Do obserwacji pęknięć zmęczeniowych i analizy mechanizmu pękania zastosowano skaningowy mikroskop elektronowy; jednocześnie przeprowadzono test zmęczenia zginaniem spinowym na próbkach odwęglonych w różnych temperaturach, aby porównać trwałość zmęczeniową badanej stali z odwęgleniem i bez niego, a także aby przeanalizować wpływ odwęglenia na wytrzymałość zmęczeniową badanej stali. Wyniki pokazują, że ze względu na jednoczesne występowanie utleniania i odwęglenia w procesie nagrzewania, interakcja między nimi, skutkująca grubością całkowicie odwęglonej warstwy wraz ze wzrostem temperatury, wykazuje tendencję do wzrostu, a następnie spadku, grubość całkowicie odwęglonej warstwy osiąga maksymalną wartość 120 μm w temperaturze 750 ℃, a grubość całkowicie odwęglonej warstwy osiąga minimalną wartość 20 μm w temperaturze 850 ℃, a granica zmęczenia badanej stali wynosi około 760 MPa, a źródłem pęknięć zmęczeniowych w badanej stali są głównie wtrącenia niemetaliczne Al2O3; zachowanie odwęglenia znacznie zmniejsza trwałość zmęczeniową badanej stali, co wpływa na wydajność zmęczeniową badanej stali, im grubsza warstwa odwęglona, tym niższa trwałość zmęczeniowa. Aby ograniczyć wpływ warstwy odwęglonej na wytrzymałość zmęczeniową stali testowej, optymalna temperatura obróbki cieplnej stali testowej powinna wynosić 850℃.
Przekładnia jest ważnym elementem samochoduZe względu na pracę z dużą prędkością, zazębiająca się część powierzchni koła zębatego musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością i odpornością na ścieranie, a stopa zęba musi charakteryzować się dobrą odpornością na zmęczenie zginające ze względu na stałe, powtarzalne obciążenie, aby uniknąć pęknięć prowadzących do pękania materiału. Badania pokazują, że odwęglenie jest ważnym czynnikiem wpływającym na odporność na zmęczenie zginające metali, a odporność na zmęczenie zginające jest ważnym wskaźnikiem jakości produktu. Dlatego konieczne jest zbadanie zachowania się odwęglenia i odporności na zmęczenie zginające badanego materiału.
W niniejszym artykule, w celu usprawnienia procesu produkcji, poprawy jakości produktów i zapewnienia wiarygodnego punktu odniesienia, analizujemy wpływ różnych temperatur nagrzewania na głębokość warstwy odwęglonej stali testowej w piecu do obróbki cieplnej stali zębatej 20CrMnTi. Analizujemy wpływ różnych temperatur nagrzewania na głębokość warstwy odwęglonej stali testowej, wykorzystując prostą maszynę do badania zmęczenia QBWP-6000J. Celem jest określenie odporności stali testowej na zmęczenie metodą zginania obrotowego. Analizujemy również wpływ odwęglenia na odporność stali testowej w rzeczywistych warunkach produkcyjnych, aby usprawnić proces produkcyjny, poprawić jakość produktów i zapewnić wiarygodne dane odniesienia. Odporność stali testowej na zmęczenie metodą zginania obrotowego jest określana za pomocą maszyny do badania zmęczenia metodą zginania obrotowego.
1. Materiały i metody badawcze
Materiał testowy dla jednostki do produkcji stali przekładniowej 20CrMnTi, której główny skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Test odwęglenia: materiał testowy jest przetwarzany na próbkę cylindryczną o wymiarach Ф8 mm × 12 mm, której powierzchnia powinna być błyszcząca i bez plam. Piec do obróbki cieplnej nagrzewa się do temperatury 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, a następnie podgrzewa do temperatury pokojowej przez 1 godzinę. Po obróbce cieplnej próbki poprzez ustawienie, szlifowanie i polerowanie, z 4% roztworem alkoholu kwasu azotowego, stosuje się mikroskopię metalurgiczną do obserwacji warstwy odwęglenia stali testowej, mierząc głębokość warstwy odwęglenia w różnych temperaturach. Badanie zmęczenia zginania wirowego: materiał badany zgodnie z wymaganiami obróbki dwóch grup próbek zmęczenia zginania wirowego. Pierwsza grupa nie jest poddawana badaniu odwęglenia, druga grupa jest poddawana badaniu odwęglenia w różnych temperaturach. Za pomocą maszyny do badania zmęczenia zginania wirowego, dwie grupy stali badanej poddawane są badaniu zmęczenia wirowego, określane są granice wytrzymałości zmęczeniowej obu grup stali badanej, porównywana jest trwałość zmęczeniowa obu grup stali badanej, a obserwacja pęknięć zmęczeniowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego jest analizowana, analizowane są przyczyny pęknięć próbki, aby zbadać wpływ odwęglenia na właściwości zmęczeniowe stali badanej.
