К. т. н. Горбачев Л. А., к. т. н. Недобитков А. И.

Восточно-Казахстанский государственный университет

им ени Д. Серикбаева , г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИНЫ АВАРИЙНОГО РАЗРУШЕНИЯ

ПОЛУОСИ АВТОМОБИЛЯ ВАЗ - 2106

 

При анализе причин различных аварийных ситуаций, как правило, возникает много вопросов, ответ на которые можно дать только при условии комплексного анализа с учетом всех факторов, даже тех, которые могут показаться несущественными.

При достаточно благоприятных погодных условиях, хорошей видимости и при сравнительно невысокой скорости движения произошло опрокидывание автомобиля ВАЗ-2006, гос . номер F 576 HNM . В результате опрокидывания были повреждены различные элементы автомобиля, в том числе обломана правая полуось по сечению посадки во внутреннем кольце подшипника (рис. 1) .

 

Рис. 1. Вид излома полуоси:

а – вид со стороны фланца; б – вид со стороны со стороны подшипника

 

Комиссия в составе дорожной полиции и дилеров АвтоВАЗ на основании изучения схемы происшествия, анализа характера повреждений частей автомобиля пришла к заключению, что полуось разрушилась в результате удара при опрокидывании. Причина аварии – вина водителя ( сейчас это называют «человеческий фактор»). В компенсации ущерба водителю было отказано. Водитель с таким заключением не согласился и обратился в независимую экспертизу.

При исследовании в первую очередь было учтено пояснение водителя: внезапно появился резкий нарастающий звук в правом заднем колесе, автомобиль стал терять управляемость, поэтому водитель повернул влево, после чего автомобиль опрокинулся. Дальнейший анализ показал, что если бы водитель повернул вправо, то последствия аварии были бы гораздо серьезнее.

На основании этой информации, а также с учетом анализа характера излома в месте разрушения полуоси, были сделаны предварительные выводы:

1.   Полуось имела производственные дефекты (или дефект). Качественно изготовленная полуось имеет большой запас прочности и при таком достаточно «мягком» опрокидывании разрушиться не могла.

2.   Усталостный излом (рис. 1) имеет строение и структуру, характерную для интенсивного усталостного разрушения. Резкий звук, появившийся в правом заднем колесе перед опрокидыванием – однозначный признак усталостного долома .

3.   Пробег автомобиля до аварии – менее 10000 км . Это должно означать, что вследствие наличия дефекта (или дефектов) в материале полуоси усталостная трещина (или трещины) возникла в ранней стадии, интенсивно развивалась и привела к преждевременному разрушению.

Для выяснения причин разрушения был выполнен комплекс исследований.

Полуоси для этого класса автомобилей изготавливаются из среднеуглеродистых сталей 35; 40; 40Х ; 45Х и др. Заготовки полуосей получают обработкой давлением с последующей механической и термической обработкой токами высокой частоты (т. в. ч.).

Задачей комплекса исследований было установить, насколько физико-механические характеристики материала исследуемой полуоси соответствовали техническим требованиям.

Химический состав. Проверка химического состава материала полуоси.

Данные химического анализа приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Химический состав материала полуоси

Химический элемент	Процентное содержание
Углерод	0,39%
Марганец	0,66%
Кремний	0,23%
Хром	0,1%

 

На основании результатов проведенного химического анализа следует вывод, что материал исследуемой полуоси соответствует сталям 35, 40 (ГОСТ 1050-74).

Твердость.   Схема измерения твердости.

 

Рис. 2. Схема измерения твердости

(цифры у отпечатков – значение твердости)

 

Твердость по сечению диаметра стержня полуоси (без упрочненного слоя) составила НВ 179-187. Результаты измерения твердости, включая упрочненный слой, HRC (две серии замеров) приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Значения твердости по сечению полуоси

Номер точки	Серия
	1	2
1	52	48
2	50	49
3	34	48
4	14	25
5	6	8

 

Участок измерений показан на рис . 2. Верхняя линия отпечатков индентера – первая серия (отпечаток слева соответствующий твердости закаленного слоя HRC 52 сошлифован при изготовлении микрошлифа), нижняя линия – вторая серия (отпечатки слева соответствующие твердости HRC 48, 49 сошлифованы ).

Вывод: Твердость по сечению излома техническим требованиям соответствует.

