Za promatranje loma uslijed zamora i analizu mehanizma loma korišten je skenirajući elektronski mikroskop; istovremeno je provedeno ispitivanje umora rotacijskim savijanjem na dekarburiziranim uzorcima na različitim temperaturama kako bi se usporedio vijek trajanja do zamora ispitivanog čelika s i bez dekarburizacije te kako bi se analizirao utjecaj dekarburizacije na performanse umora ispitivanog čelika. Rezultati pokazuju da, zbog istovremenog postojanja oksidacije i dekarburizacije u procesu zagrijavanja, interakcija između njih dvoje rezultira time da debljina potpuno dekarburiziranog sloja s porastom temperature pokazuje trend povećanja, a zatim smanjenja, debljina potpuno dekarburiziranog sloja doseže maksimalnu vrijednost od 120 μm na 750 ℃, a debljina potpuno dekarburiziranog sloja doseže minimalnu vrijednost od 20 μm na 850 ℃, a granica umora ispitivanog čelika je oko 760 MPa, a izvor pukotina od zamora u ispitivanom čeliku uglavnom su nemetalni inkluzije Al2O3; Ponašanje dekarburizacije uvelike smanjuje vijek trajanja ispitivanog čelika, što utječe na performanse zamora ispitivanog čelika. Što je sloj dekarburizacije deblji, to je vijek trajanja niži. Kako bi se smanjio utjecaj sloja dekarburizacije na performanse zamora ispitivanog čelika, optimalna temperatura toplinske obrade ispitivanog čelika treba biti postavljena na 850 ℃.
Mjenjač je važan dio automobilaZbog rada pri velikim brzinama, dio površine zupčanika koji se spaja mora imati visoku čvrstoću i otpornost na abraziju, a korijen zuba mora imati dobre performanse umora pri savijanju zbog stalnog ponovljenog opterećenja, kako bi se izbjegle pukotine koje dovode do loma materijala. Istraživanja pokazuju da je dekarburizacija važan čimbenik koji utječe na performanse umora pri savijanju pri rotaciji metalnih materijala, a performanse umora pri savijanju pri rotaciji važan su pokazatelj kvalitete proizvoda, stoga je potrebno proučiti ponašanje dekarburizacije i performanse umora pri savijanju pri rotaciji ispitivanog materijala.
U ovom radu, peć za toplinsku obradu na ispitivanju dekarburizacije površine čelika za zupčanike 20CrMnTi analizira različite temperature zagrijavanja na dubini sloja dekarburizacije ispitivanog čelika u skladu s promjenom zakona; korištenjem jednostavnog stroja za ispitivanje umora grede QBWP-6000J na ispitivanju umora rotacijskim savijanjem ispitivanog čelika, određivanje performansi umora ispitivanog čelika, a istovremeno analiza utjecaja dekarburizacije na performanse umora ispitivanog čelika za stvarnu proizvodnju radi poboljšanja proizvodnog procesa, povećanja kvalitete proizvoda i pružanja razumne reference. Performanse umora ispitivanog čelika određuju se pomoću stroja za ispitivanje umora rotacijskim savijanjem.
1. Materijali i metode ispitivanja
Ispitni materijal za jedinicu za dobivanje 20CrMnTi čelika za zupčanike, glavni kemijski sastav prikazan je u Tablici 1. Ispitivanje dekarburizacije: ispitivani materijal obrađuje se u cilindrični uzorak dimenzija Ф8 mm × 12 mm, površina treba biti sjajna i bez mrlja. Peć za toplinsku obradu zagrijava se na 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, ubrizgava se u uzorak i drži 1 sat, a zatim se hladi na zraku do sobne temperature. Nakon toplinske obrade uzorka fiksiranjem, brušenjem i poliranjem, erozijom s 4%-tnom otopinom dušične kiseline i alkohola, sloj dekarburizacije ispitivanog čelika promatra se metalurškom mikroskopijom, mjereći dubinu sloja dekarburizacije na različitim temperaturama. Ispitivanje umora rotacijskim savijanjem: ispitni materijal obrađuje se prema zahtjevima obrade dviju skupina uzoraka za umor rotacijskim savijanjem. Prva skupina ne provodi ispitivanje dekarburizacije, a druga skupina provodi ispitivanje dekarburizacije na različitim temperaturama. Korištenjem stroja za ispitivanje umora rotacijskim savijanjem, dvije skupine ispitnog čelika za ispitivanje umora rotacijskim savijanjem određuju se granica umora dviju skupina ispitnog čelika, uspoređuje se vijek trajanja dviju skupina ispitnog čelika, promatra se lom umora skenirajućim elektronskim mikroskopom, analiziraju se uzroci loma uzorka i istražuje se učinak dekarburizacije na svojstva umora ispitivanog čelika.
