Сканиращ електронен микроскоп е използван за наблюдение на уморното разрушаване и анализ на механизма на разрушаване; едновременно с това е проведено изпитване за умора от огъване чрез центрофугиране върху обезвъглеродените образци при различни температури, за да се сравни дълготрайността на изпитваната стомана със и без обезвъглеродяване и да се анализира ефектът от обезвъглеродяването върху характеристиките на умора на изпитваната стомана. Резултатите показват, че поради едновременното съществуване на окисление и обезвъглеродяване по време на процеса на нагряване, взаимодействието между двете води до това, че дебелината на напълно обезвъглеродения слой с повишаване на температурата показва тенденция на увеличаване и след това намаляване, като дебелината на напълно обезвъглеродения слой достига максимална стойност от 120 μm при 750 ℃, а дебелината на напълно обезвъглеродения слой достига минимална стойност от 20 μm при 850 ℃, а границата на умора на изпитваната стомана е около 760 MPa, като източникът на пукнатини от умора в изпитваната стомана са главно неметални включвания Al2O3; Декарбонизацията значително намалява дълготрайността на изпитваната стомана, което влияе върху нейните характеристики на умора. Колкото по-дебел е декарбонизираният слой, толкова по-ниска е дълготрайността на умора. За да се намали влиянието на декарбонизиращия слой върху характеристиките на умора на изпитваната стомана, оптималната температура на термична обработка на изпитваната стомана трябва да бъде 850℃.
Скоростната кутия е важен компонент на автомобилаПоради работата с висока скорост, зацепващата част на повърхността на зъбното колело трябва да има висока якост и устойчивост на износване, а коренът на зъба трябва да има добри характеристики на умора при огъване поради постоянно повтарящо се натоварване, за да се избегнат пукнатини, които водят до счупване на материала. Изследванията показват, че обезвъглеродяването е важен фактор, влияещ върху характеристиките на умора при огъване при центрофугиране на металните материали, а характеристиките на умора при огъване при центрофугиране са важен показател за качеството на продукта, така че е необходимо да се изследва поведението на обезвъглеродяване и характеристиките на умора при огъване при центрофугиране на изпитвания материал.
В тази статия, върху теста за декарбонизация на повърхността на зъбна стомана 20CrMnTi, използвана пещ за термична обработка, се анализират различните температури на нагряване върху дълбочината на слоя декарбонизация на изпитваната стомана и променящия се закон; използва се машина за изпитване на умора от ротационно огъване QBWP-6000J, за да се определят характеристиките на умора на изпитваната стомана и едновременно с това да се анализира влиянието на декарбонизацията върху характеристиките на умора на изпитваната стомана за реалното производство, за да се подобри производственият процес, да се подобри качеството на продуктите и да се осигури разумна референтна стойност. Характеристиките на умора на изпитваната стомана се определят от машината за изпитване на умора чрез ротационно огъване.
1. Тестови материали и методи
Тестов материал за единица за осигуряване на зъбна стомана 20CrMnTi, основният химичен състав е показан в Таблица 1. Тест за обезвъглеродяване: тестовият материал се обработва в цилиндричен образец с размери Ф8 mm × 12 mm, повърхността му трябва да е блестяща, без петна. Пещ за термична обработка се нагрява до 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, образецът се задържа 1 час, след което се охлажда на въздух до стайна температура. След термична обработка на образеца чрез фиксиране, шлайфане и полиране, ерозия с 4% разтвор на азотна киселина и алкохол, след което се използва металургична микроскопия за наблюдение на слоя обезвъглеродяване на изпитваната стомана, като се измерва дълбочината на слоя обезвъглеродяване при различни температури. Изпитване за умора от огъване чрез центрофугиране: изпитваният материал се обработва съгласно изискванията за обработка на две групи образци за умора от огъване чрез центрофугиране. Първата група не извършва изпитване за обезвъглеродяване, а втората група извършва изпитване за обезвъглеродяване при различни температури. Използвайки машина за изпитване за умора от огъване чрез центрофугиране, двете групи от изпитвани стомани се изпитват за умора от огъване чрез центрофугиране, определя се границата на умора на двете групи изпитвани стомани, сравнява се дълготрайността на умора на двете групи изпитвани стомани. Използва се сканиращ електронен микроскоп за наблюдение на разрушаване от умора, анализират се причините за разрушаването на образеца и се изследва ефектът от обезвъглеродяването върху свойствата на умора на изпитваната стомана.
