Rezumat

Un arbore cotit a fisurat într-un mod ciudat in timpul un test fara sarcina, dupa numai 20 min. Patru fisuri au fost gasite la marginea gaurii de ungere. Folosind analiza mecanică, microstructurală şi metalurgică, cauza acestei avarii a fost identificata ca fiind forţa de frecare excesiva cauzată de repararea şi asamblarea necorespunzătoare arborelui cotit.

1.Introducere

Arborele cotit avariat era nou (model RD8T), fiind montat pe motorul unui buldozer TCM-175B. După o reparaţie la carter, arborele cotit a fost montat pe motor si apoi s-au facut teste, fără nici o sarcină. 20de minunte mai târziu a apărut un zgomot neobişnuit, iar testul a fost oprit în mod automat. A fost efectuată o dezansamblare pentru verificări si s-au descoperit patru fisuri, toate situându-se la marginea orificului de ungere de pe fusul palier IV (Figura 1). Lungimea fisurilor a fost de 6-9 mm. S-a observat ca si cuzinetul IV a fost serios avariat (Figura 2). Materialul antifrictiune de la interiorul cuzinetului a fost aproape în totalitate indepartat. Numai mici portiune din acest material au ramas aleator pe suprafaţa arborelui si a cuzinetului. Culoarea suprafaţei fusului palier IV a fost modificata şi s-au observant zone circulare albastre şi negre, traversate de fisuri. Nici o altă pagubă nu a mai putut fi observata cu ochiul liber.

Fig. 1. Ilustrare schematică a arborelui cotit şi fisurilor din fusul palier numarul patru

Fig. 2. Cuzinetul deteriorat

2. Analiză chimică

A fost analizat un eşantion prelevat din arborele cotit, confectionat din otel 40CrMnMo (Tabelul 1). In urma analizelor s-a constatat un conţinut de Mn şi Mo cu putin mai mic decat cel nominal, insa acest lucru nu putea induce nici un efect grav asupra proprietatilor materialului.

3. Analiza metalurgica si teste de duritate

Două esantioane au fost prelevate din arbore: unul a fost tăiat vertical prin fisura, pentru a vedea traseul acesteia, iar celalalt a fost obtinut prin aplicarea unei sarcini progresive pe arbore, pana la ruperea acestuia si una dintre bucatile rezultate a fost folosita pentru analize metalografice.

Testele pentru microduritate au aratat că duritatea stratului superficial călit a fost redusă datorită incălzirii excesive (Figura 3).

Tab. 1. Compoziţia chimică a materialuilui arborelui cotit

C Si Mn S P Cr Ni Mo0,39 0,27 0,83 0,01 0,02 1,17 0,08 0,19

Cu ajutorul unui microscop electronic S-570 au fost investigate microstructura materialului de baza si a celui de la suprafata fisurii. Microstructura arborelui în centrul secţiunii a fost sorbitica (Fig. 4). In stratul superficial dur, de aproximativ 3,2 mm grosime, structura a fost de martensită (Fig. 5). Unele sorbite calite pot fi văzute si în apropierea suprafaţei arborelui (Fig. 6). Dimensiunea grauntilor de martensita variaza de la mare la fină cu creşterea distanţei de la suprafaţa arborelui.

Fig. 3. Distribuţia duritatii in stratul superficial al arborelui, pe directie radiala

Fig. 4. Microstructura parţiicentrale a arborelui

Fig. 5. Microstructura zoneide tranzitie

Fig. 6. Microstructura stratuluide la suprafaţa arborelui

4. Analiza fractografica Se observa fisurile s-au format in trei zone (Fig. 7). Fiecare fisură a fost iniţiată de la muchia orificiului de ungere şi orientarea lor a fost in lungul arborelui. Ele exista intr-o zonă îngustă de-a lungul suprafaţei arborelui. Zona a doua prezinta o mica înclinaţie si o culoare estompata. Zona a treia este una larga, cu aceeaşi orientare ca si prima. Microscopia arată că fiecare zonă are propria caracteristică: în prima zona conturul format din planul multi-alunecare (Fig. 8), zona a doua este una adâncită (Fig. 9) şi zona a treia este una de rupere (Fig. 10).

