Do obserwacji pęknięcia zmęczeniowego i analizy mechanizmu pękania wykorzystano skaningowy mikroskop elektronowy; jednocześnie przeprowadzono próbę zmęczeniową przy zginaniu wirowym na odwęglonych próbkach w różnych temperaturach, aby porównać trwałość zmęczeniową badanej stali z odwęgleniem i bez odwęglenia oraz przeanalizować wpływ odwęglenia na właściwości zmęczeniowe badanej stali. Wyniki pokazują, że ze względu na jednoczesne występowanie w procesie nagrzewania utleniania i odwęglenia, wzajemne oddziaływanie między nimi skutkujące grubością warstwy całkowicie odwęglonej wraz ze wzrostem temperatury wykazuje tendencję rosnącą, a następnie malejącą, grubość warstwy całkowicie odwęglonej osiąga maksymalną wartość 120 µm przy 750℃, a grubość warstwy całkowicie odwęglonej osiąga minimalną wartość 20 µm przy 850℃, a granica zmęczenia badanej stali wynosi około 760 MPa, oraz źródłem pęknięć zmęczeniowych badanej stali są głównie wtrącenia niemetaliczne Al2O3; zachowanie podczas odwęglania znacznie zmniejsza trwałość zmęczeniową stali testowej, wpływając na właściwości zmęczeniowe stali testowej, im grubsza warstwa odwęglenia, tym niższa trwałość zmęczeniowa. W celu ograniczenia wpływu warstwy odwęglania na właściwości zmęczeniowe badanej stali optymalną temperaturę obróbki cieplnej badanej stali należy przyjąć na poziomie 850℃.
Sprzęt jest ważnym elementem samochoduze względu na pracę przy dużych prędkościach zazębiona część powierzchni przekładni musi mieć wysoką wytrzymałość i odporność na ścieranie, a stopa zęba musi wykazywać dobrą odporność na zmęczenie zginające ze względu na stałe powtarzające się obciążenie, aby uniknąć pęknięć prowadzących do materiału złamanie. Badania pokazują, że odwęglenie jest ważnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość zmęczeniową materiałów metalowych przy zginaniu wirowym, a wydajność zmęczeniowa przy zginaniu wirowym jest ważnym wskaźnikiem jakości produktu, dlatego konieczne jest zbadanie zachowania się materiału testowego podczas odwęglania i zmęczenia przy zginaniu wirowym.
W tym artykule, piec do obróbki cieplnej w teście odwęglania powierzchni stali przekładniowej 20CrMnTi, analizuje różne temperatury ogrzewania na głębokości warstwy odwęglenia stali testowej zmieniającego się prawa; przy użyciu prostej maszyny do badania zmęczenia belki QBWP-6000J w teście zmęczeniowym stali testowej przy zginaniu obrotowym, określenie wytrzymałości zmęczeniowej stali testowej, a jednocześnie analiza wpływu odwęglania na właściwości zmęczeniowe testowanej stali w celu poprawy rzeczywistej produkcji procesu produkcyjnego, poprawiają jakość produktów i zapewniają rozsądne referencje. Wydajność zmęczeniową stali testowej określa się za pomocą maszyny do badania zmęczenia przy zginaniu wirowym.
