Za opazovanje utrujenostnega loma in analizo mehanizma loma je bil uporabljen vrstični elektronski mikroskop; hkrati je bil na razogljičenih vzorcih pri različnih temperaturah izveden preskus utrujenosti z upogibanjem pri vrtenju, da bi primerjali utrujenostno življenjsko dobo preskusnega jekla z razogljičenjem in brez njega ter analizirali vpliv razogljičenja na odpornost proti utrujenosti preskusnega jekla. Rezultati kažejo, da zaradi sočasnega obstoja oksidacije in razogljičenja med procesom segrevanja obstaja interakcija med njima, kar povzroči, da debelina popolnoma razogljičene plasti z naraščanjem temperature kaže trend povečevanja in nato zmanjševanja, debelina popolnoma razogljičene plasti doseže največjo vrednost 120 μm pri 750 ℃, debelina popolnoma razogljičene plasti pa doseže minimalno vrednost 20 μm pri 850 ℃, meja utrujenosti preskusnega jekla pa je približno 760 MPa, vir utrujenostnih razpok v preskusnem jeklu pa so predvsem nekovinski vključki Al2O3; Razogljičenje močno zmanjša utrujenostno dobo preskusnega jekla, kar vpliva na utrujenostno obstojnost preskusnega jekla. Debelejša kot je razogljičena plast, krajša je utrujenostna dobo. Da bi zmanjšali vpliv razogljičenja na utrujenostno obstojnost preskusnega jekla, je treba optimalno temperaturo toplotne obdelave preskusnega jekla nastaviti na 850 ℃.
Prestava je pomemben sestavni del avtomobilaZaradi delovanja pri visoki hitrosti mora imeti upogibni del zobniške površine visoko trdnost in odpornost proti obrabi, zobna korenina pa mora imeti dobro odpornost proti upogibanju zaradi stalne ponavljajoče se obremenitve, da se preprečijo razpoke, ki vodijo do loma materiala. Raziskave kažejo, da je razogljičenje pomemben dejavnik, ki vpliva na odpornost kovinskih materialov proti vrtenju in upogibanju, odpornost proti vrtenju in upogibanju pa je pomemben kazalnik kakovosti izdelka, zato je treba preučiti obnašanje razogljičenja in odpornost proti vrtenju in upogibanju preskusnega materiala.
V tem članku se analizira vpliv peči za toplotno obdelavo na preskus razogljičenja površine zobniškega jekla 20CrMnTi na spreminjanje zakona globine razogljičenja preskusnega jekla in različne temperature segrevanja; z uporabo preprostega stroja za preskušanje utrujenosti žarka QBWP-6000J na preskus rotacijske upogibne utrujenosti preskusnega jekla se določi utrujenost preskusnega jekla in hkrati analizira vpliv razogljičenja na utrujenost preskusnega jekla za dejansko proizvodnjo, da se izboljša proizvodni proces, poveča kakovost izdelkov in zagotovi razumna referenca. Utrujenost preskusnega jekla se določi z napravo za preskušanje utrujenosti z vrtenjem in upogibanjem.
1. Testni materiali in metode
Preskusni material za enoto za zagotovitev zobniškega jekla 20CrMnTi, glavna kemična sestava je prikazana v tabeli 1. Preskus razogljičenja: preskusni material se obdela v valjast vzorec velikosti Ф8 mm × 12 mm, površina pa mora biti svetla in brez madežev. Peč za toplotno obdelavo se segreje na 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, vzorec se vlije v pečico in se zadrži 1 uro, nato pa se ohladi na zraku na sobno temperaturo. Po toplotni obdelavi vzorca s fiksiranjem, brušenjem in poliranjem ter erozijo s 4 % raztopino dušikove kisline in alkohola se z metalurško mikroskopijo opazuje plast razogljičenja preskusnega jekla, pri čemer se meri globina plasti razogljičenja pri različnih temperaturah. Preskus utrujenosti zaradi vrtenja in upogibanja: preskusni material se obdeluje v skladu z zahtevami za dve skupini vzorcev za utrujenost zaradi vrtenja in upogibanja. Prva skupina ne izvaja preskusa razogljičenja, druga skupina pa preskus razogljičenja pri različnih temperaturah. Z uporabo naprave za preskušanje utrujenosti zaradi vrtenja in upogibanja se dve skupini preskusnih jekel preizkusita z utrujenostjo zaradi vrtenja in upogibanja, določi se meja utrujenosti obeh skupin preskusnih jekel, primerja se utrujenostna življenjska doba obeh skupin preskusnih jekel, se z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa opazuje utrujenostni lom, analizirajo se vzroki loma vzorca in se razišče vpliv razogljičenja na utrujenostne lastnosti preskusnega jekla.