Fig. 7. Vederea de ansamblu a suprafetei de rupere

Fig. 8. Fisuri de alunecare

Granulaţia aproape de suprafaţă este mai mare decât cea din interiorul arborelui (Fig. 11). Pe secţiunea transversală pe traseul fisurii se observa trei stadii (Fig. 12). Prima etapă, corespunzatoare primei zone, este o fisură dreapta, perpendiculara la suprafaţa arborelui. Avea numai 0,05 mm lungime. A doua etapă a fisurarii, de 0,6 mm lungime,este înclinată faţă de prima etapă cu aproximativ 40°. Aceasta a fost dreaptă de asemenea (fig. 13). A treia etapă, cu o fisura de aproximativ 3,2 mm lungime, şi-a întors orientarea sa la aceeaşi direcţie ca in prima etapă. În acest stadiu fisura are un curs in zig-zag şi prezinta unele ramificaţii (Fig. 14).

Fig. 9. Suprafata de rupere cu adancituri Fig. 10. Grăunţi la limita fisurilor

5. Analiza procesului de avarieFrecarea excesiva s-a produs între suprafaţa arborelui şi cea a cuzinetului. În conformitate cu acest lucru şi combinat cu starea suprafetei arborelui şi respectiv a cuzinetului, analiza s-a axat pe frecare.Este clar că gaura de ungere a arborelui a fost executata pe o maşina de găurit. Prima şi a cincea gaura au fost alese ca gauri de ghidare iar celelate trei au fost apoi pozitionate fata de ele. După găurire alinierea a fost perturbată, astfel incat asamblarea arborelui nu s-a facut in conditii bune Este un defect ascuns frecarea solidă.

Un alt posibil motiv pentru frecarea neobişnuit de mare ar putea fi proasta lubrifiere. Insa datorită faptului că toate fusurile paliere, cu exceptia celui distrus, sunt într-o situaţie bună, nu se poate vorbi in acest caz de o lubrifiere deficitară.

Fig. 11 Variaţii ale dimensiunii grăunţilor Fig. 12. Traiectoria fisurii

Asta înseamnă că sistemul de ungere al motorului a functionat bine. In consecinta, fisurarea nu poate fi asociată cu lubrifierea deficitară.

Pentru a rezuma, se poate deduce că principalul factor al fisurarii fusului palier a fost reparatia si montajul necorespunzător al motorului. Din cauza ajustajelor necorespunzătoare dintre fusul palier IV si cuzinetul sau, a aparut o frecare excesiva. Din acest motiv, temperaturile fusului palier si ale cuzinetului au crescut rapid în timpul desfăşurării testului. Topirea aliajului antifrictiune arată că temperatura a depasit de 600°C. Sub actiunea frecarii, materialul de sub suprafaţă trebuie să curga paralel cu forta de frecare (Fig. 15).

Fig. 13. Vedere a primei şi celei de-a doua etape a fisurii

Fig. 14. Microstructura martensitica şi a treia etapă a fisurii

6. Concluzii1. Arborele cotit s-a fisurat sub actiunea tensiunilor tangentiale produse de frecarea

excesiva dintre suprafaţa fusului palier si cea a cuzinetului, cauzata de reparatia si montajul necorespunzator.

2. Frecarea poate provoca alunecari pe suprafeţe, mai ales atunci când temperatura merge până la niveluri critice.

3. Expunerea la o temperatură de 300°C -500°C poate conduce la o fragilizare a otelului 40CrMnMo.

4. E posibil ca aliajul antifrictiune topit din cuzinet sa fi produs fragilizarea fusului palier al arborelui cotit.

Fig. 15. Ilustrare schematică a fortei de frecare între arbore şi cuzinet şi distribuţia tensiunilor tangentiale în arbore