Na pozorovanie únavového lomu a analýzu mechanizmu lomu sa použil skenovací elektrónový mikroskop; súčasne sa na oduhličených vzorkách pri rôznych teplotách vykonal test únavy rotáciou a ohybom, aby sa porovnala únavová životnosť testovanej ocele s oduhličovaním a bez neho a aby sa analyzoval vplyv oduhličovania na únavové vlastnosti testovanej ocele. Výsledky ukazujú, že v dôsledku súčasnej existencie oxidácie a oduhličovania počas procesu ohrevu dochádza k interakcii medzi nimi, čo vedie k tomu, že hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy s rastúcou teplotou vykazuje trend zvyšovania a následného znižovania, pričom hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy dosahuje maximálnu hodnotu 120 μm pri 750 ℃ a hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy dosahuje minimálnu hodnotu 20 μm pri 850 ℃ a medza únavy testovanej ocele je približne 760 MPa a zdrojom únavových trhlín v testovanej oceli sú hlavne nekovové inklúzie Al2O3; Oduhličovanie výrazne znižuje únavovú životnosť testovanej ocele, čo ovplyvňuje únavové vlastnosti testovanej ocele. Čím hrubšia je oduhličovacia vrstva, tým nižšia je únavová životnosť. Aby sa znížil vplyv oduhličovacej vrstvy na únavové vlastnosti testovanej ocele, optimálna teplota tepelného spracovania testovanej ocele by mala byť nastavená na 850 ℃.
Prevodovka je dôležitou súčasťou automobiluVzhľadom na prevádzku pri vysokých rýchlostiach musí mať záberová časť povrchu ozubeného kolesa vysokú pevnosť a odolnosť proti oderu a koreň zuba musí mať dobrý výkon pri ohybovej únave v dôsledku konštantného opakovaného zaťaženia, aby sa predišlo prasklinám, ktoré vedú k lomu materiálu. Výskum ukazuje, že oduhličenie je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim výkonnosť kovových materiálov pri ohybovej únave pri rotácii a výkonnosť pri ohybovej únave pri rotácii je dôležitým ukazovateľom kvality výrobku, preto je potrebné študovať správanie testovaného materiálu pri oduhličení a výkonnosť pri ohybovej únave pri rotácii.
V tejto práci sa skúma vplyv pece na povrchovú dekarburizáciu ozubenej ocele 20CrMnTi na rôzne teploty ohrevu a hĺbku vrstvy dekarburizácie testovanej ocele v závislosti od zákona zmien. Pomocou jednoduchého stroja na skúšku únavy nosníka QBWP-6000J na rotačnú únavovú skúšku ohybom testovanej ocele sa určuje únavová účinnosť testovanej ocele a zároveň sa analyzuje vplyv dekarburizácie na únavovú účinnosť testovanej ocele pre skutočnú výrobu s cieľom zlepšiť výrobný proces, zvýšiť kvalitu výrobkov a poskytnúť primeranú referenciu. Únavová účinnosť testovanej ocele sa určuje pomocou stroja na skúšku únavy ohybom pri rotačnom ohybe.
1. Testovacie materiály a metódy
Skúšobný materiál pre jednotku na výrobu ozubenej ocele 20CrMnTi, hlavné chemické zloženie je uvedené v tabuľke 1. Skúška oduhličovania: Skúšobný materiál sa spracuje na valcovú vzorku s rozmermi Ф8 mm × 12 mm, ktorej povrch by mal byť lesklý a bez škvŕn. Vzorka sa v peci na tepelné spracovanie zahreje na 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ a 1 000 ℃ a nechá sa 1 hodinu chladiť na vzduchu na izbovú teplotu. Po tepelnom spracovaní vzorky, fixácii, brúsení a leštení, sa eróziou 4 % roztokom kyseliny dusičnej v alkohole pozoruje vrstva oduhličovania testovanej ocele pod metalurgickou mikroskopiou a hĺbka vrstvy oduhličovania sa meria pri rôznych teplotách. Skúška únavy rotáciou pri ohybe: testovaný materiál sa spracováva podľa požiadaviek dvoch skupín vzoriek na únavu rotáciou pri ohybe, prvá skupina sa netestuje na oduhličenie a druhá skupina sa testuje na oduhličenie pri rôznych teplotách. Pomocou zariadenia na skúšanie únavy rotáciou pri ohybe sa na dvoch skupinách testovaných ocelí stanoví medza únavy oboch skupín testovaných ocelí, porovná sa únavová životnosť oboch skupín testovaných ocelí, pomocou pozorovania únavového lomu pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu sa analyzujú príčiny lomu vzorky a skúma sa vplyv oduhličenia na únavové vlastnosti testovanej ocele.
Tabuľka 1 Chemické zloženie (hmotnostný zlomok) testovanej ocele, % hmotn.
