近年来,轮式拖拉机转向节(以下简称转向节)断裂事故屡有发生,带来的后果往往是灾难性的,不是车毁就是人亡,给用户带来了巨大的人身伤害和财产损失。转向节断裂的原因很多,很难用一种简单的模式去进行分析,必须进行断裂分析,只有通过这种综合性的分析才能确定造成转向节断裂的原因。
本文列举了几个我们处理过的具有典型意义实例,来说明因操作不当、设计不合理、铸造缺陷以及材料强度不够等原因造成的转向节断裂事故。通过这些例子,介绍断裂分析的方法,可供实际工作时参考。
一、操作不当
我们在几例转向节断裂分析工作中发现,这些断口附近都有明显的塑性变形,断件拼合后,密合程度差。对断口进行仔细观察,通过金相、化学分析和机械性能检验,让人出乎意料的是转向节未发现任何瑕疵,这就排除了转向节本身产品质量存在问题而导致断裂的可能。通过进一步现场调查取证,我们了解到,转向节断裂时,拖拉机不是在凸凹不平的路面上快速行驶时突然断裂;就是在过横垄地、田埂时行驶速度过快产生断裂;有的是在快速行驶过程中,突然发生交通事故,把转向节当场撞断。通过我们综合分析,断定其断裂原因只有一种可能性,即:转向节所承受的冲击力超过了材料的屈服强度,使转向节产生了显著的塑性变形,瞬间冲击力的进一步增大,最终导致转向节塑性断裂。
二、设计不合理
2004年受黑龙江省消费者协会委托,我们对一例断裂的小四轮拖拉机转向节进行质量鉴定。该转向节是在前轮轴的内轴承颈过度圆角处齐根断裂。对断口处作仔细观察,其断口宏观外貌较平直,没有发生肉眼可见的塑性变形。断口处不存在气孔、疏松、夹杂等缺陷,但通过金相分析,断口周边(即过度圆角处)发现了疲劳裂纹。在排除了其它因素导致转向节断裂的可能性后,我们发现,这个部位的圆角过分尖锐,因此,我们对该转向节的其它部位的过度圆角(与断裂位置的加工方法相同)进行检测,结果发现,不仅过度圆角半径设计值要求的过小,而且实测值还远小于设计值。这就造成了转向节过度圆角处应力过于集中,在使用中难免会产生疲劳裂纹。这些不利因素都大大降低了材料的强度,而长期行驶过程中,在连续较大的交变冲击力作用下,必然会导致转向节脆性断裂。
三、材料强度不够
转向节在拖拉机工作中承载着各种动态的载荷和复合的应力,例如:拖拉机自重产生的弯曲力及剪切力、转向臂产生的扭力、转向时产生的拉力及摩擦力、行驶时产生的冲击力等。转向节特有的工作条件,就对其材料的综合力学性能有了很高的要求,行业标准JB/T5182规定,要采用高强度、高韧性和具有良好耐磨性能(高硬度)的合金结构钢或碳素结构钢制造。而在断裂实例中,我们居然发现以次充好、以铁代钢的现象。2003年受黑龙江省木兰县公安交通警察大队委托,对维峰20型轮式拖拉机右前轮转向节的断裂事故进行司法鉴定。在这起断裂案件中,转向节是在立轴根部过度圆角处发生脆性断裂的。我们通过化学分析得到,转向节材料的含碳量太高,高达3.06%。含碳量大于2.11%的铁碳合金为铸铁。所以,该转向节材料是铸铁。通过金相分析,转向节材料的金相组织形态为灰铸铁的组织形态。通过机械性能测试,转向节的抗拉强度为370MPa;硬度为HB163。而设计要求的抗拉强度在735MPa以上;硬度在HB241～331的范围内。灰铸铁的机械性能根本达不到转向节技术要求的机械性能,远远低于合金结构钢和碳素结构钢的综合性能,强度低、塑性差,脆性较大。而长期受到较大的动态冲击力时,就导致了转向节在最薄弱的部位(应力集中处)产生了脆性断裂(即疲劳断裂)。