Tabela 1 Kemijska sestava (masni delež) preskusnega jekla, mas. %
Vpliv temperature segrevanja na razogljičenje
Morfologija organizacije razogljičenja pri različnih temperaturah segrevanja je prikazana na sliki 1. Kot je razvidno iz slike, se pri temperaturi 675 ℃ na površini vzorca ne pojavi razogljičena plast; pri temperaturi nad 700 ℃ se začne pojavljati razogljičena plast na površini vzorca, in sicer tanka feritna razogljičena plast; pri temperaturi nad 725 ℃ se debelina razogljičene plasti na površini vzorca znatno poveča; pri 750 ℃ debelina razogljičene plasti doseže svojo največjo vrednost, ko so feritna zrna bolj jasna in groba; pri temperaturi nad 800 ℃ se debelina razogljičene plasti znatno zmanjša in se zmanjša na polovico debeline pri 750 ℃; Ko temperatura še naprej narašča na 850 ℃ in je debelina razogljičenja prikazana na sliki 1. Pri 800 ℃ se debelina celotne plasti razogljičenja začne znatno zmanjševati, njena debelina pade na polovico na 750 ℃; ko temperatura še naprej narašča na 850 ℃ in več, se debelina celotne plasti razogljičenja preskusnega jekla še naprej zmanjšuje, debelina polovice plasti razogljičenja se postopoma povečuje, dokler morfologija celotne plasti razogljičenja ni povsem izginila, morfologija polovice plasti pa se postopoma izbruhne. Vidimo lahko, da se debelina popolnoma razogljičene plasti z naraščanjem temperature najprej povečuje in nato zmanjšuje. Razlog za ta pojav je v tem, da vzorec med segrevanjem hkrati oksidira in razogljiči. Pojav razogljičenja se pojavi šele, ko je hitrost razogljičenja hitrejša od hitrosti oksidacije. Na začetku segrevanja se debelina popolnoma razogljičene plasti postopoma povečuje z naraščanjem temperature, dokler debelina popolnoma razogljičene plasti ne doseže maksimalne vrednosti. V tem času se temperatura še naprej dviguje, hitrost oksidacije vzorca pa je hitrejša od hitrosti razogljičenja, kar zavira povečanje debeline popolnoma razogljičene plasti in posledično trend upadanja. Vidimo lahko, da je v območju od 675 do 950 ℃ debelina popolnoma razogljičene plasti pri 750 ℃ največja, debelina popolnoma razogljičene plasti pri 850 ℃ pa najmanjša, zato je priporočena temperatura segrevanja preskusnega jekla 850 ℃.
Slika 1 Histomorfologija razogljičene plasti preskusnega jekla, vzdrževane pri različnih temperaturah segrevanja 1 uro
V primerjavi z delno razogljičeno plastjo ima debelina popolnoma razogljičene plasti resnejši negativen vpliv na lastnosti materiala, saj močno zmanjša mehanske lastnosti materiala, kot so zmanjšanje trdnosti, trdote, odpornosti proti obrabi in meje utrujanja itd., ter poveča občutljivost na razpoke, kar vpliva na kakovost varjenja in tako naprej. Zato je nadzor debeline popolnoma razogljičene plasti zelo pomemben za izboljšanje delovanja izdelka. Slika 2 prikazuje krivuljo spremembe debeline popolnoma razogljičene plasti s temperaturo, ki jasneje prikazuje spremembo debeline popolnoma razogljičene plasti. Iz slike je razvidno, da je debelina popolnoma razogljičene plasti pri 700 ℃ le približno 34 μm; ko se temperatura dvigne na 725 ℃, se debelina popolnoma razogljičene plasti znatno poveča na 86 μm, kar je več kot dvakrat več kot debelina popolnoma razogljičene plasti pri 700 ℃; Ko se temperatura dvigne na 750 ℃, debelina popolnoma razogljičene plasti doseže največjo vrednost 120 μm; z nadaljnjim naraščanjem temperature se debelina popolnoma razogljičene plasti začne močno zmanjševati, na 70 μm pri 800 ℃ in nato na minimalno vrednost približno 20 μm pri 850 ℃.
Slika 2 Debelina popolnoma razogljičene plasti pri različnih temperaturah
Vpliv razogljičenja na odpornost proti utrujenosti pri vrtenju in upogibanju
Za preučevanje vpliva razogljičenja na utrujenostne lastnosti vzmetnega jekla sta bili izvedeni dve skupini preskusov utrujenosti z upogibanjem pri vrtenju. Prva skupina je bila preskus utrujenosti neposredno brez razogljičenja, druga skupina pa preskus utrujenosti po razogljičenju pri enaki stopnji napetosti (810 MPa), postopek razogljičenja pa je potekal pri 700–850 ℃ 1 uro. Prva skupina vzorcev je prikazana v tabeli 2, ki predstavlja utrujenostno življenjsko dobo vzmetnega jekla.