1. Materiały i metody badawcze
Materiał do badań na jednostkę wytwarzającą stal przekładniową 20CrMnTi, główny skład chemiczny jak pokazano w tabeli 1. Test odwęglenia: materiał do badań jest przetwarzany na cylindryczną próbkę o wymiarach Ф8 mm × 12 mm, powierzchnia powinna być jasna, bez plam. Piec do obróbki cieplnej nagrzano do 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, wprowadzono do próbki i trzymano przez 1 godzinę, a następnie ochłodzono powietrzem do temperatury pokojowej. Po obróbce cieplnej próbki poprzez wiązanie, szlifowanie i polerowanie, przy erozji 4% roztworu alkoholu azotowego, za pomocą mikroskopii metalurgicznej obserwuje się badaną warstwę odwęglenia stali, mierząc głębokość warstwy odwęglenia w różnych temperaturach. Próba zmęczenia przy zginaniu wirowym: materiał testowy zgodnie z wymaganiami przetwarzania dwóch grup próbek zmęczeniowych przy zginaniu wirowym, pierwsza grupa nie przeprowadza próby odwęglenia, druga grupa próby odwęglenia w różnych temperaturach. Korzystanie z maszyny do badania zmęczenia przy zginaniu wirowym, dwie grupy stali testowej do badania zmęczenia przy zginaniu wirowym, określenie granicy zmęczenia dwóch grup stali testowej, porównanie trwałości zmęczeniowej dwóch grup stali testowej, zastosowanie skanowania obserwacja pęknięć zmęczeniowych pod mikroskopem elektronowym, analiza przyczyn pęknięcia próbki, zbadanie wpływu odwęglania na właściwości zmęczeniowe badanej stali.
Tabela 1 Skład chemiczny (ułamek masowy) badanej stali% wag.
Wpływ temperatury ogrzewania na odwęglanie
Morfologię organizacji odwęglenia w różnych temperaturach ogrzewania przedstawiono na rys. 1. Jak widać z rysunku, gdy temperatura wynosi 675℃, na powierzchni próbki nie pojawia się warstwa odwęglenia; gdy temperatura wzrośnie do 700 ℃, na powierzchni próbki zacznie pojawiać się warstwa odwęglenia, w przypadku cienkiej warstwy odwęglenia ferrytu; wraz ze wzrostem temperatury do 725℃ grubość warstwy odwęglenia powierzchni próbki znacznie wzrasta; Grubość warstwy odwęglania 750 ℃ osiąga maksymalną wartość, w tym czasie ziarno ferrytu jest bardziej przejrzyste, grube; gdy temperatura wzrośnie do 800 ℃, grubość warstwy odwęglenia zaczęła znacznie spadać, jej grubość spadła do połowy z 750 ℃; gdy temperatura w dalszym ciągu wzrasta do 850 ℃, a grubość odwęglenia jest pokazana na rys. 1. 800 ℃, grubość pełnej warstwy odwęglenia zaczęła znacznie spadać, jej grubość spadła do 750 ℃ przy połowie; gdy temperatura w dalszym ciągu wzrasta do 850 ℃ i więcej, grubość pełnej warstwy odwęglenia stali testowej w dalszym ciągu maleje, grubość połowy warstwy odwęglenia zaczęła stopniowo zwiększać się, aż do zniknięcia całkowitej morfologii warstwy odwęglenia, morfologia połowy warstwy odwęglenia stopniowo się rozjaśnia. Można zauważyć, że grubość warstwy całkowicie odwęglonej wraz ze wzrostem temperatury najpierw zwiększała się, a następnie zmniejszała, przyczyną tego zjawiska jest jednoczesne zachowanie się próbki w procesie nagrzewania w procesie utleniania i odwęglenia, tylko gdy szybkość odwęglania jest większa niż prędkość utleniania, pojawi się zjawisko odwęglenia. Na początku nagrzewania grubość całkowicie odwęglonej warstwy zwiększa się stopniowo wraz ze wzrostem temperatury, aż grubość całkowicie odwęglonej warstwy osiągnie wartość maksymalną. W tym czasie, aby kontynuować podnoszenie temperatury, szybkość utleniania próbki jest większa niż szybkość odwęglenia, która hamuje wzrost warstwy całkowicie odwęglonej, co skutkuje tendencją spadkową. Można zauważyć, że w zakresie 675 ～950 ℃ wartość grubości warstwy całkowicie odwęglonej w temperaturze 750 ℃ jest największa, a wartość grubości warstwy całkowicie odwęglonej w temperaturze 850 ℃ jest najmniejsza, dlatego zaleca się, aby temperatura ogrzewania stali testowej wynosiła 850 ℃.