Tabela 1 Skład chemiczny (ułamek masowy) badanej stali wt%
Wpływ temperatury ogrzewania na odwęglanie
Morfologię organizacji odwęglenia przy różnych temperaturach ogrzewania pokazano na rys. 1. Jak widać na rysunku, gdy temperatura wynosi 675 ℃, na powierzchni próbki nie pojawia się warstwa odwęglenia; gdy temperatura wzrasta do 700 ℃, warstwa odwęglenia powierzchni próbki zaczęła się pojawiać, w przypadku cienkiej ferrytowej warstwy odwęglenia; wraz ze wzrostem temperatury do 725 ℃, grubość warstwy odwęglenia powierzchni próbki znacznie wzrosła; grubość warstwy odwęglenia 750 ℃ osiąga maksymalną wartość, w tym czasie ziarno ferrytu jest bardziej wyraźne, grube; gdy temperatura wzrasta do 800 ℃, grubość warstwy odwęglenia zaczęła znacznie się zmniejszać, jej grubość spadła do połowy 750 ℃; Gdy temperatura nadal wzrasta do 850 ℃, a grubość odwęglenia pokazano na rys. 1. 800 ℃, grubość pełnej warstwy odwęglenia zaczęła się znacznie zmniejszać, jej grubość spadła do 750 ℃, gdy połowa; gdy temperatura nadal wzrasta do 850 ℃ i powyżej, grubość pełnej warstwy odwęglenia badanej stali nadal się zmniejsza, grubość połowy warstwy odwęglenia zaczęła stopniowo wzrastać, aż do całkowitego zaniku morfologii pełnej warstwy odwęglenia, morfologia połowy warstwy odwęglenia stopniowo się wyklarowała. Można zauważyć, że grubość całkowicie odwęglonej warstwy wraz ze wzrostem temperatury najpierw wzrosła, a następnie zmniejszyła się. Powodem tego zjawiska jest próbka w procesie nagrzewania, w tym samym czasie zachodzi utlenianie i odwęglenie, tylko gdy szybkość odwęglenia jest szybsza niż szybkość utleniania, pojawi się zjawisko odwęglenia. Na początku nagrzewania grubość całkowicie odwęglonej warstwy stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, aż do osiągnięcia maksymalnej grubości całkowicie odwęglonej warstwy. W tym momencie, aby kontynuować podnoszenie temperatury, szybkość utleniania próbki jest szybsza niż szybkość odwęglenia, co hamuje wzrost całkowicie odwęglonej warstwy, skutkując tendencją spadkową. Można zauważyć, że w zakresie temperatur 675–950°C grubość całkowicie odwęglonej warstwy w temperaturze 750°C jest największa, a grubość całkowicie odwęglonej warstwy w temperaturze 850°C jest najmniejsza. Dlatego zaleca się, aby temperatura nagrzewania badanej stali wynosiła 850°C.
Rys.1 Histomorfologia warstwy odwęglonej stali testowej poddanej działaniu różnych temperatur nagrzewania przez 1 godz.
W porównaniu z warstwą częściowo odwęgloną, grubość warstwy całkowicie odwęglonej ma poważniejszy negatywny wpływ na właściwości materiału, znacznie obniża właściwości mechaniczne materiału, takie jak zmniejszenie wytrzymałości, twardości, odporności na zużycie i granicy zmęczenia itp., a także zwiększa wrażliwość na pęknięcia, co wpływa na jakość spawania itp. Dlatego kontrolowanie grubości warstwy całkowicie odwęglonej ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności produktu. Rysunek 2 przedstawia krzywą zmienności grubości warstwy całkowicie odwęglonej w funkcji temperatury, która wyraźniej pokazuje zmianę grubości warstwy całkowicie odwęglonej. Z rysunku widać, że grubość warstwy całkowicie odwęglonej wynosi tylko około 34 μm w temperaturze 700 ℃; wraz ze wzrostem temperatury do 725 ℃, grubość warstwy całkowicie odwęglonej znacznie wzrasta do 86 μm, co stanowi ponad dwukrotność grubości warstwy całkowicie odwęglonej w temperaturze 700 ℃; Gdy temperatura wzrośnie do 750 ℃, grubość całkowicie odwęglonej warstwy Gdy temperatura wzrośnie do 750 ℃, grubość całkowicie odwęglonej warstwy 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 20 μm przy 850 ℃.
Rys.2 Grubość warstwy całkowicie odwęglonej w różnych temperaturach
Wpływ odwęglenia na wytrzymałość zmęczeniową podczas zginania spinowego
Aby zbadać wpływ odwęglenia na właściwości zmęczeniowe stali sprężynowej, przeprowadzono dwie grupy prób zmęczeniowych zginania obrotowego. Pierwsza grupa obejmowała bezpośrednie badanie zmęczeniowe bez odwęglenia, a druga grupa obejmowała badanie zmęczeniowe po odwęgleniu przy tym samym poziomie naprężenia (810 MPa). Proces odwęglenia prowadzono w temperaturze 700–850°C przez 1 godzinę. Pierwsza grupa próbek została przedstawiona w tabeli 2, która przedstawia trwałość zmęczeniową stali sprężynowej.
