Microscopul electronic cu scanare a fost utilizat pentru a observa fractura la oboseală și a analiza mecanismul fracturii; în același timp, s-a efectuat un test de oboseală la încovoiere prin rotație pe specimenele decarburate la diferite temperaturi pentru a compara durata de viață la oboseală a oțelului testat cu și fără decarburare și pentru a analiza efectul decarburării asupra performanței la oboseală a oțelului testat. Rezultatele arată că, datorită existenței simultane a oxidării și decarburării în procesul de încălzire, interacțiunea dintre cele două, rezultând în grosimea stratului complet decarburat odată cu creșterea temperaturii, prezintă o tendință de creștere și apoi de scădere, grosimea stratului complet decarburat atingând o valoare maximă de 120 μm la 750 ℃, iar grosimea stratului complet decarburat atingând o valoare minimă de 20 μm la 850 ℃, iar limita de oboseală a oțelului testat este de aproximativ 760 MPa, iar sursa fisurilor la oboseală în oțelul testat sunt în principal incluziunile nemetalice de Al2O3; Comportamentul de decarburare reduce considerabil durata de viață la oboseală a oțelului testat, afectând performanța la oboseală a oțelului testat. Cu cât stratul de decarburare este mai gros, cu atât durata de viață la oboseală este mai mică. Pentru a reduce impactul stratului de decarburare asupra performanței la oboseală a oțelului testat, temperatura optimă de tratament termic al oțelului testat trebuie stabilită la 850 ℃.
Angrenajul este o componentă importantă a automobiluluiDatorită funcționării la viteză mare, partea de angrenare a suprafeței angrenajului trebuie să aibă o rezistență ridicată la abraziune și rezistență la încovoiere, iar rădăcina dintelui trebuie să aibă o bună performanță la oboseală la încovoiere datorită sarcinii repetate constante, pentru a evita fisurile care duc la fracturarea materialului. Cercetările arată că decarburarea este un factor important care afectează performanța la oboseală la încovoiere prin rotație a materialelor metalice, iar performanța la oboseală la încovoiere prin rotație este un indicator important al calității produsului, prin urmare este necesar să se studieze comportamentul la decarburare și performanța la oboseală la încovoiere prin rotație a materialului de testare.
În această lucrare, cuptorul de tratament termic pentru testul de decarburare a suprafeței oțelului de angrenaj 20CrMnTi analizează diferite temperaturi de încălzire pe adâncimea stratului de decarburare a oțelului de testare în funcție de legea de schimbare; utilizând mașina de testare la oboseală cu fascicul simplu QBWP-6000J pentru testul de oboseală la încovoiere rotativă a oțelului de testare, se determină performanța la oboseală a oțelului de testare și, în același timp, se analizează impactul decarburării asupra performanței la oboseală a oțelului de testare pentru producția efectivă, pentru a îmbunătăți procesul de producție, a spori calitatea produselor și a oferi o referință rezonabilă. Performanța la oboseală a oțelului de testare este determinată de mașina de testare la oboseală la încovoiere rotativă.
1. Materiale și metode de testare
Material de testare pentru o unitate care să furnizeze oțel pentru angrenaje 20CrMnTi, a cărui compoziție chimică principală este prezentată în Tabelul 1. Test de decarburare: materialul de testare este prelucrat într-o probă cilindrică de Ф8 mm × 12 mm, a cărei suprafață trebuie să fie lucioasă, fără pete. Cuptorul de tratament termic a fost încălzit la 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, se introduce în probă și se menține 1 oră, apoi se răcește cu aer la temperatura camerei. După tratamentul termic, proba este fixată, șlefuită și lustruită cu o soluție de acid azotic în alcool de 4% pentru eroziune, utilizând microscopia metalurgică pentru a observa stratul de decarburare al oțelului de testare, măsurând adâncimea stratului de decarburare la diferite temperaturi. Test de oboseală la încovoiere prin rotație: materialul de testare a fost prelucrat în funcție de cerințele de prelucrare a două grupe de epruvete la oboseală la încovoiere prin rotație, primul grup nu a efectuat testul de decarburare, iar al doilea grup a efectuat testul de decarburare la temperaturi diferite. Folosind mașina de testare a oboselii la încovoiere prin rotație, cele două grupe de oțel de testare au fost testate pentru oboseala la încovoiere prin rotație, s-a determinat limita de oboseală a celor două grupe de oțel de testare, s-a comparat durata de viață la oboseală a celor două grupe de oțel de testare, s-a utilizat microscopul electronic cu scanare pentru observarea fracturilor la oboseală, s-au analizat cauzele fracturii epruvetei și s-a explorat efectul decarburării asupra proprietăților de oboseală ale oțelului de testare.
