40.由10cr鋼製成9級車輪螺栓，裝配到汽車輪轂中後，發現車輪晃動了1個月左右，拆下後發現乙個螺栓斷裂。 採用化學成分分析、金相分析、電子顯微鏡分析等方法分析斷裂原因。
結果表明：螺栓疲勞斷裂可能與螺栓表面螺紋尖和螺紋底部存在小裂紋有關，螺紋尖端和底部的裂紋缺陷可能是螺栓加工過程中（如軋絲）產生的裂紋缺陷。
螺栓在機械結構中起著連線、緊固、定位、密封等功能的作用，除了受到軸向預緊力拉伸載荷的作用外，在工作過程中還可能受到附加的軸向拉伸（交變載荷）、橫向剪下（交變）載荷或彎曲載荷的影響而復合，有時還受到衝擊載荷的影響。
一般而言，軸向交變載荷會導致螺栓疲勞斷裂，研究指出，疲勞失效過程是疲勞裂紋發生和擴充套件的過程，疲勞裂紋的發生和發展首先在材料區域性應力集中的地方進行。
40.由10cr鋼製成9級車輪螺栓，裝配成汽車輪轂後使用約1個月後發現車輪晃動，拆下後發現螺栓斷裂，螺栓製造工藝流程：原料酸洗拉拔、球化退火、酸洗拉拔、冷鐓、軋絲、熱處理、電鍍、脫氫。
採用化學成分分析、金相分析、電子顯微鏡分析等方法分析斷裂原因。
01. 理化檢驗
1.螺栓斷裂的巨集觀形態。
螺栓的斷裂位置位於螺釘的螺紋位置，螺栓斷裂的一端斷面因磨損嚴重汙染呈黃褐色，基本無法觀察到斷口形態，斷口另一端的斷裂斷面比較平坦，也有磨損和輕微鏽蝕， 但殼狀條紋仍可見，為典型的疲勞斷裂形貌，未發現其他冶金缺陷，見圖1和圖3。
圖1 螺栓斷裂位置示意圖（箭頭表示螺栓斷裂）。
圖2 螺栓斷裂斷裂的巨集觀形貌之一
圖3 裂縫的第二巨集觀形態（橫截面上可以看到殼狀圖案）。
2.螺栓斷裂的巨集觀形貌。
超聲清洗後，在蔡司EVO18掃瞄電鏡下觀察斷裂螺栓斷裂，截面上有明顯的殼狀疲勞輝光形貌，螺栓斷裂起源於螺栓齒，斷裂源區有明顯的撕裂邊緣，斷裂源區和裂紋擴充套件區的微觀斷裂形貌為解理或準解理斷裂， 瞬時斷裂區微觀形貌為凹坑斷裂，為斷裂的基本特徵，如圖4、圖5所示。
a） 螺栓斷裂源區的位置。
b）斷裂源區有淚脊。
圖4 螺栓斷裂面的微觀形貌之一
a. 斷層源區形態;b. 裂紋擴充套件區形貌;c. 瞬時斷裂區域的形態）圖5 螺栓斷裂面的第二種微觀形貌。
在斷裂螺栓斷裂附近的縱向表面上，斷裂源處的螺紋表面發現撕裂狀裂紋，附近完好螺紋齒處發現小裂紋，小裂紋佔據了螺紋周的大部分，如圖6所示。 
a） 螺栓斷裂源區縱螺紋齒的形貌。
b） 螺紋底部有小裂紋。
圖6 螺栓斷裂源區縱向螺紋的微觀形貌。
3.化學成分分析。
對斷裂螺栓進行取樣，採用德國超光譜公司的QSN750直讀光譜儀對化學成分進行分析，結果見表1。
可以看出，斷裂螺栓的化學成分符合GB T3077-2015《合金結構鋼》標準中40CR鋼的化學成分規範。 
表1 斷裂螺栓化學成分（wt%）
4.金相組織及硬度檢驗。
在斷裂面附近取縱向試樣進行金相檢查，發現約有2個6mm長的裂紋（齒根裂紋1）對應圖6中的圖A（裂紋1），該裂紋中沒有灰色氧化物，經硝酸醇腐蝕後周圍無脫碳現象
在第二根螺紋（裂紋2）底部發現一條小裂紋，對應圖6中的圖A（細裂紋1），螺紋尖端也有一條小裂紋，最大深度約為006mm，螺紋底部和齒尖的小裂紋內部和周圍有灰色氧化物，裂紋中的灰色氧化物主要含有“O”、“Al”和“Fe”元素，實際上是氧化鐵
