Et scanningselektronmikroskop blev brugt til at observere udmattelsesbruddet og analysere brudmekanismen. Samtidig blev der udført en spin-bøjningsudmattelsestest på de afkullede prøver ved forskellige temperaturer for at sammenligne teststålets udmattelseslevetid med og uden afkulning og for at analysere effekten af afkulning på teststålets udmattelsesegenskaber. Resultaterne viser, at på grund af den samtidige forekomst af oxidation og afkulning i opvarmningsprocessen viser interaktionen mellem de to, hvilket resulterer i, at tykkelsen af det fuldt afkullede lag med temperaturstigningen viser en tendens til at stige og derefter falde. Tykkelsen af det fuldt afkullede lag når en maksimal værdi på 120 μm ved 750 ℃, og tykkelsen af det fuldt afkullede lag når en minimumsværdi på 20 μm ved 850 ℃, og udmattelsesgrænsen for teststålet er omkring 760 MPa, og kilden til udmattelsesrevner i teststålet er primært ikke-metalliske Al2O3-indeslutninger. Afkulningsadfærd reducerer teststålets udmattelseslevetid betydeligt, hvilket påvirker teststålets udmattelsesegenskaber. Jo tykkere afkulningslaget er, desto lavere er udmattelseslevetiden. For at reducere afkulningslagets påvirkning af teststålets udmattelsesegenskaber, bør den optimale varmebehandlingstemperatur for teststålet indstilles til 850 ℃.
Gear er en vigtig del af en bilPå grund af drift ved høj hastighed skal den indgribende del af gearoverfladen have høj styrke og slidstyrke, og tandroden skal have god bøjningsudmattelsesevne på grund af den konstante gentagne belastning for at undgå revner, der fører til materialebrud. Forskning viser, at afkulning er en vigtig faktor, der påvirker rotationsbøjningsudmattelsesevnen for metalmaterialer, og rotationsbøjningsudmattelsesevnen er en vigtig indikator for produktkvalitet, så det er nødvendigt at studere afkulningsadfærden og rotationsbøjningsudmattelsesevnen for testmaterialet.
I denne artikel analyseres forskellige opvarmningstemperaturer på 20CrMnTi-gearståloverfladen for at kontrollere temperaturændringerne i teststålets dybde af afkulningslaget. Ved hjælp af den simple QBWP-6000J-stråleudmattelsestestmaskine udføres rotationsbøjningsudmattelsestesten af teststålet for at bestemme teststålets udmattelsesevne og samtidig analysere virkningen af afkulning på teststålets udmattelsesevne i den faktiske produktion for at forbedre produktionsprocessen, forbedre produktkvaliteten og give en rimelig reference. Teststålets udmattelsesevne bestemmes af spinbøjningsudmattelsestestmaskinen.
1. Testmaterialer og -metoder
Testmateriale til en enhed til at levere 20CrMnTi gearstål, den primære kemiske sammensætning er vist i tabel 1. Afkulningstest: Testmaterialet forarbejdes til cylindriske prøver på Ф8 mm × 12 mm, hvis overflade skal være blank uden pletter. Varmebehandlingsovnen opvarmes til 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃. Prøven holdes i 1 time og luftkøles derefter til stuetemperatur. Efter varmebehandling af prøven ved hjælp af hærdning, slibning og polering, erosion med 4% salpetersyrealkoholopløsning, anvendes metallurgisk mikroskopi til at observere teststålets afkulningslag og måle dybden af afkulningslaget ved forskellige temperaturer. Spinbøjningstræthedstest: Testmaterialet udføres i henhold til kravene til behandling af to grupper af spinbøjningstræthedsprøver. Den første gruppe udfører ikke afkulningstest, og den anden gruppe udfører afkulningstest ved forskellige temperaturer. Ved hjælp af spinbøjningstræthedstestmaskinen udføres spinbøjningstræthedstest af de to grupper teststål, udmattelsesgrænsen for de to grupper teststål bestemmes, udmattelseslevetiden for de to grupper teststål sammenlignes, udmattelsesbrud observeres ved hjælp af scanningselektronmikroskop, årsagerne til prøvens brud analyseres og effekten af afkulning på teststålets udmattelsesegenskaber undersøges.