Vplyv teploty ohrevu na oduhličenie
Morfológia organizácie dekarbonizácie pri rôznych teplotách ohrevu je znázornená na obr. 1. Ako je vidieť z obrázku, pri teplote 675 ℃ sa na povrchu vzorky neobjavuje dekarbonizačná vrstva; pri teplote stúpajúcej na 700 ℃ sa na povrchu vzorky začína objavovať dekarbonizačná vrstva, a to tenká feritová dekarbonizačná vrstva; pri teplote stúpajúcej na 725 ℃ sa hrúbka dekarbonizačnej vrstvy na povrchu vzorky výrazne zvyšuje; pri teplote 750 ℃ dosahuje hrúbka dekarbonizačnej vrstvy svoju maximálnu hodnotu, v tomto čase je feritové zrno číre a hrubšie; pri teplote stúpajúcej na 800 ℃ sa hrúbka dekarbonizačnej vrstvy začína výrazne znižovať a jej hrúbka klesne na polovicu oproti 750 ℃; Keď teplota naďalej stúpa na 850 ℃ a hrúbka dekarbonizácie je znázornená na obr. 1. Pri 800 ℃ sa hrúbka úplnej dekarbonizácie začala výrazne znižovať a jej hrúbka klesla na polovicu na 750 ℃; keď teplota naďalej stúpala na 850 ℃ a viac, hrúbka úplnej dekarbonizácie testovanej ocele sa naďalej znižovala, pričom sa hrúbka polovice dekarbonizácie začala postupne zvyšovať, až kým morfológia úplnej dekarbonizácie úplne nezmizla a morfológia polovice dekarbonizácie sa postupne vyjasnila. Je zrejmé, že hrúbka úplne dekarbonizovanej vrstvy sa so zvyšujúcou sa teplotou najprv zvyšovala a potom znižovala. Dôvodom tohto javu je súčasné oxidačné a dekarbonizačné správanie vzorky počas procesu ohrevu. Fenomén dekarbonizácie sa objaví až vtedy, keď je rýchlosť dekarbonizácie vyššia ako rýchlosť oxidácie. Na začiatku ohrevu sa hrúbka úplne oduhličenenej vrstvy postupne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, až kým hrúbka úplne oduhličenenej vrstvy nedosiahne maximálnu hodnotu. V tomto čase, aby sa teplota ďalej zvyšovala, je rýchlosť oxidácie vzorky rýchlejšia ako rýchlosť oduhličovania, čo brzdí nárast hrúbky úplne oduhličenenej vrstvy a vedie k klesajúcemu trendu. Je zrejmé, že v rozsahu 675 až 950 ℃ je hodnota hrúbky úplne oduhličenenej vrstvy pri 750 ℃ najväčšia a hodnota hrúbky úplne oduhličenenej vrstvy pri 850 ℃ je najmenšia, preto sa odporúča teplota ohrevu testovanej ocele 850 ℃.
Obr. 1 Histomorfológia dekarbonizovanej vrstvy testovanej ocele udržiavanej pri rôznych teplotách ohrevu počas 1 hodiny
V porovnaní s čiastočne oduhličovanou vrstvou má hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy závažnejší negatívny vplyv na vlastnosti materiálu, výrazne znižuje mechanické vlastnosti materiálu, ako je zníženie pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti opotrebovaniu a medze únavy atď., a tiež zvyšuje citlivosť na trhliny, čo ovplyvňuje kvalitu zvárania atď. Preto je regulácia hrúbky úplne oduhličovanej vrstvy veľmi dôležitá pre zlepšenie výkonu výrobku. Obrázok 2 znázorňuje krivku zmeny hrúbky úplne oduhličovanej vrstvy s teplotou, ktorá jasnejšie ukazuje zmenu hrúbky úplne oduhličovanej vrstvy. Z obrázku je vidieť, že hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy je pri 700 ℃ iba približne 34 μm; so zvyšujúcou sa teplotou na 725 ℃ sa hrúbka úplne oduhličovanej vrstvy výrazne zvyšuje na 86 μm, čo je viac ako dvojnásobok hrúbky úplne oduhličovanej vrstvy pri 700 ℃; Keď teplota stúpne na 750 ℃, hrúbka úplne oduhličenenej vrstvy dosiahne maximálnu hodnotu 120 μm; s rastúcou teplotou sa hrúbka úplne oduhličenenej vrstvy začne prudko znižovať, na 70 μm pri 800 ℃ a potom na minimálnu hodnotu približne 20 μm pri 850 ℃.
Obr. 2 Hrúbka úplne oduhličenej vrstvy pri rôznych teplotách
Vplyv oduhličenia na únavové vlastnosti pri ohýbaní rotáciou
Na štúdium vplyvu oduhličenia na únavové vlastnosti pružinovej ocele sa vykonali dve skupiny únavových testov ohybom pri ohýbaní. Prvá skupina zahŕňala únavové testy priamo bez oduhličenia a druhá skupina zahŕňala únavové testy po oduhličení pri rovnakej úrovni napätia (810 MPa) a proces oduhličenia sa udržiaval pri teplote 700 – 850 ℃ počas 1 hodiny. Prvá skupina vzoriek je uvedená v tabuľke 2 a predstavuje únavovú životnosť pružinovej ocele.