Tablica 1 Kemijski sastav (maseni udio) ispitivanog čelika, težinski %
Utjecaj temperature zagrijavanja na dekarburizaciju
Morfologija organizacije dekarburizacije pri različitim temperaturama zagrijavanja prikazana je na slici 1. Kao što se može vidjeti na slici, kada je temperatura 675 ℃, na površini uzorka se ne pojavljuje sloj dekarburizacije; kada temperatura poraste na 700 ℃, počinje se pojavljivati sloj dekarburizacije na površini uzorka, i to tanki feritni sloj dekarburizacije; s porastom temperature na 725 ℃, debljina sloja dekarburizacije na površini uzorka značajno se povećava; na 750 ℃ debljina sloja dekarburizacije doseže svoju maksimalnu vrijednost, u ovom trenutku feritno zrno je jasnije i grublje; kada temperatura poraste na 800 ℃, debljina sloja dekarburizacije počinje značajno se smanjivati, njegova debljina pada na polovicu one na 750 ℃; Kada temperatura nastavi rasti do 850 ℃ i debljina dekarburizacije prikazana je na slici 1. Na 800 ℃, debljina potpunog dekarburiziranog sloja počinje značajno se smanjivati, njegova debljina pada na polovicu od 750 ℃; kada temperatura nastavi rasti do 850 ℃ i više, debljina potpunog dekarburiziranog sloja ispitivanog čelika nastavlja se smanjivati, debljina polovice dekarburiziranog sloja počinje postupno rasti sve dok morfologija potpunog dekarburiziranog sloja nije potpuno nestala, a morfologija polovice dekarburiziranog sloja postupno se razbistri. Može se vidjeti da se debljina potpuno dekarburiziranog sloja s porastom temperature prvo povećava, a zatim smanjuje. Razlog ovom fenomenu je istovremeno ponašanje oksidacije i dekarburizacije uzorka tijekom procesa zagrijavanja. Fenomen dekarburizacije pojavit će se tek kada je brzina dekarburizacije veća od brzine oksidacije. Na početku zagrijavanja, debljina potpuno dekarburiziranog sloja postupno se povećava s porastom temperature sve dok debljina potpuno dekarburiziranog sloja ne dosegne maksimalnu vrijednost. U tom trenutku, kako bi se temperatura nastavila povećavati, brzina oksidacije uzorka je brža od brzine dekarburizacije, što inhibira porast debljine potpuno dekarburiziranog sloja, što rezultira silaznim trendom. Može se vidjeti da je u rasponu od 675 ～950 ℃ vrijednost debljine potpuno dekarburiziranog sloja na 750 ℃ najveća, a vrijednost debljine potpuno dekarburiziranog sloja na 850 ℃ najmanja, stoga se preporučuje temperatura zagrijavanja ispitivanog čelika od 850 ℃.
Sl.1 Histomorfologija dekarburiziranog sloja ispitivanog čelika držanog na različitim temperaturama zagrijavanja tijekom 1 sata
U usporedbi s poludekarburiziranim slojem, debljina potpuno dekarburiziranog sloja ima ozbiljniji negativan utjecaj na svojstva materijala, uvelike smanjuje mehanička svojstva materijala, poput smanjenja čvrstoće, tvrdoće, otpornosti na habanje i granice umora itd., a također povećava osjetljivost na pukotine, što utječe na kvalitetu zavarivanja i tako dalje. Stoga je kontrola debljine potpuno dekarburiziranog sloja od velikog značaja za poboljšanje performansi proizvoda. Slika 2 prikazuje krivulju promjene debljine potpuno dekarburiziranog sloja s temperaturom, što jasnije pokazuje promjenu debljine potpuno dekarburiziranog sloja. Iz slike se može vidjeti da je debljina potpuno dekarburiziranog sloja samo oko 34 μm na 700 ℃; s porastom temperature na 725 ℃, debljina potpuno dekarburiziranog sloja značajno se povećava na 86 μm, što je više od dva puta veća debljina potpuno dekarburiziranog sloja na 700 ℃; Kada se temperatura povisi na 750 ℃, debljina potpuno dekarburiziranog sloja Kada temperatura poraste na 750 ℃, debljina potpuno dekarburiziranog sloja doseže maksimalnu vrijednost od 120 μm; kako temperatura nastavlja rasti, debljina potpuno dekarburiziranog sloja počinje naglo opadati, na 70 μm na 800 ℃, a zatim na minimalnu vrijednost od oko 20 μm na 850 ℃.
Sl. 2 Debljina potpuno dekarburiziranog sloja na različitim temperaturama
Utjecaj dekarburizacije na performanse zamora pri savijanju rotiranjem
Kako bi se proučio utjecaj dekarburizacije na svojstva zamora opružnog čelika, provedene su dvije skupine ispitivanja zamora savijanjem uslijed vrtnje, prva skupina bila je ispitivanje zamora izravno bez dekarburizacije, a druga skupina ispitivanje zamora nakon dekarburizacije pri istoj razini naprezanja (810 MPa), a proces dekarburizacije održavan je na 700-850 ℃ tijekom 1 sata. Prva skupina uzoraka prikazana je u Tablici 2, što je vijek trajanja opružnog čelika do zamora.
