Для спостереження за втомним руйнуванням та аналізу механізму руйнування використовували скануючий електронний мікроскоп; одночасно проводили випробування на втому від обертання згинання на зневуглецьованих зразках за різних температур, щоб порівняти довговічність випробуваної сталі з зневуглецюванням та без нього, а також проаналізувати вплив зневуглецювання на втому випробуваної сталі. Результати показують, що через одночасне існування окислення та зневуглецювання в процесі нагрівання, взаємодія між ними призводить до того, що товщина повністю зневуглецьованого шару з підвищенням температури демонструє тенденцію до збільшення, а потім зменшення, товщина повністю зневуглецьованого шару досягає максимального значення 120 мкм при 750 ℃, а товщина повністю зневуглецьованого шару досягає мінімального значення 20 мкм при 850 ℃, а межа втоми випробуваної сталі становить близько 760 МПа, а джерелом втомних тріщин у випробуваній сталі є переважно неметалеві включення Al2O3; Зневуглецьування значно знижує довговічність випробуваної сталі, впливаючи на її стійкість до втоми. Чим товщий шар зневуглецьування, тим нижча довговічність. Щоб зменшити вплив шару зневуглецьування на стійкість до втоми випробуваної сталі, оптимальну температуру термічної обробки випробуваної сталі слід встановити на рівні 850 ℃.
Шестерня є важливим компонентом автомобіляЧерез роботу на високій швидкості, зачеплена частина поверхні шестерні повинна мати високу міцність та стійкість до стирання, а корінь зуба повинен мати хороші показники втоми при згинанні через постійне повторюване навантаження, щоб уникнути тріщин, які призводять до руйнування матеріалу. Дослідження показують, що зневуглецювання є важливим фактором, що впливає на показники втоми при обертанні металевих матеріалів, а показники втоми при обертанні є важливим показником якості продукції, тому необхідно вивчати поведінку зневуглецювання та показники втоми при обертанні випробуваного матеріалу.
У цій статті проведено аналіз впливу різних температур нагрівання на глибину шару зневуглецювання випробуваної сталі 20CrMnTi за допомогою печі для термічної обробки; проведено аналіз закону зміни глибини шару зневуглецювання випробуваної сталі; за допомогою простої машини для випробування на втому балки QBWP-6000J на випробуваннях на втому при ротаційному згинанні випробуваної сталі було визначено характеристики втоми випробуваної сталі, а також одночасно проаналізовано вплив зневуглецювання на характеристики втоми випробуваної сталі для фактичного виробництва з метою покращення виробничого процесу, підвищення якості продукції та забезпечення обґрунтованого орієнтиру. Характеристики втоми випробуваної сталі визначаються за допомогою машини для випробування на втому обертальним згинанням.
1. Матеріали та методи випробувань
Випробувальний матеріал для агрегату з шестерні 20CrMnTi, основний хімічний склад якого наведено в таблиці 1. Випробування на зневуглецювання: випробуваний матеріал обробляють у циліндричні зразки розміром Ф8 мм × 12 мм, поверхня яких має бути блискучою та без плям. Термообробку проводять у печі до 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, витримують 1 годину, а потім охолоджують на повітрі до кімнатної температури. Після термічної обробки зразка шляхом осадження, шліфування та полірування, ерозії 4% розчином азотної кислоти та спирту, використовують металургійну мікроскопію для спостереження шару зневуглецювання випробуваної сталі, вимірюючи глибину шару зневуглецювання за різних температур. Випробування на втому при обертальному згинанні: випробуваний матеріал обробляється відповідно до вимог двох груп зразків на втому при обертальному згинанні, перша група не проводить випробування на зневуглецювання, друга група проводить випробування на зневуглецювання за різних температур. Використовуючи машину для випробування на втому при обертальному згинанні, дві групи випробуваної сталі піддають випробуванню на втому при обертальному згинанні, визначають межу втоми двох груп випробуваної сталі, порівнюють довговічність двох груп випробуваної сталі, використовують скануючий електронний мікроскоп для спостереження за втомним руйнуванням, аналізують причини руйнування зразка, досліджують вплив зневуглецювання на властивості втоми випробуваної сталі.
