Skanningselektronmikroskop ble brukt til å observere utmattingsbruddet og analysere bruddmekanismen. Samtidig ble det utført en spinnbøyningsutmattingstest på de avkullede prøvene ved forskjellige temperaturer for å sammenligne utmattingslevetiden til teststålet med og uten avkulling, og for å analysere effekten av avkulling på utmattingsegenskapene til teststålet. Resultatene viser at på grunn av samtidig oksidasjon og avkulling i oppvarmingsprosessen, viser samspillet mellom de to, noe som resulterer i at tykkelsen på det fullstendig avkullede laget viser en trend med å øke og deretter synke med temperaturøkningen. Tykkelsen på det fullstendig avkullede laget når en maksimumsverdi på 120 μm ved 750 ℃, og tykkelsen på det fullstendig avkullede laget når en minimumsverdi på 20 μm ved 850 ℃, og utmattingsgrensen for teststålet er omtrent 760 MPa, og kilden til utmattingssprekker i teststålet er hovedsakelig ikke-metalliske Al2O3-inneslutninger. Avkullingsatferd reduserer utmattingslevetiden til teststålet betraktelig, noe som påvirker utmattingsegenskapene til teststålet. Jo tykkere avkullingslaget er, desto lavere er utmattingslevetiden. For å redusere virkningen av avkullingslaget på utmattingsegenskapene til teststålet, bør den optimale varmebehandlingstemperaturen for teststålet settes til 850 ℃.
Utstyr er en viktig del av en bilPå grunn av drift ved høy hastighet må den inngripende delen av girflaten ha høy styrke og slitestyrke, og tannroten må ha god bøyetretthetsytelse på grunn av konstant gjentatt belastning for å unngå sprekker som fører til materialbrudd. Forskning viser at avkulling er en viktig faktor som påvirker rotasjonsbøyetretthetsytelsen til metallmaterialer, og rotasjonsbøyetretthetsytelse er en viktig indikator på produktkvalitet, så det er nødvendig å studere avkullingsatferden og rotasjonsbøyetretthetsytelsen til testmaterialet.
I denne artikkelen analyseres de ulike oppvarmingstemperaturene i varmebehandlingsovnen på 20CrMnTi-girståloverflatens avkarboniseringstest. De endrede dybdeforholdene i avkarboniseringslaget til teststålet brukes til å teste stålet med en enkel QBWP-6000J bjelkeutmattingstestmaskin for å teste stålets rotasjonsbøyningsutmattingsevne. Samtidig analyseres virkningen av avkarbonisering på teststålets utmattingsevne i den faktiske produksjonen. Dette forbedrer produksjonsprosessen, forbedrer produktkvaliteten og gir en rimelig referanse. Utmattingsevnen til teststålet bestemmes av spinnbøyningsutmattingstestmaskinen.
1. Testmaterialer og -metoder
Testmateriale for en enhet for å gi 20CrMnTi girstål, den viktigste kjemiske sammensetningen som vist i tabell 1. Avkullingstest: Testmaterialet bearbeides til sylindriske prøver på Ф8 mm × 12 mm, med en blank overflate uten flekker. Varmebehandlingsovnen varmes opp til 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ og 1000 ℃. Prøven holdes i 1 time og luftkjøles deretter til romtemperatur. Etter varmebehandling av prøven ved å sette, slipe og polere, tilsettes 4 % salpetersyrealkoholløsning, og deretter brukes metallurgisk mikroskopi for å observere avkullingslaget på teststålet. Dybden på avkullingslaget måles ved forskjellige temperaturer. Spinnbøyningsutmattingstest: Testmaterialet utfører to grupper av spinnbøyningsutmattingsprøver i henhold til kravene til behandling. Den første gruppen utfører ikke avkullingstest, og den andre gruppen utfører avkullingstest ved forskjellige temperaturer. Ved hjelp av spinnbøyningsutmattingstestmaskinen utføres spinnbøyningsutmattingstesting av de to gruppene teststål, utmattingsgrensen for de to gruppene teststål bestemmes, utmattingslevetiden til de to gruppene teststål sammenlignes, utmattingsbruddobservasjon med skanningselektronmikroskop brukes, årsakene til bruddet i prøven analyseres, og effekten av avkulling på utmattingsegenskapene til teststålet undersøkes.