Utrujnostna življenjska doba prve skupine vzorcev je prikazana v tabeli 2. Kot je razvidno iz tabele 2, je bilo preskusno jeklo brez razogljičenja izpostavljeno le 107 ciklom pri 810 MPa, pri čemer ni prišlo do loma; ko je raven napetosti presegla 830 MPa, so se nekateri vzorci začeli lomiti; ko je raven napetosti presegla 850 MPa, so se vsi vzorci, odporni na utrujenost, zlomili.
Tabela 2 Utrujajoča življenjska doba pri različnih stopnjah napetosti (brez razogljičenja)
Za določitev meje utrujenosti se uporabi skupinska metoda, po statistični analizi podatkov pa je meja utrujenosti preskusnega jekla približno 760 MPa. Za karakterizacijo utrujenostne življenjske dobe preskusnega jekla pri različnih napetostih se nariše krivulja SN, kot je prikazano na sliki 3. Kot je razvidno iz slike 3, različne stopnje napetosti ustrezajo različni utrujenostni življenjski dobi. Ko je utrujenostna življenjska doba 7, kar ustreza številu ciklov 107, kar pomeni, da je vzorec v teh pogojih v takšnem stanju, se lahko ustrezna vrednost napetosti približa vrednosti utrujenostne trdnosti, to je 760 MPa. Vidimo lahko, da je krivulja S-N pomembna za določanje utrujenostne življenjske dobe materiala in ima pomembno referenčno vrednost.
Slika 3 SN krivulja eksperimentalnega preskusa upogibne utrujenosti jekla pri rotaciji
Utrujenostna življenjska doba druge skupine vzorcev je prikazana v tabeli 3. Kot je razvidno iz tabele 3, se po razogljičenju preskusnega jekla pri različnih temperaturah število ciklov očitno zmanjša in preseže 107, vsi vzorci, izpostavljeni utrujenosti, pa se življenjska doba močno zmanjša. V kombinaciji z zgornjo debelino razogljičene plasti in krivuljo temperaturnih sprememb je razvidno, da je debelina razogljičene plasti pri 750 ℃ največja, kar ustreza najnižji vrednosti utrujenostne življenjske dobe. Debelina razogljičene plasti pri 850 ℃ je najmanjša, kar ustreza relativno visoki vrednosti utrujenostne življenjske dobe. Vidimo lahko, da razogljičenje močno zmanjša utrujenost materiala, in debelejša kot je razogljičena plast, krajša je utrujenostna življenjska doba.
Tabela 3 Utrujajoča življenjska doba pri različnih temperaturah razogljičenja (560 MPa)
Morfologija utrujenostnega loma vzorca je bila opazovana z vrstičnim elektronskim mikroskopom, kot je prikazano na sliki 4. Na sliki 4(a) je za območje vira razpoke viden očiten lok utrujenosti, glede na lok utrujenosti, da se poišče vir utrujenosti, je mogoče videti vir razpoke za nekovinske vključke v obliki "ribjega očesa", vključke na mestih, kjer je lahko koncentracija napetosti, kar povzroči utrujenostne razpoke; na sliki 4(b) je za morfologijo območja razširitve razpoke mogoče videti očitne proge utrujenosti, ki so podobne reki in pripadajo kvazidisociativnemu lomu, pri čemer se razpoke širijo in sčasoma vodijo do zloma. Slika 4(b) prikazuje morfologijo območja širitve razpoke, vidne so očitne proge utrujenosti v obliki reke in pripadajo kvazidisociativnemu lomu, pri čemer se razpoke nenehno širijo in sčasoma vodijo do zloma.
Analiza utrujenostnega zloma
Slika 4 SEM morfologija površine utrujenostnega loma eksperimentalnega jekla
Za določitev vrste vključkov na sliki 4 je bila izvedena analiza sestave energijskega spektra, rezultati pa so prikazani na sliki 5. Vidimo lahko, da so nekovinski vključki predvsem vključki Al2O3, kar kaže, da so vključki glavni vir razpok, ki jih povzročajo razpoke vključkov.
Slika 5 Energijska spektroskopija nekovinskih vključkov
Zaključek
(1) Nastavitev temperature segrevanja na 850 ℃ bo zmanjšala debelino razogljičene plasti in s tem vpliv na odpornost proti utrujenosti.
(2) Meja utrujanja preskusnega jekla pri vrtenju je 760 MPa.
(3) Preskusno razpokanje jekla v nekovinskih vključkih, predvsem v mešanici Al2O3.
(4) Razogljičenje resno zmanjša utrujenostno dobo preskusnega jekla, debelejša kot je razogljičena plast, krajša je utrujenostna doba.
Čas objave: 21. junij 2024