四、铸造缺陷
1、气孔、疏松、缩孔等缺陷引起的转向节断裂在所有的断裂案例中,因这种缺陷导致转向节断裂的例子比较多。在这些断口外观,我们直接发现了气孔、疏松及缩孔等。例如:2001年受黑龙江省鸡西市人民法院委托,受理了一起因转向节断裂引起的仲裁检验。该转向节断口表面上就存在较大的气孔,气孔最大尺寸高达5mm以上。但经综合检验分析,材料的金相组织、化学成分、机械性能等各项指标却均符合技术要求。所以,该转向节的断裂原因比较简单,是由于存在铸造缺陷即气孔所造成的。
2、夹杂物引起的转向节断裂
2002年受黑龙江省黑河市人民法院委托,对一台20型轮式拖拉机转向节的断裂事故进行司法鉴定。在这起案例中,我们遇到了因硫化物的存在而导致转向节断裂的事故。在进行断口分析时,该转向节断口上清晰可见贝纹线,这是疲劳裂纹的典型特征,是引起断裂的开始点。于是我们在裂纹源附近截取了金相试样,结果发现了一条很短、较宽的非金属夹杂物。经化学分析,硫的含量严重超标,高达1.17%,而技术要求不超过0.03%。根据金相组织特征和化学成分确定了该非金属夹杂物为硫化物。硫在钢中主要以硫化铁或硫化锰的形式存在。而硫化铁本身很脆,这样就显著增加了钢的脆性,降低了塑性和耐磨性。同时硫化物的存在,还破坏了金属基体的均匀性、连续性,夹杂物越大,材料的韧性越低;夹杂物间距越小,材料的韧性和塑性越低。且在硫化物尖角处还造成了应力集中,成为了疲劳源(即疲劳裂纹的起始点)。在外力作用下,硫化物就与其周围金属基体的界面产生开裂,形成疲劳裂纹,长期受到动态冲击力时,就加快了裂纹的扩展,直至断裂。
五、热处理缺陷
为了获得良好的综合力学性能,以适应转向节所承受的高强负荷,还需对转向节进行必要的热处理。即通过淬火和调质等热处理工艺,来消除和改善组织缺陷和内应力,以获得高强度、高硬度及良好的耐磨性。在几例断裂的实例中,有的断口特征类似操作不当造成的,但又不是因操作不当引起的断裂。通过综合检验分析,转向节材料的化学成分虽符合设计要求,但其金相组织并非淬火组织,抗拉强度和硬度都偏低。从转向节外观上看好像是淬了火,但其表面局部或全部存在着软点,有的金属表面下层也没有淬火。根据检测结果分析,这种现象是由于在淬火热处理工艺过程中,局部冷却速度较慢,或淬火温度不够,而分别引起了转向节淬火软点和淬而不硬的现象,从而未能获得所期望的强度和硬度及耐磨性,最终导致类似因操作不当造成的塑性断裂。
六、综合因素导致的断裂事故
大多数转向节断裂的原因并不是单纯的一种因素,往往是因两种或两种以上的因素造成的。几种因素之间相互作用,产生的危害性更大,导致了多种多样的断裂方式。
以上几种实例只是些常见的案例,导致转向节断裂的原因很多,还需我们不断地研究,通过断裂分析,积累经验,找出造成转向节断裂的原因及影响因素,确定要改进的问题,提高产品质量,以防重大事故的重复发生,减少经济损失。同时,断裂分析在我国质量仲裁、索赔活动中也起了很大的作用。通过断裂分析,分清了责任,为用户与经销者及生产者挽回巨大的经济损失。断裂分析不仅具有显著的经济效益,而且断裂分析积累的经验和知识又能促进科学技术的发展。因此,断裂分析工作显得尤为重要,日益受到国内机械行业的重视,从而也使重大事故在逐年减少,产生了相当可观的经济效益和社会效益。