Tabelul 1 Compoziția chimică (fracție masică) a oțelului testat (% din greutate)
Efectul temperaturii de încălzire asupra decarburării
Morfologia organizării decarburării la diferite temperaturi de încălzire este prezentată în Fig. 1. După cum se poate observa din figură, când temperatura este de 675 ℃, la suprafața probei nu apare un strat de decarburare; când temperatura crește la 700 ℃, stratul de decarburare de la suprafața probei începe să apară, adică un strat subțire de decarburare de ferită; odată cu creșterea temperaturii la 725 ℃, grosimea stratului de decarburare de la suprafața probei crește semnificativ; la 750 ℃, grosimea stratului de decarburare atinge valoarea maximă, moment în care granulația de ferită devine mai clară și mai grosieră; când temperatura crește la 800 ℃, grosimea stratului de decarburare începe să scadă semnificativ, grosimea sa scăzând la jumătate din cea de 750 ℃; când temperatura continuă să crească la 850 ℃ și grosimea decarburării este prezentată în Fig. 1. La 800 ℃, grosimea completă a stratului de decarburare începe să scadă semnificativ, grosimea sa scăzând la jumătate la 750 ℃; Când temperatura continuă să crească până la 850 ℃ și peste, grosimea stratului complet de decarburare al oțelului testat continuă să scadă, jumătate din grosimea stratului de decarburare începe să crească treptat, până când morfologia stratului complet de decarburare dispare complet, iar jumătate din grosimea stratului de decarburare se elimină treptat. Se poate observa că grosimea stratului complet decarburat a crescut mai întâi, apoi a scăzut odată cu creșterea temperaturii. Motivul acestui fenomen se datorează faptului că proba se oxidează și decarburează simultan în timpul procesului de încălzire. Numai atunci când viteza de decarburare este mai mare decât viteza de oxidare, apare fenomenul de decarburare. La începutul încălzirii, grosimea stratului complet decarburat crește treptat odată cu creșterea temperaturii, până când grosimea stratului complet decarburat atinge valoarea maximă. În acest moment, odată cu creșterea continuă a temperaturii, rata de oxidare a probei este mai mare decât rata de decarburare, ceea ce inhibă creșterea stratului complet decarburat, rezultând o tendință descendentă. Se poate observa că, în intervalul 675 ～950 ℃, valoarea grosimii stratului complet decarburat la 750 ℃ este cea mai mare, iar valoarea grosimii stratului complet decarburat la 850 ℃ este cea mai mică, prin urmare, temperatura de încălzire a oțelului de testare este recomandată să fie de 850 ℃.
Fig.1 Histomorfologia stratului decarburat al oțelului de testare, menținut la diferite temperaturi de încălzire timp de 1 oră
Comparativ cu stratul semi-decarburat, grosimea stratului complet decarburat are un impact negativ mai serios asupra proprietăților materialului, reducând considerabil proprietățile mecanice ale materialului, cum ar fi reducerea rezistenței, durității, rezistenței la uzură și a limitei de oboseală etc., și crescând, de asemenea, sensibilitatea la fisuri, afectând calitatea sudurii și așa mai departe. Prin urmare, controlul grosimii stratului complet decarburat este de mare importanță pentru îmbunătățirea performanței produsului. Figura 2 prezintă curba de variație a grosimii stratului complet decarburat în funcție de temperatură, care arată mai clar variația grosimii stratului complet decarburat. Se poate observa din figură că grosimea stratului complet decarburat este de numai aproximativ 34 μm la 700 ℃; odată cu creșterea temperaturii la 725 ℃, grosimea stratului complet decarburat crește semnificativ la 86 μm, ceea ce este de peste două ori mai mare decât grosimea stratului complet decarburat la 700 ℃; Când temperatura este ridicată la 750 ℃, grosimea stratului complet decarburat atinge valoarea maximă de 120 μm; pe măsură ce temperatura continuă să crească, grosimea stratului complet decarburat începe să scadă brusc, la 70 μm la 800 ℃, și apoi la valoarea minimă de aproximativ 20 μm la 850 ℃.
Fig.2 Grosimea stratului complet decarburat la diferite temperaturi
Efectul decarburării asupra performanței la oboseală la îndoirea prin spin
Pentru a studia efectul decarburării asupra proprietăților de oboseală ale oțelului pentru arcuri, au fost efectuate două grupe de teste de oboseală la încovoiere prin rotație, primul grup a fost testat direct la oboseală, fără decarburare, iar al doilea grup a fost testat la oboseală după decarburare la același nivel de solicitare (810 MPa), iar procesul de decarburare a fost menținut la 700-850 ℃ timp de 1 oră. Primul grup de eșantioane este prezentat în Tabelul 2, care prezintă durata de viață la oboseală a oțelului pentru arcuri.
