某型号车轮螺栓拉长和断裂原因

武 坤,杨 帆,王秀健,李 皓,郑喜平

(郑州精益达汽车零部件有限公司,郑州 450000)

车轮螺栓是车辆的重要零部件，是轮毂连接车轮的高强度紧固件。某公司车轮螺栓为A厂家产品，对应的车轮螺母为A，B两个厂家产品。在螺栓装配过程中，A厂家的螺栓和螺母同时使用时未发生失效，但在A厂家螺栓和B厂家螺母配合使用时，约5%的螺栓出现拉长、断裂情况。为查明螺栓拉长和断裂的原因，笔者进行了一系列理化检验，并提出了相应改进措施，以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

螺栓规格为20 mm×1.5 mm(外径×壁厚)，性能等级为10.9级，表面处理方式为磷化处理。拉长和断裂螺栓的宏观形貌如图1所示，可见拉长螺栓(1#螺栓)螺纹处产生明显的颈缩塑性变形，断裂螺栓(2#螺栓)螺纹处发生断裂，断裂螺纹处同样产生了明显的颈缩塑性变形[1]。

图1 拉长和断裂螺栓的宏观形貌

1.2 化学成分分析

螺栓材料为35CrMo合金钢，分别在1#，2#螺栓上取尺寸为18 mm×12 mm(直径×长度)的圆柱形试样，用磨床磨平，然后用ARL3460型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示，可见1#，2#螺栓的各元素含量均符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》的要求。

表1 1#，2#螺栓的化学成分分析结果 %

1.3 力学性能及硬度测试

在1#，2#螺栓的同批次螺栓上取样，依据GB/T 228.1—2021 《拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，用CMT 5305型微机控制电子万能试验机对试样进行力学性能测试。在螺栓上截取厚度为16 mm的圆柱形试样，用磨床磨平，然后用HR-150型洛氏硬度计对试样进行硬度测试。螺栓的力学性能及硬度测试结果如表2所示，可见试样的力学性能和硬度均符合技术要求。

表2 螺栓的力学性能及硬度测试结果

1.4 金相检验

分别从1#，2#螺栓螺纹处截取纵向剖面试样，用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀，并用Axioscope 5型光学显微镜对试样进行金相检验，结果如图2，3所示。由图2可知：1#螺栓螺纹无明显脱碳，螺纹根部牙底过渡圆滑，无毛刺等缺陷，显微组织为回火索氏体2级，符合GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求。由图3可知，2#螺栓的金相检验结果与1#螺栓基本一致[2]。

图2 1#螺栓的显微组织形貌

图3 2#螺栓的显微组织形貌

1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析

将2#螺栓断口用线切割取样，经超声清洗后，对试样进行宏观观察和SEM分析，结果如图4所示。由图4可知：2#螺栓的断口断面整体粗糙，凹凸不平，放射条纹方向明显，断面可分为裂纹源区、扩展区和明显的剪切唇区[见图4a)]；裂纹源区有较多的圆形韧窝，有轻微的剪切痕迹，说明裂纹源处有力的长时间集聚，该处受力超过了螺栓的屈服强度；扩展区为准解理形貌，说明该区域裂纹扩展速率较快；螺栓最终在剪切唇区发生一次性剪切断裂。

对试样进行能谱分析，分析位置如图4a)所示，分析结果如图5所示，可见Fe元素的衍射峰比较明显，除有少量O元素外，试样中无其他异常元素，可排除夹杂物引起的断裂[3]。

图4 2#螺栓的断口宏观和SEM形貌

图5 2#螺栓断口的能谱分析结果

2 摩擦性能测试

分别选取A厂家螺栓+A厂家螺母和A厂家螺栓+B厂家螺母各10组，按照GB/T 16823.3—2010 《紧固件 扭矩-夹紧力试验》，用SCHATZ型力学试验机对试样进行摩擦性能测试。首先拧紧螺母至550 N·m(装配力矩)，记录扭矩系数等数据，再拧紧至螺栓产生屈服，记录屈服扭矩、屈服夹紧力等数据。A厂家螺栓+A厂家螺母摩擦性能的测试结果如表3所示。由表3可知，扭矩系数大部分为0.17～0.19，平均扭矩系数为0.18，标准差为0.009，均符合扭矩系数的相应要求，且一致性较好。