硝酸醇腐蝕後發現，脫碳層中存在齒底小裂紋和齒尖小裂紋，裂紋周圍有明顯的組織變形流線，基體組織為回火索氏體，如圖7和圖13所示。 螺栓的洛氏硬度測試表明，螺栓螺紋的硬度在34-35HRC之間，螺栓基體的硬度在36-39HRC之間。
圖7 螺栓縱截面裂紋示意圖。
a） 樓板裂縫 1 放大形態。
b） 齒下裂紋放大形貌 2 圖8 螺栓齒下裂紋的微觀形貌。
a） 尖裂紋形態之一。
b） 尖頭裂紋的形貌 2 圖9 螺栓尖頭裂紋的微觀形貌。
圖10 灰色氧化物光譜分析得出螺紋尖裂紋的結果。
圖11 螺栓縱截面的結構形貌。
a） 牙齒根部裂縫處的組織形態
b） 尖端裂縫處的組織形態。
圖12 螺栓螺紋形貌。
圖 13 螺栓基體的微觀形貌。
02. 技術分析
1、化學成分分析表明，螺栓的化學成分符合GB T 3077-2015《合金結構鋼》標準中對40Cr鋼的化學成分規範。
2、巨集觀檢查分析表明，螺栓斷裂位置位於螺釘螺紋位置，螺栓斷裂一端黃褐色斷面是由於磨損汙染嚴重，斷口形態基本無法觀察到，斷口另一端斷口斷面比較平整， 並且還有磨損和輕微鏽蝕，但仍可見殼狀條紋，為疲勞斷裂特徵，未發現其他冶金缺陷，說明螺栓屬於疲勞斷裂。
3.掃瞄電鏡（SEM）檢查顯示螺栓斷裂起源於螺栓齒，斷裂源區有明顯的撕裂邊緣，斷裂源區和裂紋擴充套件區的微觀斷裂形貌為解理或準解理斷裂，瞬時斷裂區微觀形貌為凹坑斷裂， 哪些是骨折的基本特徵在斷裂螺栓斷裂附近的縱向表面上，發現斷裂源處的螺紋表面存在撕裂狀裂紋，螺紋齒處發現小裂紋，小裂紋佔據了螺紋周的大部分。
由此可見，螺栓螺紋齒處存在小缺陷，在螺栓受力過程中，裂紋屬於應力集中點，隨著螺栓的使用，疲勞裂紋在這裡慢慢形成，最後引起疲勞斷裂，螺紋處的小裂紋是螺栓斷裂的重要原因。
4.金相檢驗分析表明，大約有2種6mm長的裂紋，此裂紋內無灰色氧化物，經硝酸醇腐蝕後，周圍無脫碳現象，此裂紋可能是應力開裂裂紋;在螺紋底部和尖端發現的小裂紋內部和周圍存在灰色氧化物，裂紋中的灰色氧化物主要含有“O”、“Al”和“Fe”元素，它們實際上是氧化鐵，說明這裡的小裂紋在螺栓熱處理之前就已經存在，然後經過熱處理， 裂紋被氧化形成氧化鐵裂紋周圍有明顯的顯微組織變形流線，說明此處加工變形較大。
5、硬度試驗分析表明，螺栓螺紋的硬度在34-35HRC之間，螺栓基體的硬度在36-39HRC之間，符合109級螺栓的硬度要求表明螺栓的強度是合格的。
6、綜上所述：螺栓斷裂為疲勞斷裂，斷裂源源於表面，螺紋尖端和螺紋底部在螺栓表面存在小裂紋缺陷是螺栓斷裂的重要原因，裂紋缺陷在應力過程中引起裂紋缺陷內的應力集中， 裂縫繼續擴大，最終導致斷裂。
由於疲勞的主要原因是交變載荷，預緊力不足是交變載荷增大的主要原因，材料缺陷是應力集中的原因，是早期疲勞失效的重要原因。
03. 螺絲駿的經驗與總結
1）螺栓斷裂為疲勞斷裂，斷裂源源於表面，螺栓表面螺紋尖和齒底存在細小裂紋缺陷是螺栓斷裂的重要原因，應力過程中的裂紋缺陷是由應力集中引起的， 裂縫繼續擴大，最終導致斷裂。
螺栓螺紋尖端和底部的裂紋缺陷可能是螺栓螺紋滾動過程中產生的裂紋缺陷。
2）建議提高螺栓加工工藝的精度和質量，避免螺栓螺紋軋制工藝造成螺紋的損壞。
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