Tabel 1 Kemisk sammensætning (massefraktion) af teststål vægt%
Effekt af opvarmningstemperatur på afkulning
Morfologien af dekarburiseringsorganiseringen under forskellige opvarmningstemperaturer er vist i figur 1. Som det kan ses af figuren, viser prøveoverfladen sig ikke noget dekarburiseringslag, når temperaturen er 675 ℃. Når temperaturen stiger til 700 ℃, begynder prøveoverfladen at vise sig et dekarburiseringslag for et tyndt ferritdekarburiseringslag. Når temperaturen stiger til 725 ℃, øges prøveoverfladens dekarburiseringslagtykkelse betydeligt. Ved 750 ℃ når dekarburiseringslagets tykkelse sin maksimale værdi, og på dette tidspunkt er ferritkornene mere klare og grove. Når temperaturen stiger til 800 ℃, begynder dekarburiseringslagets tykkelse at falde betydeligt, og tykkelsen falder til halvdelen af 750 ℃. Når temperaturen fortsætter med at stige til 850 ℃, og dekarburiseringslagets tykkelse er vist i figur 1. Ved 800 ℃ begynder den fulde dekarburiseringslagtykkelse at falde betydeligt, og tykkelsen falder til halvdelen af 750 ℃. Når temperaturen fortsætter med at stige til 850 ℃ og derover, fortsætter tykkelsen af teststålets fulde dekarburiseringslag med at falde, halvdelen af dekarburiseringslagets tykkelse begyndte gradvist at stige, indtil morfologien af det fulde dekarburiseringslag helt forsvandt, mens halvdelen af dekarburiseringslagets morfologi gradvist forsvandt. Det kan ses, at tykkelsen af det fuldt dekarburiserede lag først øgedes og derefter reduceredes med temperaturstigningen. Årsagen til dette fænomen skyldes prøvens samtidige oxidations- og dekarburiseringsadfærd under opvarmningsprocessen. Først når dekarburiseringshastigheden er hurtigere end oxidationshastigheden, vil der opstå et dekarburiseringsfænomen. Ved begyndelsen af opvarmningen øges tykkelsen af det fuldt dekarburiserede lag gradvist med temperaturstigningen, indtil tykkelsen af det fuldt dekarburiserede lag når den maksimale værdi. På dette tidspunkt fortsætter temperaturstigningen, og prøvens oxidationshastighed er hurtigere end dekarburiseringshastigheden, hvilket hæmmer stigningen i det fuldt dekarburiserede lag, hvilket resulterer i en nedadgående tendens. Det kan ses, at inden for området 675 ～950 ℃ er værdien af tykkelsen af det fuldt afkullede lag ved 750 ℃ den største, og værdien af tykkelsen af det fuldt afkullede lag ved 850 ℃ er den mindste, derfor anbefales opvarmningstemperaturen for teststålet at være 850 ℃.
Fig. 1 Histomorfologi af det afkullede lag af teststål holdt ved forskellige opvarmningstemperaturer i 1 time
Sammenlignet med det delvist afkullede lag har tykkelsen af det fuldt afkullede lag en mere alvorlig negativ indvirkning på materialeegenskaberne. Det vil i høj grad reducere materialets mekaniske egenskaber, såsom reduktion af styrke, hårdhed, slidstyrke og udmattelsesgrænse osv., og det vil også øge følsomheden over for revner, hvilket påvirker svejsekvaliteten osv. Derfor er det af stor betydning at kontrollere tykkelsen af det fuldt afkullede lag for at forbedre produktets ydeevne. Figur 2 viser variationskurven for tykkelsen af det fuldt afkullede lag med temperaturen, hvilket tydeligere viser variationen af tykkelsen af det fuldt afkullede lag. Det kan ses ud fra figuren, at tykkelsen af det fuldt afkullede lag kun er omkring 34 μm ved 700 ℃; med temperaturen stigende til 725 ℃ øges tykkelsen af det fuldt afkullede lag betydeligt til 86 μm, hvilket er mere end dobbelt så meget som tykkelsen af det fuldt afkullede lag ved 700 ℃. Når temperaturen hæves til 750 ℃, når tykkelsen af det fuldt afkullede lag. Når temperaturen stiger til 750 ℃, når tykkelsen af det fuldt afkullede lag den maksimale værdi på 120 μm; efterhånden som temperaturen fortsætter med at stige, begynder tykkelsen af det fuldt afkullede lag at falde kraftigt, til 70 μm ved 800 ℃ og derefter til minimumsværdien på omkring 20 μm ved 850 ℃.
Fig. 2 Tykkelse af fuldt afkullet lag ved forskellige temperaturer
Effekt af afkulning på udmattelsesevne ved spinbøjning
For at undersøge effekten af afkulning på fjederstålets udmattelsesegenskaber blev der udført to grupper af spin-bøjningsudmattelsestests. Den første gruppe blev udført direkte udmattelsestest uden afkulning, og den anden gruppe blev udført udmattelsestest efter afkulning ved samme spændingsniveau (810 MPa), og afkulningsprocessen blev holdt ved 700-850 ℃ i 1 time. Den første gruppe af prøver er vist i tabel 2, som viser fjederstålets udmattelseslevetid.