Таблиця 1 Хімічний склад (масова частка) досліджуваної сталі, мас.%
Вплив температури нагрівання на зневуглецювання
Морфологію організації зневуглецювання за різних температур нагрівання показано на рис. 1. Як видно з рисунка, при температурі 675 ℃ на поверхні зразка не з'являється шар зневуглецювання; при підвищенні температури до 700 ℃ на поверхні зразка починає з'являтися шар зневуглецювання, тобто тонкий шар зневуглецювання фериту; при підвищенні температури до 725 ℃ товщина шару зневуглецювання на поверхні зразка значно збільшується; при 750 ℃ товщина шару зневуглецювання досягає свого максимального значення, в цей час зерно фериту стає більш чітким і грубим; при підвищенні температури до 800 ℃ товщина шару зневуглецювання починає значно зменшуватися, його товщина зменшується вдвічі менше, ніж при 750 ℃; Коли температура продовжує зростати до 850 ℃, а товщина шару зневуглецювання показано на рис. 1. При 800 ℃ товщина повного шару зневуглецювання починає значно зменшуватися, його товщина падає вдвічі до 750 ℃; коли температура продовжує зростати до 850 ℃ і вище, товщина повного шару зневуглецювання випробуваної сталі продовжує зменшуватися, товщина половинного шару зневуглецювання починає поступово збільшуватися, доки морфологія повного шару зневуглецювання повністю не зникає, а морфологія половинного шару зневуглецювання поступово зникає. Видно, що товщина повністю зневуглецьованого шару зі збільшенням температури спочатку збільшується, а потім зменшується. Причина цього явища полягає в тому, що зразок під час нагрівання одночасно окислюється та зневуглецюється, і явище зневуглецювання з'являється лише тоді, коли швидкість зневуглецювання вища за швидкість окислення. На початку нагрівання товщина повністю зневуглецьованого шару поступово збільшується зі збільшенням температури, доки товщина повністю зневуглецьованого шару не досягне максимального значення. У цей час, з подальшим підвищенням температури, швидкість окислення зразка перевищує швидкість зневуглецювання, що гальмує збільшення товщини повністю зневуглецьованого шару, що призводить до тенденції до зниження. Видно, що в діапазоні 675～950 ℃ значення товщини повністю зневуглецьованого шару при 750 ℃ є найбільшим, а значення товщини повністю зневуглецьованого шару при 850 ℃ є найменшим, тому рекомендована температура нагрівання випробуваної сталі становить 850 ℃.
Рис.1 Гістоморфологія зневуглецьованого шару досліджуваної сталі, витриманого при різних температурах нагрівання протягом 1 години
Порівняно з напівзневуглецьованим шаром, товщина повністю зневуглецьованого шару має серйозніший негативний вплив на властивості матеріалу, значно знижуючи механічні властивості матеріалу, такі як зниження міцності, твердості, зносостійкості та межі втоми тощо, а також підвищуючи чутливість до тріщин, що впливає на якість зварювання тощо. Тому контроль товщини повністю зневуглецьованого шару має велике значення для покращення характеристик виробу. На рисунку 2 показано криву зміни товщини повністю зневуглецьованого шару з температурою, яка чіткіше показує зміну товщини повністю зневуглецьованого шару. З рисунка видно, що товщина повністю зневуглецьованого шару становить лише близько 34 мкм при 700℃; з підвищенням температури до 725℃ товщина повністю зневуглецьованого шару значно збільшується до 86 мкм, що більш ніж удвічі перевищує товщину повністю зневуглецьованого шару при 700℃; Коли температура підвищується до 750 ℃, товщина повністю зневуглецьованого шару. Коли температура підвищується до 750 ℃, товщина повністю зневуглецьованого шару досягає максимального значення 120 мкм; у міру підвищення температури товщина повністю зневуглецьованого шару починає різко зменшуватися до 70 мкм при 800 ℃, а потім до мінімального значення близько 20 мкм при 850 ℃.
Рис.2 Товщина повністю зневуглецьованого шару за різних температур
Вплив зневуглецювання на втомні характеристики при обертальному згинанні
Для вивчення впливу зневуглецювання на втомні властивості пружинної сталі було проведено дві групи випробувань на втому від обертання згином: перша група - випробування на втому безпосередньо без зневуглецювання, а друга група - випробування на втому після зневуглецювання при тому ж рівні напруження (810 МПа), причому процес зневуглецювання проводився при температурі 700-850 ℃ протягом 1 години. Перша група зразків наведена в таблиці 2, яка відображає довговічність пружинної сталі.
