拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因分析

宮偉建

近年來，輪式拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)(以下簡稱轉(zhuǎn)向節(jié))斷裂事故屢有發(fā)生，帶來的后果往往是災(zāi)難性的．不是車毀就是人亡，給用戶帶來了巨大的人身傷害和財產(chǎn)損失。轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因很多，很難用一種簡單的模式去進(jìn)行分析，必須進(jìn)行斷裂分析，只有通過這種綜合性的分析才能確定造成轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因。

本文列舉了幾個我們處理過的具有典型意義實(shí)例，來說明因操作不當(dāng)、設(shè)計不合理、鑄造缺陷以及材料強(qiáng)度不夠等原因造成的轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂事故。通過這些例子，介紹斷裂分析的方法，可供實(shí)際工作時參考。

一、操作不當(dāng)

我們在幾例轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂分析工作中發(fā)現(xiàn)，這些斷口附近都有明顯的塑性變形，斷件拼合后，密合程度差。對斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察，通過金相、化學(xué)分析和機(jī)械性能檢驗(yàn)，讓人出乎意料的是轉(zhuǎn)向節(jié)未發(fā)現(xiàn)任何瑕疵，這就排除了轉(zhuǎn)向節(jié)本身產(chǎn)品質(zhì)量存在問題而導(dǎo)致斷裂的可能。通過進(jìn)一步現(xiàn)場調(diào)查取證，我們了解到，轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂時，拖拉機(jī)不是在凸凹不平的路面上快速行駛時突然斷裂；就是在過橫壟地、田埂時行駛速度過快產(chǎn)生斷裂；有的是在快速行駛過程中，突然發(fā)生交通事故，把轉(zhuǎn)向節(jié)當(dāng)場撞斷。通過我們綜合分析，斷定其斷裂原因只有一種可能性，即：轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的沖擊力超過了材料的屈服強(qiáng)度，使轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)生了顯著的塑性變形，瞬間沖擊力的進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)塑性斷裂。

二、設(shè)計不合理

2004年受黑龍江省消費(fèi)者協(xié)會委托，我們對一例斷裂的小四輪拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行質(zhì)量鑒定。該轉(zhuǎn)向節(jié)是在前輪軸的內(nèi)軸承頸過度圓角處齊根斷裂。對斷口處作仔細(xì)觀察，其斷口宏觀外貌較平直，沒有發(fā)生肉眼可見的塑性變形。斷口處不存在氣孔、疏松、夾雜等缺陷，但通過金相分析，斷口周邊(即過度圓角處)發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。在排除了其它因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的可能性后，我們發(fā)現(xiàn)，這個部位的圓角過分尖銳，因此，我們對該轉(zhuǎn)向節(jié)的其它部位的過度圓角(與斷裂位置的加工方法相同)進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不僅過度圓角半徑設(shè)計值要求的過小，而且實(shí)測值還遠(yuǎn)小于設(shè)計值。這就造成了轉(zhuǎn)向節(jié)過度圓角處應(yīng)力過于集中，在使用中難免會產(chǎn)生疲勞裂紋。這些不利因素都大大降低了材料的強(qiáng)度，而長期行駛過程中，在連續(xù)較大的交變沖擊力作用下，必然會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)脆性斷裂。

三、材料強(qiáng)度不夠

轉(zhuǎn)向節(jié)在拖拉機(jī)工作中承載著各種動態(tài)的載荷和復(fù)合的應(yīng)力，例如：拖拉機(jī)自重產(chǎn)生的彎曲力及剪切力、轉(zhuǎn)向臂產(chǎn)生的扭力、轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的拉力及摩擦力、行駛時產(chǎn)生的沖擊力等。轉(zhuǎn)向節(jié)特有的工作條件，就對其材料的綜合力學(xué)性能有了很高的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／TSl82規(guī)定，要采用高強(qiáng)度、高韌性和具有良好耐磨性能(高硬度)的合金結(jié)構(gòu)鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼制造。而在斷裂實(shí)例中，我們居然發(fā)現(xiàn)以次充好、以鐵代鋼的現(xiàn)象。2003年受黑龍江省木蘭縣公安交通警察大隊委托，對維峰20型輪式拖拉機(jī)右前輪轉(zhuǎn)向節(jié)的斷裂事故進(jìn)行>>>司法鑒定。在這起斷裂案件中，轉(zhuǎn)向節(jié)是在立軸根部過度圓角處發(fā)生脆性斷裂的。我們通過化學(xué)分析得到，轉(zhuǎn)向節(jié)材料的含碳量太高，高達(dá)3．06％。含碳量大于2．11％的鐵碳合金為鑄鐵。所以，該轉(zhuǎn)向節(jié)材料是鑄鐵。通過金相分析，轉(zhuǎn)向節(jié)材料的金相組織形態(tài)為灰鑄鐵的組織形態(tài)。通過機(jī)械性能測試，轉(zhuǎn)向節(jié)的抗拉強(qiáng)度為370MPa；硬度為HBl63。而設(shè)計要求的抗拉強(qiáng)度在735MPa以上；硬度在HB241-331的范圍內(nèi)。灰鑄鐵的機(jī)械性能根本達(dá)不到轉(zhuǎn)向節(jié)技術(shù)要求的機(jī)械性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金結(jié)構(gòu)鋼和碳素結(jié)構(gòu)鋼的綜合性能，強(qiáng)度低、塑性差，脆性較大。而長期受到較大的動態(tài)沖擊力時，就導(dǎo)致了轉(zhuǎn)向節(jié)在最薄弱的部位(應(yīng)力集中處)產(chǎn)生了脆性斷裂(即疲勞斷裂)。