Trwałość zmęczeniowa pierwszej grupy próbek została przedstawiona w tabeli 2. Jak widać z tabeli 2, bez odwęglenia stal badawczą poddano jedynie 107 cyklom przy 810 MPa i nie wystąpiło żadne pęknięcie; gdy poziom naprężenia przekroczył 830 MPa, niektóre próbki zaczęły pękać; gdy poziom naprężenia przekroczył 850 MPa, pękły wszystkie próbki zmęczeniowe.
Tabela 2 Trwałość zmęczeniowa przy różnych poziomach naprężeń (bez odwęglenia)
Aby określić granicę zmęczenia, zastosowano metodę grupową do określenia granicy zmęczenia badanej stali, a po statystycznej analizie danych, granica zmęczenia badanej stali wynosi około 760 MPa; aby scharakteryzować trwałość zmęczeniową badanej stali pod różnymi naprężeniami, wykreślono krzywą SN, jak pokazano na rysunku 3. Jak widać na rysunku 3, różne poziomy naprężeń odpowiadają różnej trwałości zmęczeniowej, gdy trwałość zmęczeniowa 7, odpowiadająca liczbie cykli dla 107, co oznacza, że próbka w tych warunkach przechodzi przez stan, odpowiadająca wartość naprężenia może być przybliżona jako wartość wytrzymałości zmęczeniowej, tj. 760 MPa. Można zauważyć, że krzywa S - N jest ważna dla określenia trwałości zmęczeniowej materiału ma ważną wartość odniesienia.
Rysunek 3 Krzywa SN eksperymentalnego badania zmęczeniowego stali przy zginaniu obrotowym
Trwałość zmęczeniowa drugiej grupy próbek jest przedstawiona w Tabeli 3. Jak widać z Tabeli 3, po odwęgleniu stali testowej w różnych temperaturach, liczba cykli wyraźnie spada i wynosi ponad 107, a wszystkie próbki zmęczeniowe są pęknięte, a trwałość zmęczeniowa jest znacznie zmniejszona. W połączeniu z powyższą grubością warstwy odwęglonej i krzywą zmiany temperatury można zobaczyć, że grubość warstwy odwęglonej 750 ℃ jest największa, co odpowiada najniższej wartości trwałości zmęczeniowej. Grubość warstwy odwęglonej 850 ℃ jest najmniejsza, co odpowiada stosunkowo wysokiej wartości trwałości zmęczeniowej. Można zauważyć, że zachowanie odwęglenia znacznie zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową materiału, a im grubsza warstwa odwęglona, tym niższa trwałość zmęczeniowa.
Tabela 3 Trwałość zmęczeniowa przy różnych temperaturach odwęglania (560 MPa)
Morfologię pęknięć zmęczeniowych próbki zaobserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, jak pokazano na rys. 4. Rysunek 4(a) przedstawia obszar źródła pęknięcia. Na rysunku widać wyraźny łuk zmęczeniowy. Zgodnie z łukiem zmęczeniowym, aby znaleźć źródło zmęczenia, widać źródło pęknięcia dla wtrąceń niemetalicznych typu „rybie oko”, wtrącenia te łatwo powodują koncentrację naprężeń, skutkując pęknięciami zmęczeniowymi. Rys. 4(b) przedstawia morfologię obszaru rozszerzenia pęknięcia. Widać wyraźne pasma zmęczeniowe, rozkład przypominający rzekę, należący do quasi-dysocjacyjnego pęknięcia, z pęknięciami rozszerzającymi się, ostatecznie prowadzącymi do pęknięcia. Rysunek 4(b) przedstawia morfologię obszaru rozszerzenia pęknięcia. Widać wyraźne smugi zmęczeniowe w postaci rozkładu przypominającego rzekę, który należy do quasi-dysocjacyjnego pęknięcia, a także ciągłe rozszerzanie się pęknięć, ostatecznie prowadzące do pęknięcia.
Analiza pęknięć zmęczeniowych
Rys.4 Morfologia SEM powierzchni przełomu zmęczeniowego stali eksperymentalnej
Aby określić rodzaj wtrąceń widocznych na rys. 4, przeprowadzono analizę składu widma energetycznego, a jej 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 inkluzji niemetalicznych
Zakończyć
(1) Ustawienie temperatury ogrzewania na poziomie 850 ℃ zminimalizuje grubość warstwy odwęglonej, co zmniejszy wpływ na odporność na zmęczenie.
( 2) Granica zmęczenia badanej stali przy zginaniu wirowym wynosi 760 MPa.
( 3) Pękanie stali testowej w wtrąceniach niemetalicznych, głównie w mieszaninie Al2O3.
( 4) odwęglenie poważnie zmniejsza trwałość zmęczeniową stali próbnej; im grubsza warstwa odwęglenia, tym krótsza trwałość zmęczeniowa.
Czas publikacji: 21-06-2024