Vijek trajanja prve skupine uzoraka do zamora prikazan je u Tablici 2. Kao što se može vidjeti iz Tablice 2, bez dekarburizacije, ispitivani čelik je podvrgnut samo 107 ciklusa pri 810 MPa, i nije došlo do loma; kada je razina naprezanja premašila 830 MPa, neki od uzoraka su počeli lomiti; kada je razina naprezanja premašila 850 MPa, svi uzorci do zamora su se slomili.
Tablica 2 Vijek trajanja do zamora pod različitim razinama naprezanja (bez dekarburizacije)
Kako bi se odredila granica umora, koristi se grupna metoda za određivanje granice umora ispitivanog čelika, a nakon statističke analize podataka, granica umora ispitivanog čelika je oko 760 MPa; kako bi se okarakterizirao vijek trajanja ispitivanog čelika pod različitim naprezanjima, nacrtana je SN krivulja, kao što je prikazano na slici 3. Kao što se može vidjeti na slici 3, različite razine naprezanja odgovaraju različitom vijeku trajanja umora, kada je vijek trajanja umora od 7, što odgovara broju ciklusa od 107, što znači da je uzorak pod tim uvjetima prošao kroz stanje, odgovarajuća vrijednost naprezanja može se aproksimirati kao vrijednost čvrstoće na umor, odnosno 760 MPa. Može se vidjeti da je S-N krivulja važna za određivanje vijeka trajanja umora materijala i ima važnu referentnu vrijednost.
Slika 3 SN krivulja eksperimentalnog ispitivanja zamora čelika rotacijskim savijanjem
Vijek trajanja do zamora druge skupine uzoraka prikazan je u Tablici 3. Kao što se može vidjeti iz Tablice 3, nakon što je ispitivani čelik dekarburiziran na različitim temperaturama, broj ciklusa se očito smanjuje i veći je od 107, te su svi uzorci pod utjecajem zamora lomljeni, a vijek trajanja do zamora se znatno smanjuje. U kombinaciji s gore navedenom debljinom dekarburiziranog sloja i krivuljom promjene temperature, vidljivo je da je debljina dekarburiziranog sloja na 750 ℃ najveća, što odgovara najnižoj vrijednosti vijeka trajanja do zamora. Debljina dekarburiziranog sloja na 850 ℃ je najmanja, što odgovara relativno visokoj vrijednosti vijeka trajanja do zamora. Može se vidjeti da ponašanje dekarburizacije znatno smanjuje performanse materijala pri zamoru, a što je deblji dekarburizirani sloj, to je vijek trajanja do zamora kraći.
Tablica 3 Vijek trajanja do zamora pri različitim temperaturama dekarburizacije (560 MPa)
Morfologija loma uslijed zamora uzorka promatrana je skenirajućim elektronskim mikroskopom, kao što je prikazano na slici 4. Na slici 4(a) za područje izvora pukotine, na slici se može vidjeti očiti luk zamora, prema luku zamora kako bi se pronašao izvor umora, može se vidjeti izvor pukotine za nemetalne inkluzije "riblje oko", inkluzije na mjestima gdje lako uzrokuju koncentraciju naprezanja, što rezultira pukotinama od zamora; na slici 4(b) za morfologiju područja proširenja pukotine, mogu se vidjeti očite pruge zamora, njihova raspodjela nalik rijeci, pripada kvazi-disocijativnom lomu, s pukotinama koje se šire, što na kraju dovodi do loma. Slika 4(b) prikazuje morfologiju područja širenja pukotine, mogu se vidjeti očite pruge zamora, u obliku rijeke, što pripada kvazi-disocijativnom lomu, a s kontinuiranim širenjem pukotina, što na kraju dovodi do loma.
Analiza loma uslijed zamora
Sl.4 SEM morfologija površine loma uslijed zamora eksperimentalnog čelika
Kako bi se odredila vrsta inkluzija na slici 4, provedena je analiza sastava energetskog spektra, a rezultati su prikazani na slici 5. Može se vidjeti da su nemetalne inkluzije uglavnom inkluzije Al2O3, što ukazuje na to da su inkluzije glavni izvor pukotina uzrokovanih pucanjem inkluzija.
Slika 5 Energetska spektroskopija nemetalnih inkluzija
Zaključiti
(1) Postavljanje temperature zagrijavanja na 850 ℃ smanjit će debljinu dekarburiziranog sloja kako bi se smanjio utjecaj na otpornost na zamor.
(2) Granica zamora savijanja ispitivanog čelika je 760 MPa.
(3) Ispitivanje pucanja čelika u nemetalnim inkluzijama, uglavnom smjesi Al2O3.
(4) dekarburizacija ozbiljno smanjuje vijek trajanja ispitivanog čelika do zamora, što je sloj dekarburizacije deblji, to je vijek trajanja do zamora kraći.
Vrijeme objave: 21. lipnja 2024.