Таблица 1 Химичен състав (масова фракция) на изпитваната стомана, тегловни %
Влияние на температурата на нагряване върху обезвъглеродяването
Морфологията на организацията на декарбонизацията при различни температури на нагряване е показана на Фиг. 1. Както може да се види от фигурата, когато температурата е 675 ℃, върху повърхността на пробата не се появява декарбонизиран слой; когато температурата се повиши до 700 ℃, върху повърхността на пробата започва да се появява декарбонизиран слой, представляващ тънък феритен декарбонизиран слой; с повишаване на температурата до 725 ℃, дебелината на декарбонизирания слой на повърхността на пробата се увеличава значително; при 750 ℃ дебелината на декарбонизирания слой достига максималната си стойност, като по това време феритните зърна стават по-ясни и едри; когато температурата се повиши до 800 ℃, дебелината на декарбонизирания слой започва да намалява значително, като дебелината му пада наполовина на 750 ℃; Когато температурата продължи да се повишава до 850 ℃ и дебелината на декарбонизацията е показана на Фиг. 1. При 800 ℃, дебелината на пълния декарбонизиран слой започва значително да намалява, като дебелината му пада наполовина до 750 ℃; когато температурата продължава да се повишава до 850 ℃ и повече, дебелината на пълния декарбонизиран слой на изпитваната стомана продължава да намалява, като дебелината на половината декарбонизиран слой започва постепенно да се увеличава, докато морфологията на пълния декарбонизиран слой напълно изчезва, а морфологията на половината декарбонизиран слой постепенно се изчиства. Вижда се, че дебелината на напълно декарбонизирания слой с повишаване на температурата първо се увеличава, а след това намалява. Причината за това явление се дължи на едновременното окисление и декарбонизация на пробата по време на процеса на нагряване. Феноменът декарбонизация се появява само когато скоростта на декарбонизация е по-висока от скоростта на окисление. В началото на нагряването дебелината на напълно обезвъглеродения слой се увеличава постепенно с повишаване на температурата, докато достигне максималната си стойност. В този момент, за да продължи повишаването на температурата, скоростта на окисление на образеца е по-бърза от скоростта на обезвъглеродяване, което възпрепятства увеличаването на напълно обезвъглеродения слой и води до низходяща тенденция. Вижда се, че в диапазона от 675 ～950 ℃, стойността на дебелината на напълно обезвъглеродения слой при 750 ℃ е най-голяма, а стойността на дебелината на напълно обезвъглеродения слой при 850 ℃ е най-малка, следователно се препоръчва температурата на нагряване на изпитваната стомана да бъде 850 ℃.
Фиг.1 Хистоморфология на обезвъглероден слой от изпитваната стомана, задържан при различни температури на нагряване в продължение на 1 час
В сравнение с полуобезвъглеродения слой, дебелината на напълно обезвъглеродения слой има по-сериозно отрицателно въздействие върху свойствата на материала, като значително намалява механичните свойства на материала, като например намаляване на якостта, твърдостта, износоустойчивостта и границата на умора и др., а също така увеличава чувствителността към пукнатини, което влияе върху качеството на заваряване и т.н. Следователно, контролирането на дебелината на напълно обезвъглеродения слой е от голямо значение за подобряване на производителността на продукта. Фигура 2 показва кривата на изменение на дебелината на напълно обезвъглеродения слой с температурата, която показва по-ясно изменението на дебелината на напълно обезвъглеродения слой. От фигурата може да се види, че дебелината на напълно обезвъглеродения слой е само около 34 μm при 700℃; с повишаване на температурата до 725 ℃, дебелината на напълно обезвъглеродения слой се увеличава значително до 86 μm, което е повече от два пъти по-голямо от дебелината на напълно обезвъглеродения слой при 700 ℃; Когато температурата се повиши до 750 ℃, дебелината на напълно обезвъглеродения слой достига максималната стойност от 120 μm; с повишаването на температурата дебелината на напълно обезвъглеродения слой започва рязко да намалява до 70 μm при 800 ℃ и след това до минималната стойност от около 20 μm при 850 ℃.
Фиг. 2 Дебелина на напълно обезвъглеродения слой при различни температури
Влияние на обезвъглеродяването върху умората при огъване с центрофугиране
За да се изследва влиянието на обезвъглеводоването върху свойствата на умора на пружинната стомана, бяха проведени две групи тестове за умора чрез центрофугиране. Първата група беше директно изпитване за умора без обезвъглеводоване, а втората група беше изпитване за умора след обезвъглеводоване при същото ниво на напрежение (810 MPa), като процесът на обезвъглеводоване беше проведен при 700-850 ℃ в продължение на 1 час. Първата група образци е показана в Таблица 2, която представлява дълготрайността на умора на пружинната стомана.
