由40Cr钢制造的10.9级轮毂螺栓，装配到汽车轮毂后使用1个月左右发现车轮晃动，拆下后发现一支螺栓断裂。通过化学成分分析、金相分析、电镜分析等方法对断裂原因进行分析。
结果表明：螺栓疲劳断裂可能与螺栓表面螺纹的牙尖与牙底存在细小裂纹有关，而螺纹牙尖与牙底存在的裂纹缺陷可能为螺栓加工过程（如滚丝加工）中产生的裂纹缺陷。
螺栓在机械结构中起着连接、紧固、定位、密封等作用，除受轴向预紧拉伸载荷的作用外，工作过程中还可能受到附加的轴向拉伸（交变载荷）、横向剪切（交变）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还有冲击载荷。
一般轴向交变载荷会导致螺栓疲劳断裂，研究指出，疲劳破坏过程就是疲劳裂纹发生和传播的过程，而疲劳裂纹的发生和发展首先是在材料局部应力集中之处进行。
由40Cr钢制造的10.9级轮毂螺栓，装配到汽车轮毂后使用1个月左右车轮发现晃动，拆下后发现一支螺栓断裂，该螺栓的制造工艺：原材料→酸洗拉拔→球化退火→酸洗拉拔→冷镦→滚丝→热处理→电镀→去氢处理。
通过化学成分分析、金相分析、电镜分析等方法对断裂原因进行了分析。
01、 理化检验
1、螺栓断裂宏观形貌
所取螺栓断裂位置位于螺杆的螺纹位置，螺栓断裂一端断面呈黄褐色是由于磨损及污染严重，断口形貌基本无法观察，断裂另一端断口断面较平齐，也有磨损和轻微锈蚀现象，但仍可见贝壳状条纹，为典型疲劳断裂形貌,未发现其他冶金缺陷存在，见图1～图3。
▲ 图 1 螺栓断裂位置示意图（箭头所指为螺栓断裂处）
▲ 图 2 螺栓断裂断口宏观形貌之一
▲ 图 3 断口宏观形貌之二（断面可见贝壳纹）
2、螺栓断裂宏观形貌
对断裂螺栓断口经超声波清洗后在蔡司EVO18扫描电镜下观察，断面上有明显贝壳状疲劳辉纹形貌，螺栓断裂起源于螺栓螺牙处，断裂源区存在明显的撕裂棱，断裂源区和裂纹扩展区微观断裂形貌为解理或准解理断裂，瞬断区微观形貌为韧窝断裂，这些均为断裂的基本特征，见图4～图5。
（a）螺栓断裂源区位置
（b）断裂源区存在撕裂棱
▲ 图 4 螺栓断裂面微观形貌之一
（a、断裂源区形貌；b、裂纹拓展区形貌；c、瞬断区形貌）
▲ 图 5 螺栓断裂面微观形貌之二
断裂螺栓断口附近纵向表面，发现断裂源处螺纹表面均存在撕裂状裂纹，且附近完好的螺纹牙处发现存在细小裂纹，细小裂纹占据大部分螺纹圆周，见图6。
（a）螺栓断裂源区纵向螺纹牙处形貌
（b）螺纹牙底处存在细小裂纹
▲ 图 6 螺栓断裂源区纵向螺牙处微观形貌
3、化学成分分析
在断裂螺栓上取样，使用德国超谱公司QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。
可见该断裂螺栓的化学成份符合GB/T3077-2015《合金结构钢》标准中对40Cr钢的化学成分规范。
▲ 表 1 断裂螺栓的化学成分(质量分数/%)
4、金相组织及硬度检验
断裂面附近取纵向样进行金相检验，发现靠近断面的螺纹牙底存在约2.6mm长的裂纹（牙底裂纹1），与图6中a图（裂纹1）相对应，此裂纹内无灰色氧化物，经硝酸酒精腐蚀后，周围无脱碳现象；
在第二处螺纹牙底发现细小裂纹（牙底裂纹2），与图6中a图（细小裂纹1）相对应，螺纹的牙尖也存在细小裂纹，最深约0.06mm，螺纹牙底和牙尖细小裂纹内及周围存在灰色氧化物，经能谱分析，裂纹缝隙内灰色氧化物主要含有“O”、“Al”、“Fe”元素，实为氧化铁；