表3 A厂家螺栓+A厂家螺母摩擦性能的测试结果

表4为A厂家螺栓+B厂家螺母摩擦性能的测试结果，可见扭矩系数为0.10～0.16，平均扭矩系数为0.13，标准差为0.02，一致性较差。

表4 A厂家螺栓+B厂家螺母摩擦性能的测试结果

3 综合分析

螺栓是用夹紧力将多个零部件结合在一起，从而达到紧固的目的。夹紧力测量困难，但夹紧力与扭矩有一定的线性关系，且扭矩容易测量，因此，可用控制扭矩的方法得到合适的夹紧力。扭矩系数、夹紧力和扭矩之间的关系如式(1)所示。

T=KFd

(1)

式中：T为扭矩；K为扭矩系数；d为螺纹的公称直径；F为夹紧力。

从式(1)可知，扭矩系数与夹紧力成反比，即当扭矩系数减小时，夹紧力增大。在螺栓装配中，扭矩系数减小会使夹紧力超过螺栓的屈服强度，导致螺栓拉长变形，当夹紧力大到一定程度时，会导致螺栓断裂。

车轮螺栓实际装配扭矩约为(550±50) N·m，表4中所测最小屈服扭矩明显低于最大装配扭矩。根据技术要求，屈服强度最小为900 MPa，计算可知螺栓屈服应力最小约为255 kN，实际测试螺栓屈服夹紧力均大于该值，因此，可排除材料性能问题。

将最大装配扭矩T=600 N·m和螺栓最小屈服夹紧力F=255 kN代入式(1)，可得最小扭矩系数K约为0.12，即扭矩系数不小于0.12可保证力学性能合格的螺栓不发生屈服拉伸甚至断裂情况。从摩擦性能测试结果可知：A厂家螺栓+A厂家螺母的实测扭矩系数为0.17～0.19，屈服扭矩均大于800 N·m，说明螺栓发生屈服现象的可能性小；A厂家螺栓+B厂家螺母有3组实测扭矩系数小于0.12，其中有两组实测屈服扭矩小于600 N·m，即装配中有两组螺栓可能发生塑性变形。同时根据螺栓受力结构分析，螺栓所需最小夹紧力为105 kN，即当装配扭矩最小时，最大扭矩系数K约为0.23，说明理论计算扭矩系数保持在0.12～0.23可保证螺栓夹紧力符合要求，为增大容错率，将扭矩系数控制在0.15～0.20更为合适。

螺栓的扭矩系数K宏观上直接反映螺栓拧紧过程中，扭矩与夹紧力之间的系数，K值不仅取决于摩擦面的摩擦系数，还取决于螺纹连接副的几何状况。对理想的螺纹连接副而言，当摩擦系数确定后，扭矩系数也就确定了[4]。通常情况下，在螺栓拧紧过程中100%的扭矩有90%需要用于克服摩擦力(50%用于克服螺栓螺母头的摩擦力，40%用于克服螺纹副中的摩擦力)，10%用于转化为夹紧力(见图6)，理论上只要有足够的夹紧力，就可以保证被夹零件在振动、高温及低温等恶劣环境下安全工作。

图6 螺栓装配扭矩的分配示意

经以上分析可知，螺栓在装配过程中出现拉长和断裂的主要原因为：B厂家螺母摩擦系数控制较差，与A厂家螺栓配合连接副的扭矩系数一致性差，且扭矩系数较小，导致螺栓所受的夹紧力增大，多个螺栓屈服扭矩明显低于装配扭矩，造成螺栓在装配过程中出现拉长、断裂情况。因此，B厂家需要对螺母的摩擦系数进行改进。

4 结论

(1) 螺栓的显微组织、硬度、力学性能、屈服夹紧力等均符合相应技术要求；断口处有明显的塑性变形，属于一次性的拉伸过载断裂，裂纹源处无夹杂物。

(2) 造成螺栓失效的主要原因为：连接副扭矩系数较低，螺栓夹紧力增大，个别螺栓屈服扭矩明显低于实际装配可能达到的最大扭矩，导致装配过程中出现螺栓拉长，甚至断裂的情况。B厂家需对螺母摩擦系数进行改进提升，保证一致性。

(3) 经过B厂家对螺母摩擦系数的工艺过程进行改进提升，再次进行螺栓螺母扭矩系数试验，扭矩系数均在0.15～0.20，使用至今的两年内未再次发生该问题。