四、鑄造缺陷

1氣孔、疏松、縮孔等缺陷引起的轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂

在所有的斷裂案例中，因這種缺陷導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的例子比較多。在這些斷口外觀，我們直接發(fā)現(xiàn)了氣孔、疏松及縮孔等。例如：2001年受黑龍江省雞西市人民法院委托，受理了一起因轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂引起的仲裁檢驗(yàn)。該轉(zhuǎn)向節(jié)斷口表面上就存在較大的氣孔，氣孔最大尺寸高達(dá)5mm以上。但經(jīng)綜合檢驗(yàn)分析，材料的金相組織、化學(xué)成分、機(jī)械性能等各項指標(biāo)卻均符合技術(shù)要求。所以，該轉(zhuǎn)向節(jié)的斷裂原因比較簡單，是由于存在鑄造缺陷即氣孔所造成的。

2、夾雜物引起的轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂2002年受黑龍江省黑河市人民法院委托，對一臺20型輪式拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)的斷裂事故進(jìn)行司法鑒定。在這起案例中，我們遇到了因硫化物的存在而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的事故。在進(jìn)行斷口分析時。該轉(zhuǎn)向節(jié)斷口上清晰可見貝紋線，這是疲勞裂紋的典型特征，是引起斷裂的開始點(diǎn)。于是我們在裂紋源附近截取了金相試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一條很短、較寬的非金屬夾雜物。經(jīng)化學(xué)分析，硫的含量嚴(yán)重超標(biāo)，高達(dá)1．17％，而技術(shù)要求不超過0．03％。根據(jù)金相組織特征和化學(xué)成分確定了該非金屬夾雜物為硫化物。硫在鋼中主要以硫化鐵或硫化錳的形式存在。而硫化鐵本身很脆，這樣就顯著增加了鋼的脆性，降低了塑性和耐磨性。同時硫化物的存在，還破壞了金屬基體的均勻性、連續(xù)性。夾雜物越大，材料的韌性越低；夾雜物間距越小，材料的韌性和塑性越低。且在硫化物尖角處還造成了應(yīng)力集中，成為了疲勞源(即疲勞裂紋的起始點(diǎn))。在外力作用下，硫化物就與其周圍金屬基體的界面產(chǎn)生開裂，形成疲勞裂紋，長期受到動態(tài)沖擊力時，就加快了裂紋的擴(kuò)展，直至斷裂。

五、熱處理缺陷

為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，以適應(yīng)轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的高強(qiáng)負(fù)荷，還需對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行必要的熱處理。即通過淬火和調(diào)質(zhì)等熱處理工藝，來消除和改善組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，以獲得高強(qiáng)度、高硬度及良好的耐磨性。在幾例斷裂的實(shí)例中，有的斷口特征類似操作不當(dāng)造成的，但又不是因操作不當(dāng)引起的斷裂。通過綜合檢驗(yàn)分析，轉(zhuǎn)向節(jié)材料的化學(xué)成分雖符合設(shè)計要求，但其金相組織并非淬火組織，抗拉強(qiáng)度和硬度都偏低。從轉(zhuǎn)向節(jié)外觀上看好像是淬了火，但其表面局部或全部存在著軟點(diǎn)，有的金屬表面下層也沒有淬火。根據(jù)檢測結(jié)果分析，這種現(xiàn)象是由于在淬火熱處理工藝過程中，局部冷卻速度較慢，或淬火溫度不夠，而分別引起了轉(zhuǎn)向節(jié)淬火軟點(diǎn)和淬而不硬的現(xiàn)象，從而未能獲得所期望的強(qiáng)度和硬度及耐磨性，最終導(dǎo)致類似因操作不當(dāng)造成的塑性斷裂。

六、綜合因素導(dǎo)致的斷裂事故

大多數(shù)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因并不是單純的一種因素，往往是因兩種或兩種以上的因素造成的。幾種因素之間相互作用，產(chǎn)生的危害性更大，導(dǎo)致了多種多樣的斷裂方式。

以上幾種實(shí)例只是些常見的案例，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因很多，還需我們不斷地研究，通過斷裂分析，積累經(jīng)驗(yàn)，找出造成轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因及影響因素，確定要改進(jìn)的問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以防重大事故的重復(fù)發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。同時，斷裂分析在我國質(zhì)量仲裁、索賠活動中也起了很大的作用。通過斷裂分析，分清了責(zé)任，為用戶與經(jīng)銷者及生產(chǎn)者挽回巨大的經(jīng)濟(jì)損失。斷裂分析不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且斷裂分析積累的經(jīng)驗(yàn)和知識又能促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。因此，斷裂分析工作顯得尤為重要，日益受到國內(nèi)機(jī)械行業(yè)的重視，從而也使重大事故在逐年減少，產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。