经硝酸酒精腐蚀后，发现牙底的细小裂纹及牙尖的细小裂纹均存在于脱碳层中，裂纹周围有明显的组织变形流线存在，基体组织为回火索氏体，见图7～图13。
对螺栓进行洛氏硬度检验，发现螺栓螺纹牙处硬度在34～35HRC之间，螺栓基体硬度在36～39HRC之间。
▲ 图 7 螺栓纵截面裂纹示意图
(a) 牙底裂纹1放大形貌
(b) 牙底裂纹2放大形貌
▲ 图 8 螺栓牙底裂纹微观形貌
(a) 牙尖裂纹形貌之一
(b) 牙尖裂纹形貌之二
▲ 图 9 螺栓牙尖裂纹微观形貌
▲ 图 10 螺纹牙尖裂纹内灰色氧化物能谱分析结果
▲ 图 11 螺栓纵截面组织形貌
(a) 牙底裂纹处组织形貌
(b) 牙尖裂纹处组织形貌
▲ 图 12 螺栓螺纹牙处组织形貌
▲ 图 13 螺栓基体微观形貌
02、 技术分析
1、化学成分分析表明，螺栓的化学成份符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》标准中对40Cr钢的化学成分规范。
2、宏观检验分析表明，所取螺栓断裂位置位于螺杆的螺纹位置，螺栓断裂一端断面呈黄褐色是由于磨损及污染严重，断口形貌基本无法观察，断裂另一端断口断面较平齐，也有磨损和轻微锈蚀现象，但仍可见贝壳状条纹，为疲劳断裂特征，未发现其他冶金缺陷存在，说明此螺栓属于疲劳断裂。
3、扫描电镜检验表明，螺栓断裂起源于螺栓螺牙处，断裂源区存在明显的撕裂棱，断裂源区和裂纹扩展区微观断裂形貌为解理或准解理断裂，瞬断区微观形貌为韧窝断裂，这些均为断裂的基本特征；断裂螺栓断口附近纵向表面，发现断裂源处螺纹表面均存在撕裂状裂纹，螺纹牙处发现存在细小裂纹，细小裂纹占据大部分螺纹圆周。
由此可以说明，螺栓螺纹牙处存在细小缺陷，在螺栓受力过程中，裂纹处属于应力集中点，随着螺栓的使用，此处慢慢形成疲劳裂纹，最后造成疲劳断裂，螺纹处细小裂纹是造成螺栓断裂的重要原因。
4、金相检验分析表明，在靠近断面的螺纹牙底存在约2.6mm长的裂纹，此裂纹内无灰色氧化物，经硝酸酒精腐蚀后，周围无脱碳现象，此裂纹可能为应力开裂裂纹；在螺纹牙底和牙尖发现的细小裂纹内及周围都存在灰色氧化物，经能谱分析，裂纹缝隙内灰色氧化物主要含有“O”、“Al”、“Fe”元素，实为氧化铁，说明此处细小裂纹在螺栓热处理之前就已经存在，之后经过热处理，裂纹处氧化形成氧化铁；裂纹周围有明显的组织变形流线存在，说明此处加工变形量大。
5、硬度检验分析表明，螺栓螺纹牙处硬度在34～35HRC之间，螺栓基体硬度在36～39HRC之间，符合10.9级螺栓的硬度要求，说明螺栓强度合格。
6、综上所述：该螺栓断裂为疲劳断裂，断裂源起源于表面，螺栓表面螺纹牙尖及牙底存在细小裂纹缺陷是该螺栓断裂的重要原因，螺栓在受力过程中裂纹缺陷处引起应力集中，裂纹不断扩展并最终导致断裂。
因为疲劳的主要原因为交变载荷作用，预紧力不足是导致交变载荷增大的主因，材料缺陷是导致应力集中的原因，是早期疲劳失效的一个重要原因。
03、 螺丝君经验与总结
1) 该螺栓断裂为疲劳断裂，断裂源起源于表面，螺栓表面螺纹牙尖及牙底存在细小裂纹缺陷是该螺栓断裂的重要原因，螺栓在受力过程中裂纹缺陷处引起应力集中，裂纹不断扩展并最终导致断裂。
而螺栓螺纹牙尖及牙底存在的裂纹缺陷可能为螺栓搓丝过程中产生的裂纹缺陷。
2) 建议提高螺栓加工过程的精度与质量，避免螺栓搓丝过程中造成的螺纹丝牙损伤。
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