Оценка глубины упрочненного слоя. На макрошлифе по сечению излома выявлены три зоны:

-        первая (светлая) – закаленный слой (твердость HRC 52 – 53);

-        вторая (темная) – переходный слой ( твердость HRC 48 – 50);

-        третья (светлая) – сердцевина (твердость HB 179 – 187).

Глубина упрочненного слоя (включая переходной слой) составила 5 мм .

Вывод: Характер расположения зон по сечению излома и их твердость техническим требованиям соответствуют.

Микроструктурный анализ. Для оценки микроструктуры материала сердцевины ( неупрочненного при термической обработке) был приготовлен микрошлиф образца по сечению диаметра вала полуоси в плоскости, перпендикулярной оси вала. Микроструктура шлифа приведена на рис . 3.

Из анализа микроструктуры следует, что она представляет собой перлит пластинчатый и феррит с участками виндманштеттовой структуры. Балл зерна – 3 – 2 (рис . 4). Это означает, что перед поверхностной закалкой полуось не нормализована.

Специалистам хорошо известно, что установка детали с такой структурой в узлы, работающие в условиях сложного циклического нагружения , недопустима. Если бы операция нормализации была выполнена, то перед закалкой поверхностного слоя полуоси материал имел бы требуемую структуру и свойства, поэтому аварийное разрушение этой полуоси было бы исключено.

Для доказательства этот образец был нормализован по режиму: температура нагрева 870 градусов, время выдержки 25 минут, охлаждение – на спокойном воздухе.

 

Рис. 3. Микроструктура материала полуоси под упрочненной зоной. х115

 

Рис. 4. Определение балла зерна по шкале размеров зерна:

а – второй балл; б- третий. х100

 

На рис. 5 . показана микроструктура образца после нормализации, а на рис. 6 – шкала баллов.

 

Рис. 5. Микроструктура образца после нормализации. х115

 

Рис. 6. К определению балла зерна нормализованного образца:

а – десятый балл; б – девятый. х100

 

Из анализа рис. 5 и 6 следует, что после нормализации микроструктура представляет собой мелкозернистую смесь сорбитообразного перлита и феррита, а балл зерна после нормализации снизился с номера 3 – 2 до номера 10 – 9. Дефектность структуры анализируемой полуоси, показанной на рис. 3, устранена полностью.

Именно такая структура обуславливает высокие физико-механические характеристики деталей, воспринимающих сложное циклическое нагружение , характерное для условий работы полуоси автомобиля.

Известно [1], что при наличии поверхностного упрочненного слоя начало разрушения под действием циклических нагрузок происходит не на поверхности, а под упрочненным слоем.

При усталостном разрушении изделий (или образцов) с такой дефектной структурой материала нельзя ожидать классического вида поверхности излома- наличия фокуса излома, очага разрушения и участка избирательного развития трещины [2]. В данном случае разрушение имело многоочаговый характер с учетом сложности нагружения (кручение и различные виды циклического изгиба).

На рис. 7 показан вид излома со стороны подшипника.

 

Рис. 7. Вид излома со стороны подшипника

 

Данные рис. 7 показывают, что веерообразные линии на поверхности разрушения, ориентированные в сторону участка долома , свидетельствуют о многоочаговости усталостного разрушения. Светлые пятна на рисунке – результаты циклического контактирования поверхностей разрушения

Разрушение происходило по схеме циклического нагружения с концентратором напряжения. Концентратором (или концентраторами) при разрушении полуоси послужил слой дефектной структуры под упрочненным (закаленным) поверхностным слоем. Усталостная трещина по сечению дефектной сердцевины развивалась интенсивно и по исчерпанию прочностных связей произошло разрушение по всему сечению.

Однозначный вывод по результатам данного исследования – аварийное разрушение полуоси обусловлено дефектной структурой её материала. Она разрушилась не от удара при опрокидывании автомобиля – это автомобиль опрокинулся из-за разрушающейся на ходу полуоси (стадия усталостного разрушения – долом).

По результатам исследования была оформлена экспертиза, на которую соответствующие службы «АвтоВАЗ» отреагировали оперативно и объективно – потерпевшему водителю был выделен новый автомобиль и был выполнен комплекс мероприятий, исключающий подобные нарушения технологии.

 

Список использованных источников:

1.             Лахтин Ю. М . Материаловедение / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева . – М.: Машиностроение, 1980. – 318 с.

2.             Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний : с правочник / Л. М. Школьник. – М.: Металлургия, 1978. – 482 с.