Tabell 1 Kjemisk sammensetning (massefraksjon) av teststål vekt%
Effekt av oppvarmingstemperatur på avkulling
Morfologien til dekarburiseringsorganiseringen under forskjellige oppvarmingstemperaturer er vist i figur 1. Som det fremgår av figuren, vises det ikke noe dekarburiseringslag på prøveoverflaten når temperaturen er 675 ℃. Når temperaturen stiger til 700 ℃, begynner dekarburiseringslaget på prøveoverflaten å dukke opp for et tynt ferrittdekarburiseringslag. Når temperaturen stiger til 725 ℃, øker tykkelsen på dekarburiseringslaget på prøveoverflaten betydelig. Ved 750 ℃ når dekarburiseringslaget sin maksimale verdi, og på dette tidspunktet er ferrittkornene klarere og grovere. Når temperaturen stiger til 800 ℃, begynner tykkelsen på dekarburiseringslaget å synke betydelig, og tykkelsen faller til halvparten av 750 ℃. Når temperaturen fortsetter å stige til 850 ℃, og dekarburiseringstykkelsen er vist i figur 1. Ved 800 ℃ begynner tykkelsen på det fulle dekarburiseringslaget å synke betydelig, og tykkelsen faller til halvparten av 750 ℃. Når temperaturen fortsetter å stige til 850 ℃ og over, fortsetter tykkelsen på teststålets fulle dekarburiseringslag å synke, og halvparten av dekarburiseringslagets tykkelse begynner gradvis å øke inntil morfologien til det fulle dekarburiseringslaget forsvinner, mens halvparten av dekarburiseringslaget gradvis forsvinner. Det kan sees at tykkelsen på det fulle dekarburiserte laget først øker og deretter reduseres med temperaturøkningen. Årsaken til dette fenomenet er at prøven samtidig oksiderer og dekarburiserer under oppvarmingsprosessen. Først når dekarburiseringshastigheten er raskere enn oksidasjonshastigheten, vil et dekarburiseringsfenomen oppstå. Ved begynnelsen av oppvarmingen øker tykkelsen på det fulle dekarburiserte laget gradvis med temperaturøkningen inntil tykkelsen på det fulle dekarburiserte laget når maksimalverdien. På dette tidspunktet fortsetter temperaturøkningen å fortsette, og prøvens oksidasjonshastighet er raskere enn dekarburiseringshastigheten, noe som hemmer økningen av det fulle dekarburiserte laget, noe som resulterer i en nedadgående trend. Det kan sees at innenfor området 675 ～950 ℃ er verdien av tykkelsen på det fullstendig avkullede laget ved 750 ℃ den største, og verdien av tykkelsen på det fullstendig avkullede laget ved 850 ℃ er den minste. Derfor anbefales oppvarmingstemperaturen til teststålet å være 850 ℃.
Fig. 1 Histomorfologi av avkarbonisert lag av teststål holdt ved forskjellige oppvarmingstemperaturer i 1 time
Sammenlignet med det delvis avkullede laget har tykkelsen på det fullstendig avkullede laget en mer alvorlig negativ innvirkning på materialegenskapene. Det vil redusere materialets mekaniske egenskaper betraktelig, for eksempel redusere styrke, hardhet, slitestyrke og utmattingsgrense, osv., og også øke følsomheten for sprekker, noe som påvirker sveisekvaliteten og så videre. Derfor er det av stor betydning å kontrollere tykkelsen på det fullstendig avkullede laget for å forbedre produktets ytelse. Figur 2 viser variasjonskurven for tykkelsen på det fullstendig avkullede laget med temperaturen, som viser variasjonen i tykkelsen på det fullstendig avkullede laget tydeligere. Det kan sees fra figuren at tykkelsen på det fullstendig avkullede laget bare er omtrent 34 μm ved 700 ℃. Når temperaturen stiger til 725 ℃, øker tykkelsen på det fullstendig avkullede laget betydelig til 86 μm, som er mer enn dobbelt så mye som tykkelsen på det fullstendig avkullede laget ved 700 ℃. Når temperaturen økes til 750 ℃, når tykkelsen på det fullstendig avkullede laget en maksimumsverdi på 120 μm. Etter hvert som temperaturen fortsetter å stige, begynner tykkelsen på det fullstendig avkullede laget å avta kraftig, til 70 μm ved 800 ℃, og deretter til minimumsverdien på omtrent 20 μm ved 850 ℃.
Fig. 2 Tykkelse på fullstendig avkarbonisert lag ved forskjellige temperaturer
Effekt av avkarbonisering på utmattingsytelse i spinnbøying
For å studere effekten av avkulling på utmattingsegenskapene til fjærstål ble det utført to grupper med spinnbøyingutmattingstester. Den første gruppen gjennomførte utmattingstesting direkte uten avkulling, og den andre gruppen gjennomførte utmattingstesting etter avkulling ved samme spenningsnivå (810 MPa), og avkullingsprosessen ble holdt ved 700–850 ℃ i 1 time. Den første gruppen med prøver er vist i tabell 2, som er utmattingslevetiden til fjærstålet.