Устойчивостта на умора на първата група образци е показана в Таблица 2. Както може да се види от Таблица 2, без обезвъглеродяване, изпитваната стомана е била подложена само на 107 цикъла при 810 MPa и не е настъпило счупване; когато нивото на напрежение надвиши 830 MPa, някои от образците започнаха да се счупват; когато нивото на напрежение надвиши 850 MPa, всички образци за умора се счупиха.
Таблица 2 Устойчивост на умора при различни нива на напрежение (без обезвъглеродяване)
За да се определи границата на умора на изпитваната стомана, се използва групов метод и след статистически анализ на данните, границата на умора на изпитваната стомана е около 760 MPa; за да се характеризира дълготрайността на умора на изпитваната стомана при различни напрежения, е нанесена SN кривата, както е показано на Фигура 3. Както може да се види от Фигура 3, различните нива на напрежение съответстват на различна дълготрайност на умора. Когато дълготрайността на умора е 7, съответстваща на броя цикли за 107, което означава, че образецът е преминал през това състояние при тези условия, съответната стойност на напрежението може да се апроксимира като стойност на якостта на умора, т.е. 760 MPa. Може да се види, че S-N кривата е важна за определяне на дълготрайността на умора на материала и има важна референтна стойност.
Фигура 3 SN крива на експериментален тест за умора на стомана при ротационно огъване
Устойчивостта на умора на втората група образци е показана в Таблица 3. Както може да се види от Таблица 3, след като изпитваната стомана е обезвъглеродена при различни температури, броят на циклите очевидно намалява и е повече от 107, като всички образци за умора са напукани, а животът на умора е значително намален. В комбинация с горната дебелина на обезвъглеродения слой и кривата на промяна на температурата, може да се види, че дебелината на обезвъглеродения слой при 750 ℃ е най-голямата, което съответства на най-ниската стойност на живот на умора. Дебелината на обезвъглеродения слой при 850 ℃ е най-малката, което съответства на относително високата стойност на живот на умора. Може да се види, че поведението на обезвъглеродяване значително намалява умората на материала и колкото по-дебел е обезвъглероденият слой, толкова по-нисък е животът на умора.
Таблица 3 Устойчивост на умора при различни температури на обезвъглеродяване (560 MPa)
Морфологията на пукнатините от умора на образеца е наблюдавана чрез сканиращ електронен микроскоп, както е показано на Фиг. 4. Фигура 4(а) показва очевидната дъга на умора на материала, като се определя източникът на умора на материала. На Фигура 4(а) се вижда явна дъга на умора на материала. Според дъгата на умора на материала, за да се определи източникът на умора на материала, може да се види източникът на пукнатината - неметални включвания тип "рибешко око", които лесно причиняват концентрация на напрежение, което води до пукнатини от умора на материала. Фиг. 4(б) показва морфологията на зоната на разширение на пукнатината. Видими са ивици на умора на материала, подобни на реки, които принадлежат към квазидисоциативно разрушаване, като пукнатините се разширяват и в крайна сметка водят до разрушаване. Фигура 4(б) показва морфологията на зоната на разширяване на пукнатината. Видими са ивици на умора на материала, подобни на реки, които принадлежат към квазидисоциативно разрушаване и с непрекъснато разширяване на пукнатините, което в крайна сметка води до разрушаване.
Анализ на фрактури от умора
Фиг.4 SEM морфология на повърхността на уморно разрушаване на експериментална стомана
За да се определи видът на включванията на Фиг. 4, е извършен анализ на състава на енергийния спектър, а резултатите са показани на Фиг. 5. Вижда се, че неметалните включвания са предимно Al2O3 включвания, което показва, че включванията са основният източник на пукнатини, причинени от напукване на включванията.
Фигура 5 Енергийна спектроскопия на неметални включвания
Заключение
(1) Позиционирането на температурата на нагряване на 850 ℃ ще намали дебелината на обезвъглеродения слой, за да се намали ефектът върху устойчивостта на умора.
(2) Границата на умора на изпитваната стомана чрез огъване чрез центрофугиране е 760 MPa.
(3) Тестово напукване на стомана в неметални включвания, главно смес от Al2O3.
(4) обезвъглеродяването сериозно намалява умората на изпитваната стомана, колкото по-дебел е декарбуризационният слой, толкова по-ниска е умората на материала.
Време на публикуване: 21 юни 2024 г.