Durata de viață la oboseală a primului grup de epruvete este prezentată în Tabelul 2. După cum se poate observa din Tabelul 2, fără decarburare, oțelul testat a fost supus doar la 107 cicluri la 810 MPa și nu s-a produs nicio fractură; când nivelul de solicitare a depășit 830 MPa, unele dintre epruvete au început să se fractureze; când nivelul de solicitare a depășit 850 MPa, toate epruvetele de oboseală au fost fracturate.
Tabelul 2 Durata de viață la oboseală sub diferite niveluri de solicitare (fără decarburare)
Pentru a determina limita de oboseală, s-a utilizat metoda grupată pentru a determina limita de oboseală a oțelului de testare, iar după analiza statistică a datelor, limita de oboseală a oțelului de testare este de aproximativ 760 MPa; pentru a caracteriza durata de viață la oboseală a oțelului de testare sub diferite solicitări, s-a trasat curba SN, așa cum se arată în Figura 3. După cum se poate observa din Figura 3, diferite niveluri de solicitare corespund unor durate de viață la oboseală diferite, când durata de viață la oboseală este de 7, corespunzând numărului de cicluri pentru 107, ceea ce înseamnă că specimenul în aceste condiții se află prin starea respectivă, valoarea solicitării corespunzătoare poate fi aproximată ca valoarea rezistenței la oboseală, adică 760 MPa. Se poate observa că curba S - N este importantă pentru determinarea duratei de viață la oboseală a materialului și are o valoare de referință importantă.
Figura 3 Curba SN a testului experimental de oboseală la încovoiere rotativă a oțelului
Durata de viață la oboseală a celui de-al doilea grup de epruvete este prezentată în Tabelul 3. După cum se poate observa din Tabelul 3, după ce oțelul testat este decarburat la diferite temperaturi, numărul de cicluri este evident redus, fiind mai mare de 107, iar toate epruvetele de oboseală sunt fracturate, iar durata de viață la oboseală este mult redusă. Combinată cu grosimea stratului decarburat de mai sus cu curba de variație a temperaturii, se poate observa că grosimea stratului decarburat la 750 ℃ este cea mai mare, corespunzând celei mai mici valori a duratei de viață la oboseală. Grosimea stratului decarburat la 850 ℃ este cea mai mică, corespunzând unei valori relativ mari a duratei de viață la oboseală. Se poate observa că comportamentul la decarburare reduce considerabil performanța la oboseală a materialului, iar cu cât stratul decarburat este mai gros, cu atât durata de viață la oboseală este mai mică.
Tabelul 3 Durata de viață la oboseală la diferite temperaturi de decarburare (560 MPa)
Morfologia fracturii la oboseală a specimenului a fost observată prin microscop electronic cu scanare, așa cum se arată în Fig. 4. Figura 4(a) prezintă zona sursă a fisurii, unde se poate observa un arc de oboseală evident. Conform arcului de oboseală, pentru a găsi sursa fisurii, se poate observa sursa fisurii pentru incluziuni nemetalice de tip „ochi de pește”, incluziuni la care se provoacă ușor o concentrare de stres, rezultând fisuri la oboseală; Fig. 4(b) prezintă morfologia zonei de extindere a fisurii, unde se pot observa dungi evidente de oboseală, cu o distribuție asemănătoare râului, aparținând fracturii cvasi-disociative, fisurile se extind, ducând în cele din urmă la fractură. Figura 4(b) prezintă morfologia zonei de expansiune a fisurii, unde se pot observa dungi evidente de oboseală, sub forma unei distribuții asemănătoare râului, aparținând fracturii cvasi-disociative, iar expansiunea continuă a fisurilor duce în cele din urmă la fractură.
Analiza fracturilor la oboseală
Fig.4 Morfologia SEM a suprafeței de fractură la oboseală a oțelului experimental
Pentru a determina tipul incluziunilor din Fig. 4, a fost efectuată o analiză a compoziției spectrului de energie, iar rezultatele sunt prezentate în Fig. 5. Se poate observa că incluziunile nemetalice sunt în principal incluziuni de Al2O3, ceea ce indică faptul că incluziunile reprezintă principala sursă a fisurilor cauzate de fisurarea incluziunilor.
Figura 5 Spectroscopia energetică a incluziunilor nemetalice
Încheia
(1) Poziționarea temperaturii de încălzire la 850 ℃ va reduce la minimum grosimea stratului decarburat pentru a reduce efectul asupra performanței la oboseală.
(2) Limita de oboseală a oțelului de testare la încovoiere prin rotație este de 760 MPa.
(3) Fisurarea oțelului de testare în incluziuni nemetalice, în principal amestec de Al2O3.
(4) Decarburarea reduce considerabil durata de viață la oboseală a oțelului testat; cu cât stratul de decarburare este mai gros, cu atât durata de viață la oboseală este mai mică.
Data publicării: 21 iunie 2024