Довговічність першої групи зразків наведена в таблиці 2. Як видно з таблиці 2, без зневуглецювання випробувана сталь була піддана лише 107 циклам при 810 МПа, і руйнування не відбулося; коли рівень напруження перевищував 830 МПа, деякі зразки почали руйнуватися; коли рівень напруження перевищував 850 МПа, усі зразки на втому зламалися.
Таблиця 2. Втомна міцність за різних рівнів напруження (без зневуглецювання)
Для визначення межі витоку використовувався груповий метод, і після статистичного аналізу даних межа витоку випробуваної сталі становила близько 760 МПа; для характеристики довговічності випробуваної сталі за різних напружень була побудована крива SN, як показано на рисунку 3. Як видно з рисунка 3, різні рівні напружень відповідають різній довговічності. Коли довговічність становить 7, що відповідає кількості циклів 107, це означає, що зразок за цих умов пройшов цей стан, відповідне значення напруження можна апроксимувати як значення міцності на втому, тобто 760 МПа. Видно, що крива S-N важлива для визначення довговічності матеріалу та має важливе контрольне значення.
Рисунок 3. SN-крива експериментального випробування на втому сталі на обертання при згинанні
Довговічність другої групи зразків наведено в таблиці 3. Як видно з таблиці 3, після зневуглецювання випробуваної сталі за різних температур кількість циклів явно зменшується і перевищує 107, всі зразки зневуглецьовані, що призводить до руйнування, а довговічність значно зменшується. У поєднанні з вищезазначеною товщиною зневуглецьованого шару та кривою зміни температури видно, що товщина зневуглецьованого шару при 750 ℃ є найбільшою, що відповідає найнижчому значенню довговічності. Товщина зневуглецьованого шару при 850 ℃ є найменшою, що відповідає відносно високому значенню довговічності. Видно, що процес зневуглецювання значно знижує стійкість матеріалу до втоми, і чим товщий зневуглецьований шар, тим нижча довговічність.
Таблиця 3. Втомна міцність за різних температур зневуглецювання (560 МПа)
Морфологію втомного руйнування зразка спостерігали за допомогою скануючого електронного мікроскопа, як показано на рис. 4. На рис. 4(a) показано зону джерела тріщини, на рисунку видно явну дугу втоми, відповідно до дуги втоми, щоб знайти джерело втоми, можна побачити джерело тріщини для неметалевих включень типу "риб'яче око", включень у місцях легкої концентрації напружень, що призводить до утворення втомних тріщин; на рис. 4(b) показано морфологію зони розширення тріщини, на якій видно явні смуги втоми у формі річки, що належить до квазідисоціативного руйнування, з розширенням тріщин, що зрештою призводить до руйнування. На рис. 4(b) показано морфологію зони розширення тріщини, на якій видно явні смуги втоми у формі річки, що належить до квазідисоціативного руйнування, з постійним розширенням тріщин, що зрештою призводить до руйнування.
Аналіз руйнування від втоми
Рис.4 Морфологія SEM поверхні втомного руйнування експериментальної сталі
Для визначення типу включень на рис. 4 було проведено аналіз складу енергетичного спектру, результати якого показано на рис. 5. Видно, що неметалеві включення – це переважно включення Al2O3, що вказує на те, що ці включення є основним джерелом тріщин, спричинених розтріскуванням включень.
Рисунок 5. Енергетична спектроскопія неметалевих включень
Висновок
(1) Встановлення температури нагрівання на рівні 850 ℃ мінімізує товщину зневуглецьованого шару, що зменшить вплив на стійкість до втоми.
(2) Межа втоми випробуваної сталі при обертальному згинанні становить 760 МПа.
(3) Випробування на розтріскування сталі у неметалевих включеннях, переважно суміші Al2O3.
(4) зневуглецювання суттєво знижує довговічність випробуваної сталі, чим товщий шар зневуглецювання, тим нижча довговічність.
Час публікації: 21 червня 2024 р.