Rys.1 Histomorfologia odwęglonej warstwy stali testowej utrzymywanej w różnych temperaturach ogrzewania przez 1 godzinę
W porównaniu z warstwą częściowo odwęgloną, grubość warstwy całkowicie odwęglonej ma poważniejszy negatywny wpływ na właściwości materiału, znacznie zmniejszy właściwości mechaniczne materiału, takie jak zmniejszenie wytrzymałości, twardości, odporności na zużycie i granicy zmęczenia itp., a także zwiększają wrażliwość na pęknięcia, wpływając na jakość spawania i tak dalej. Dlatego kontrolowanie grubości całkowicie odwęglonej warstwy ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności produktu. Figura 2 przedstawia krzywą zmian grubości całkowicie odwęglonej warstwy w zależności od temperatury, co wyraźniej pokazuje zmianę grubości całkowicie odwęglonej warstwy. Z rysunku widać, że grubość całkowicie odwęglonej warstwy wynosi tylko około 34 µm przy 700℃; przy wzroście temperatury do 725℃ grubość całkowicie odwęglonej warstwy znacznie wzrasta do 86 µm, co stanowi ponad dwukrotność grubości całkowicie odwęglonej warstwy przy 700℃; po podniesieniu temperatury do 750℃ grubość warstwy całkowicie odwęglonej. Gdy temperatura wzrośnie do 750℃ grubość warstwy całkowicie odwęglonej osiąga maksymalną wartość 120 µm; w miarę dalszego wzrostu temperatury grubość całkowicie odwęglonej warstwy zaczyna gwałtownie spadać, do 70 μm przy 800℃, a następnie do minimalnej wartości około 20μm przy 850℃.
Rys.2 Grubość warstwy całkowicie odwęglonej w różnych temperaturach
Wpływ odwęglenia na właściwości zmęczeniowe podczas zginania obrotowego
W celu zbadania wpływu odwęglania na właściwości zmęczeniowe stali sprężynowej przeprowadzono dwie grupy badań zmęczeniowych przy zginaniu spinowym, pierwszą grupę stanowiły badania zmęczeniowe bezpośrednio bez odwęglenia, a druga grupa badania zmęczeniowe po odwęgleniu przy tym samym naprężeniu poziomie (810 MPa), a proces odwęglenia prowadzono w temperaturze 700-850℃ przez 1 godzinę. Pierwszą grupę próbek przedstawiono w tabeli 2, czyli trwałość zmęczeniową stali sprężynowej.
Trwałość zmęczeniową pierwszej grupy próbek przedstawiono w tabeli 2. Jak wynika z tabeli 2, bez odwęglenia, badana stal została poddana jedynie 107 cyklom przy ciśnieniu 810 MPa i nie doszło do pęknięcia; gdy poziom naprężenia przekroczył 830 MPa, część próbek zaczęła pękać; gdy poziom naprężenia przekroczył 850 MPa, wszystkie próbki zmęczeniowe uległy pęknięciu.
Tabela 2 Trwałość zmęczeniowa przy różnych poziomach naprężeń (bez odwęglenia)
W celu wyznaczenia granicy zmęczenia stosuje się metodę grupową wyznaczającą granicę zmęczenia badanej stali i po analizie statystycznej danych granica zmęczenia badanej stali wynosi około 760 MPa; w celu scharakteryzowania trwałości zmęczeniowej badanej stali pod różnymi naprężeniami wykreśla się krzywą SN, jak pokazano na rysunku 3. Jak widać na rysunku 3, różne poziomy naprężeń odpowiadają różnej trwałości zmęczeniowej, gdy trwałość zmęczeniowa wynosi 7 , odpowiadającej liczbie cykli dla 107, co oznacza, że próbka w tych warunkach przechodzi przez stan, odpowiednią wartość naprężenia można w przybliżeniu przyjąć jako wartość wytrzymałości zmęczeniowej, czyli 760 MPa. Można zauważyć, że krzywa S - N jest ważna dla określenia trwałości zmęczeniowej materiału i ma ważną wartość odniesienia.