Udmattelseslevetiden for den første gruppe af prøver er vist i tabel 2. Som det fremgår af tabel 2, blev teststålet uden afkulning kun udsat for 107 cyklusser ved 810 MPa, og der forekom ingen brud; da spændingsniveauet oversteg 830 MPa, begyndte nogle af prøverne at brække; da spændingsniveauet oversteg 850 MPa, brækkede alle udmattelsesprøverne.
Tabel 2 Udmattelseslevetid under forskellige belastningsniveauer (uden afkulning)
For at bestemme udmattelsesgrænsen anvendes gruppemetoden til at bestemme udmattelsesgrænsen for teststålet, og efter statistisk analyse af dataene er udmattelsesgrænsen for teststålet omkring 760 MPa. For at karakterisere teststålets udmattelseslevetid under forskellige belastninger er SN-kurven plottet, som vist i figur 3. Som det kan ses i figur 3, svarer forskellige spændingsniveauer til forskellige udmattelseslevetider. Når udmattelseslevetiden er 7, svarer det til antallet af cyklusser på 107, hvilket betyder, at prøven under disse forhold er igennem tilstanden, kan den tilsvarende spændingsværdi tilnærmes som udmattelsesstyrkeværdien, det vil sige 760 MPa. Det kan ses, at S-N-kurven er vigtig for bestemmelsen af materialets udmattelseslevetid og har en vigtig referenceværdi.
Figur 3 SN-kurve for eksperimentel rotationsbøjningsudmattelsestest af stål
Udmattelseslevetiden for den anden gruppe af prøver er vist i tabel 3. Som det kan ses i tabel 3, reduceres antallet af cyklusser tydeligt efter afkulning af teststålet ved forskellige temperaturer, og de er mere end 107, og alle udmattelsesprøverne er brækkede, og udmattelseslevetiden reduceres betydeligt. Kombineret med ovenstående afkulningslagtykkelse kan det ses med temperaturændringskurven, at en afkulningslagtykkelse på 750 ℃ er den største, svarende til den laveste værdi for udmattelseslevetiden. En afkulningslagtykkelse på 850 ℃ er den mindste, svarende til en relativt høj udmattelseslevetidsværdi. Det kan ses, at afkulningsadfærden reducerer materialets udmattelsesegenskaber betydeligt, og jo tykkere det afkulningslag er, desto lavere er udmattelseslevetiden.
Tabel 3 Udmattelseslevetid ved forskellige afkulningstemperaturer (560 MPa)
Prøvens udmattelsesbrudmorfologi blev observeret med et scanningselektronmikroskop, som vist i figur 4. Figur 4(a) for revnekildeområdet, hvor der ses en tydelig udmattelsesbue, og for at finde udmattelseskilden kan man se revnekilden for "fisheye"-ikke-metalliske indeslutninger, hvor indeslutninger let forårsager spændingskoncentrationer, hvilket resulterer i udmattelsesrevner; figur 4(b) for revneudvidelsesområdets morfologi, hvor der ses tydelige udmattelsesstriber, der er flodlignende fordeling, og som tilhører kvasidissociativ brud, hvor revnerne udvider sig og i sidste ende fører til brud. Figur 4(b) viser morfologien af revneudvidelsesområdet, hvor der kan ses tydelige udmattelsesstriber i form af flodlignende fordeling, som tilhører kvasidissociativ brud, og med den kontinuerlige udvidelse af revnerne fører det i sidste ende til brud.
Analyse af træthedsfraktur
Fig. 4 SEM-morfologi af udmattelsesbrudoverfladen af eksperimentelt stål
For at bestemme typen af inklusioner i figur 4 blev der udført en analyse af energispektrumsammensætningen, og resultaterne er vist i figur 5. Det kan ses, at de ikke-metalliske inklusioner hovedsageligt er Al2O3-inklusioner, hvilket indikerer, at inklusionerne er hovedkilden til revner forårsaget af revnedannelse i inklusionerne.
Figur 5 Energispektroskopi af ikke-metalliske inklusioner
Konkluder
(1) Placering af opvarmningstemperaturen på 850 ℃ vil minimere tykkelsen af det afkullede lag og dermed reducere effekten på udmattelsesevnen.
(2) Udmattelsesgrænsen for teststålets spinbøjning er 760 MPa.
(3) Revnedannelse i teststålet i ikke-metalliske indeslutninger, hovedsageligt Al2O3-blandinger.
(4) Afkulning reducerer teststålets udmattelseslevetid betydeligt. Jo tykkere afkulningslaget er, desto lavere er udmattelseslevetiden.
Opslagstidspunkt: 21. juni 2024
