表面質(zhì)量有關(guān)。從本次研究的案例來看，轎車車輪固定螺栓的斷裂情況非常普遍，氫脆斷裂與低應(yīng)力高周疲勞斷裂為主要的故障類型。由于螺栓在裝配和服役過程中受力非常復(fù)雜，所呈現(xiàn)的斷口形貌也千變?nèi)f化，在技術(shù)與故障分析方面的重點(diǎn)在于如何確定斷口所受到的應(yīng)力。在多數(shù)情況下斷口的瞬斷區(qū)判斷較為簡便，斷裂源一般也在瞬斷區(qū)域，符合這一原則。因此在未來工作中，針對故障問題需要做好調(diào)查與背景信息的收集，重點(diǎn)對失效零部件進(jìn)行宏觀觀察與檢測分析處理，包括本次研究采用的成分分析、金相分析、性能與斷口分析等，然后針對材料性能來判斷零件的工作狀態(tài)與受力情況，為實際的故障檢測工作提供技術(shù)支持。

今后的工作中，判斷零部件的失效模式需要總結(jié)工作規(guī)律并進(jìn)行綜合判斷，以分析鑒定的結(jié)果作為參考依據(jù)進(jìn)行針對性的技術(shù)改進(jìn)，在生產(chǎn)和使用中減少類似故障的產(chǎn)生，保障車輛行駛的安全性。

[1] 張睿,龐遠(yuǎn)智.公交客車輪胎螺栓斷裂飛輪事故原因分析[J].城市公共交通, 2012(5):35-36.

[2] 周華,金應(yīng)榮,劉錦云.一種高強(qiáng)度汽車車輪螺栓的異常斷裂[J].中國司法鑒定, 2010, V0(3):41-44.

[3] 李琨,柴之龍,劉柯軍,等.車輪螺栓應(yīng)力腐蝕開裂分析[J].汽車工藝與材料, 2014(10):52-55.

[4] 周宏偉,劉素芬,韓培德,等.汽車輪胎螺栓斷裂原因分析[J].物理測試, 2015, 33(2):35-37.

Analysis on the Fracture Causes and Technology of Car Wheel Fixed Bolt

Zou Bingfeng

( Jiangxi Jiangling Dipan Co., Ltd., Jiangxi Fuzhou 344000 )

The car wheel is the connecting part of the car hub and the bridge, which is very important to the safety of the car. Fracture of fixed bolt is the main problem that affects production and operation, which can easily lead to scrapping and reworking of automobile products. Therefore, controlling similar quality issues is also the focus of the work of automotive companies. The paper will also analyze the causes of the breakage of the car wheel fixing bolt, and explore the process guarantee scheme.

car wheels; Fracture of fixing bolts; Reasons; technology

U466

B

1671-7988(2018)21-232-03

U466

B

1671-7988(2018)21-232-03

鄒兵鳳，（1987年6月-），男，江西臨川，本科，研究方向：車橋產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.079