Utmattingslevetiden til den første gruppen av prøver er vist i tabell 2. Som det fremgår av tabell 2, ble teststålet uten avkulling kun utsatt for 107 sykluser ved 810 MPa, og det oppsto ingen brudd. Da spenningsnivået oversteg 830 MPa, begynte noen av prøvene å sprekke. Da spenningsnivået oversteg 850 MPa, oppsto alle utmattingsprøvene med brudd.
Tabell 2 Utmattingslevetid under forskjellige belastningsnivåer (uten avkulling)
For å bestemme utmattingsgrensen brukes gruppemetoden til å bestemme utmattingsgrensen for teststålet, og etter statistisk analyse av dataene er utmattingsgrensen for teststålet omtrent 760 MPa. For å karakterisere utmattingslevetiden til teststålet under forskjellige belastninger, plottes SN-kurven, som vist i figur 3. Som det fremgår av figur 3, tilsvarer forskjellige spenningsnivåer ulik utmattingslevetid. Når utmattingslevetiden er 7, tilsvarer antall sykluser for 107, noe som betyr at prøven under disse forholdene er gjennom tilstanden, kan den tilsvarende spenningsverdien tilnærmes som utmattingsfasthetsverdien, det vil si 760 MPa. Det kan sees at S-N-kurven er viktig for bestemmelse av materialets utmattingslevetid og har en viktig referanseverdi.
Figur 3 SN-kurve for eksperimentell rotasjonsbøyningsutmattingstest av stål
Utmattingslevetiden for den andre gruppen av prøver er vist i tabell 3. Som det fremgår av tabell 3, reduseres antallet sykluser tydelig etter at teststålet er avkullet ved forskjellige temperaturer, og de er mer enn 107, og alle utmattingsprøvene har brudd, og utmattingslevetiden reduseres kraftig. Kombinert med ovennevnte avkullet lagtykkelse og temperaturendringskurven kan man se, at en avkullet lagtykkelse på 750 ℃ er den største, noe som tilsvarer den laveste verdien for utmattingslevetiden. En avkullet lagtykkelse på 850 ℃ er den minste, noe som tilsvarer en relativt høy utmattingslevetidsverdi. Det kan sees at avkullingsatferden reduserer materialets utmattingsytelse kraftig, og jo tykkere det avkullede laget er, desto lavere er utmattingslevetiden.
Tabell 3 Utmattingslevetid ved forskjellige avkullingstemperaturer (560 MPa)
Utmattingsbruddmorfologien til prøven ble observert med skanningselektronmikroskop, som vist i figur 4. Figur 4(a) for sprekkkildeområdet, figuren kan sees en tydelig utmattingsbue, i henhold til utmattingsbuen for å finne utmattingskilden, kan man se sprekkkilden for "fiskeøye" ikke-metalliske inneslutninger, inneslutninger ved innhold som lett forårsaker spenningskonsentrasjon, noe som resulterer i utmattingssprekker; figur 4(b) for sprekkutvidelsesområdets morfologi, kan man se tydelige utmattingsstriper, med en elvelignende fordeling, som tilhører kvasidissosiativt brudd, med sprekker som utvider seg, noe som til slutt fører til brudd. Figur 4(b) viser morfologien til sprekkutvidelsesområdet, tydelige utmattingsstriper kan sees, i form av elvelignende fordeling, som tilhører kvasidissosiativt brudd, og med kontinuerlig utvidelse av sprekker, noe som til slutt fører til brudd.
Analyse av utmattelsesbrudd
Fig. 4 SEM-morfologi av utmattingsbruddflate av eksperimentelt stål
For å bestemme typen inneslutninger i figur 4 ble det utført en analyse av energispekterets sammensetning, og resultatene er vist i figur 5. Det kan sees at de ikke-metalliske inneslutningene hovedsakelig er Al2O3-inneslutninger, noe som indikerer at inneslutningene er hovedkilden til sprekker forårsaket av sprekker i inneslutningene.
Figur 5 Energispektroskopi av ikke-metalliske inneslutninger
Konkludere
(1) Ved å plassere oppvarmingstemperaturen på 850 ℃ vil tykkelsen på det avkullede laget minimeres, noe som reduserer effekten på utmattingsegenskapene.
(2) Utmattingsgrensen for spinnbøying av teststålet er 760 MPa.
(3) Teststålets sprekker i ikke-metalliske inneslutninger, hovedsakelig Al2O3-blandinger.
(4) Avkulling reduserer utmattingslevetiden til teststålet betraktelig. Jo tykkere avkullingslaget er, desto lavere blir utmattingslevetiden.
Publisert: 21. juni 2024