Únavová životnosť prvej skupiny vzoriek je uvedená v tabuľke 2. Ako je zrejmé z tabuľky 2, bez dekarbonizácie bola testovaná oceľ vystavená iba 107 cyklom pri 810 MPa a nedošlo k žiadnemu lomu; keď úroveň napätia prekročila 830 MPa, niektoré vzorky sa začali lámať; keď úroveň napätia prekročila 850 MPa, všetky vzorky na únavu sa lámali.
Tabuľka 2 Únavová životnosť pri rôznych úrovniach napätia (bez oduhličenia)
Na stanovenie medze únavy sa používa skupinová metóda a po štatistickej analýze údajov je medza únavy testovanej ocele približne 760 MPa. Na charakterizáciu únavovej životnosti testovanej ocele pri rôznych napätiach sa zostrojí krivka SN, ako je znázornené na obrázku 3. Ako je zrejmé z obrázku 3, rôzne úrovne napätia zodpovedajú rôznej únavovej životnosti. Ak je únavová životnosť 7, čo zodpovedá počtu cyklov 107, čo znamená, že vzorka za týchto podmienok prešla týmto stavom, zodpovedajúca hodnota napätia sa dá aproximovať ako hodnota únavovej pevnosti, teda 760 MPa. Je zrejmé, že krivka S-N je dôležitá pre stanovenie únavovej životnosti materiálu a má dôležitú referenčnú hodnotu.
Obrázok 3 SN krivka experimentálnej skúšky únavy ocele rotačným ohybom
Únavová životnosť druhej skupiny vzoriek je uvedená v tabuľke 3. Ako je zrejmé z tabuľky 3, po dekarbonizácii testovanej ocele pri rôznych teplotách sa počet cyklov zjavne znížil a presiahol 107, pričom všetky únavové vzorky sa rozlomili a únavová životnosť sa výrazne skrátila. V kombinácii s vyššie uvedenou hrúbkou dekarbonizovanej vrstvy a krivkou zmeny teploty je vidieť, že hrúbka dekarbonizovanej vrstvy pri 750 ℃ je najväčšia, čo zodpovedá najnižšej hodnote únavovej životnosti. Hrúbka dekarbonizovanej vrstvy pri 850 ℃ je najmenšia, čo zodpovedá relatívne vysokej hodnote únavovej životnosti. Je zrejmé, že dekarbonizačné správanie výrazne znižuje únavovú odolnosť materiálu a čím je dekarbonizovaná vrstva hrubšia, tým je únavová životnosť nižšia.
Tabuľka 3 Únavová životnosť pri rôznych teplotách oduhličenia (560 MPa)
Morfológia únavového lomu vzorky bola pozorovaná skenovacím elektrónovým mikroskopom, ako je znázornené na obr. 4. Na obrázku 4(a) je možné vidieť zreteľný únavový oblúk, podľa únavového oblúka, aby sa našiel zdroj únavy, je možné vidieť zdroj trhliny pre nekovové inklúzie v tvare „rybieho oka“, inklúzie v miestach s ľahkou koncentráciou napätia, čo vedie k únavovým trhlinám; na obrázku 4(b) je možné vidieť zreteľné únavové pruhy, ich rozloženie pripomínajúce rieku, ktoré patria ku kvázidisociatívnemu lomu, pričom trhliny sa rozširujú a nakoniec vedú k lomu. Obrázok 4(b) znázorňuje morfológiu oblasti rozširovania trhliny, je možné vidieť zreteľné únavové pruhy vo forme rieky, ktoré patria ku kvázidisociatívnemu lomu, a s neustálym rozširovaním trhlín, čo nakoniec vedie k lomu.
Analýza únavového lomu
Obr. 4 SEM morfológia lomovej plochy únavy experimentálnej ocele
Na určenie typu inklúzií na obr. 4 bola vykonaná analýza zloženia energetického spektra a výsledky sú znázornené na obr. 5. Je vidieť, že nekovové inklúzie sú prevažne inklúzie Al2O3, čo naznačuje, že inklúzie sú hlavným zdrojom trhlín spôsobených praskaním inklúzií.
Obrázok 5 Energetická spektroskopia nekovových inklúzií
Záver
(1) Nastavenie teploty ohrevu na 850 ℃ minimalizuje hrúbku oduhličovanej vrstvy, čím sa zníži vplyv na únavové vlastnosti.
(2) Medza únavy testovanej ocele pri ohybe rotáciou je 760 MPa.
(3) Praskanie ocele v teste v nekovových inklúziách, najmä v zmesi Al2O3.
(4) Oduhličovanie výrazne znižuje únavovú životnosť testovanej ocele, čím hrubšia je vrstva oduhličovania, tým nižšia je únavová životnosť.
Čas uverejnenia: 21. júna 2024