Rysunek 3. Krzywa SN eksperymentalnej próby zmęczenia stali przy zginaniu obrotowym
Trwałość zmęczeniową drugiej grupy próbek przedstawiono w tabeli 3. Jak widać z tabeli 3, po odwęgleniu badanej stali w różnych temperaturach, liczba cykli wyraźnie się zmniejsza i wynosi ponad 107, a wszystkie próbki zmęczeniowe są pękane, a trwałość zmęczeniowa jest znacznie zmniejszona. W połączeniu z powyższą grubością warstwy odwęglonej i krzywą zmiany temperatury można zauważyć, że grubość warstwy odwęglonej wynosząca 750 ℃ jest największa, co odpowiada najniższej wartości trwałości zmęczeniowej. Grubość warstwy odwęglonej 850 ℃ jest najmniejsza, co odpowiada wartości trwałości zmęczeniowej jest stosunkowo wysoka. Można zauważyć, że zachowanie odwęglania znacznie zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową materiału, a im grubsza warstwa odwęglona, tym niższa trwałość zmęczeniowa.
Tabela 3 Trwałość zmęczeniowa w różnych temperaturach odwęglenia (560 MPa)
Morfologię pęknięcia zmęczeniowego próbki obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, jak pokazano na ryc. 4. Na rysunku 4(a) dla obszaru źródła pęknięcia, na rysunku widać wyraźny łuk zmęczeniowy, zgodnie z łukiem zmęczeniowym, aby znaleźć źródło widać zmęczenie zmęczeniowe, źródło pęknięć dla wtrąceń niemetalicznych typu „rybie oko”, wtrącenia przy łatwej do wywołania koncentracji naprężeń, skutkującej pęknięciami zmęczeniowymi; Ryc. 4(b) przedstawia morfologię obszaru rozszerzenia pęknięć, widać wyraźne paski zmęczeniowe, ma rozkład rzeczny, należy do pęknięć quasi-dysocjacyjnych, z pęknięciami rozszerzającymi się, ostatecznie prowadzącymi do pęknięcia. Rysunek 4(b) przedstawia morfologię obszaru ekspansji pęknięć, widać wyraźne smugi zmęczeniowe w postaci rozkładu rzecznego, należącego do pękania quasi-dysocjacyjnego, wraz z ciągłą ekspansją pęknięć, ostatecznie prowadzącą do pęknięcia .
Analiza pęknięć zmęczeniowych
Rys.4 Morfologia SEM powierzchni pęknięcia zmęczeniowego stali doświadczalnej
W celu określenia rodzaju wtrąceń z rys. 4 przeprowadzono analizę składu widma energetycznego, której wyniki przedstawiono na rys. 5. Można zauważyć, że wtrącenia niemetaliczne to głównie wtrącenia Al2O3, co wskazuje, że wtrącenia te są głównym źródłem pęknięć spowodowanych pękaniem wtrąceń.
Rysunek 5 Spektroskopia energetyczna wtrąceń niemetalicznych
Zakończyć
(1) Ustawienie temperatury ogrzewania na 850 ℃ zminimalizuje grubość warstwy odwęglonej, aby zmniejszyć wpływ na wydajność zmęczeniową.
(2) Granica zmęczenia próbnego zginania wirowego stali wynosi 760 MPa.
(3) Próbne pękanie stali we wtrąceniach niemetalicznych, głównie w mieszaninie Al2O3.
(4) odwęglenie poważnie zmniejsza trwałość zmęczeniową badanej stali, im grubsza warstwa odwęglenia, tym niższa trwałość zmęczeniowa.
Czas publikacji: 21 czerwca 2024 r