Empregouse un microscopio electrónico de varrido para observar a fractura por fatiga e analizar o mecanismo de fractura; ao mesmo tempo, realizouse unha proba de fatiga por flexión por xiro nas probetas descarburadas a diferentes temperaturas para comparar a vida útil á fatiga do aceiro de ensaio con e sen descarburación e para analizar o efecto da descarburación no rendemento á fatiga do aceiro de ensaio. Os resultados mostran que, debido á existencia simultánea de oxidación e descarburación no proceso de quecemento, a interacción entre ambas, que resulta no grosor da capa totalmente descarburada co crecemento da temperatura, mostra unha tendencia de aumento e logo diminución, o grosor da capa totalmente descarburada alcanza un valor máximo de 120 μm a 750 ℃ e o grosor da capa totalmente descarburada alcanza un valor mínimo de 20 μm a 850 ℃, e o límite de fatiga do aceiro de ensaio é duns 760 MPa, e a fonte de fisuras por fatiga no aceiro de ensaio son principalmente inclusións non metálicas de Al2O3; O comportamento de descarburación reduce en gran medida a vida útil á fatiga do aceiro de proba, o que afecta o rendemento á fatiga do aceiro de proba. Canto máis grosa sexa a capa de descarburación, menor será a vida útil á fatiga. Para reducir o impacto da capa de descarburación no rendemento á fatiga do aceiro de proba, a temperatura óptima de tratamento térmico do aceiro de proba debe fixarse en 850 ℃.
A engrenaxe é un compoñente importante do automóbilDebido ao funcionamento a alta velocidade, a parte de engranaxe da superficie da engrenaxe debe ter unha alta resistencia á abrasión e resistencia á resistencia á flexión, e a raíz do dente debe ter un bo rendemento á fatiga por flexión debido á carga repetida constante, para evitar gretas que provoquen a fractura do material. A investigación demostra que a descarburación é un factor importante que afecta o rendemento á fatiga por flexión por rotación dos materiais metálicos, e o rendemento á fatiga por flexión por rotación é un indicador importante da calidade do produto, polo que é necesario estudar o comportamento de descarburación e o rendemento á fatiga por flexión por rotación do material de proba.
Neste artigo, o forno de tratamento térmico na proba de descarburación da superficie do aceiro de engrenaxes 20CrMnTi analizou diferentes temperaturas de quecemento na profundidade da capa de descarburación do aceiro de proba da lei cambiante; usando a máquina de ensaio de fatiga de viga simple QBWP-6000J na proba de fatiga por flexión rotatoria do aceiro de proba, determinou o rendemento da fatiga do aceiro de proba e, ao mesmo tempo, analizou o impacto da descarburación no rendemento da fatiga do aceiro de proba para a produción real para mellorar o proceso de produción, aumentar a calidade dos produtos e proporcionar unha referencia razoable. O rendemento da fatiga do aceiro de proba determínase mediante a máquina de ensaio de fatiga por flexión rotatoria.
1. Materiais e métodos de proba
Material de ensaio para unha unidade para proporcionar aceiro para engrenaxes 20CrMnTi, a composición química principal móstrase na Táboa 1. Ensaio de descarburación: o material de ensaio procésase en probetas cilíndricas de Ф8 mm × 12 mm, a superficie debe ser brillante e sen manchas. O forno de tratamento térmico quéntase a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, introdúcese na probeta e manteña durante 1 h e logo arrefríase ao aire a temperatura ambiente. Despois do tratamento térmico da probeta mediante axuste, esmerilado e pulido, cunha solución de alcohol de ácido nítrico ao 4 % para a erosión, utilizouse microscopía metalúrxica para observar a capa de descarburación do aceiro de ensaio e medirse a profundidade da capa de descarburación a diferentes temperaturas. Ensaio de fatiga por flexión por xiro: o material de ensaio segundo os requisitos do procesamento de dous grupos de probetas de fatiga por flexión por xiro, o primeiro grupo non realiza ensaios de descarburación, o segundo grupo realiza ensaios de descarburación a diferentes temperaturas. Usando a máquina de ensaios de fatiga por flexión por xiro, os dous grupos de aceiro de ensaio para os ensaios de fatiga por flexión por xiro, determinación do límite de fatiga dos dous grupos de aceiro de ensaio, comparación da vida útil á fatiga dos dous grupos de aceiro de ensaio, uso de observación de fracturas por fatiga con microscopio electrónico de varrido, análise das causas da fractura da probeta, para explorar o efecto da descarburación das propiedades de fatiga do aceiro de ensaio.
Táboa 1 Composición química (fracción másica) do aceiro de proba % en peso
Efecto da temperatura de quecemento na descarburación
A morfoloxía da organización da descarburación a diferentes temperaturas de quentamento móstrase na figura 1. Como se pode ver na figura, cando a temperatura é de 675 ℃, a superficie da mostra non aparece unha capa de descarburación; cando a temperatura sobe a 700 ℃, comeza a aparecer a capa de descarburación da superficie da mostra, para a fina capa de descarburación de ferrita; coa temperatura sobe a 725 ℃, o grosor da capa de descarburación da superficie da mostra aumenta significativamente; a 750 ℃, o grosor da capa de descarburación alcanza o seu valor máximo, neste momento, o gran de ferrita é máis claro e groso; cando a temperatura sobe a 800 ℃, o grosor da capa de descarburación comeza a diminuír significativamente, o seu grosor cae á metade dos 750 ℃; cando a temperatura continúa subindo a 850 ℃ e o grosor da descarburación móstrase na figura 1. A 800 ℃, o grosor total da capa de descarburación comeza a diminuír significativamente, o seu grosor cae á metade dos 750 ℃; Cando a temperatura continúa a subir a 850 ℃ e por riba, o grosor da capa de descarburación completa do aceiro de ensaio continúa a diminuír, e a metade do grosor da capa de descarburación comeza a aumentar gradualmente ata que a morfoloxía da capa de descarburación completa desaparece por completo, e a metade da morfoloxía da capa de descarburación se aclara gradualmente. Pódese observar que o grosor da capa totalmente descarburada primeiro aumenta e logo se reduce co aumento da temperatura. A razón deste fenómeno débese a que a mostra no proceso de quecemento ao mesmo tempo se produce o comportamento de oxidación e descarburación. Só cando a velocidade de descarburación é máis rápida que a velocidade de oxidación aparecerá o fenómeno de descarburación. Ao comezo do quecemento, o grosor da capa totalmente descarburada aumenta gradualmente co aumento da temperatura ata que o grosor da capa totalmente descarburada alcanza o valor máximo. Neste momento, ao continuar a subir a temperatura, a velocidade de oxidación da mostra é máis rápida que a velocidade de descarburación, o que inhibe o aumento da capa totalmente descarburada, o que resulta nunha tendencia descendente. Pódese observar que, dentro do rango de 675 a 950 ℃, o valor do grosor da capa totalmente descarburada a 750 ℃ é o maior e o valor do grosor da capa totalmente descarburada a 850 ℃ é o menor, polo que se recomenda que a temperatura de quecemento do aceiro de proba sexa de 850 ℃.
Fig. 1 Histomorfoloxía da capa descarburada de aceiro de proba mantida a diferentes temperaturas de quecemento durante 1 h
En comparación coa capa semidescarburada, o grosor da capa totalmente descarburada ten un impacto negativo máis grave nas propiedades do material, xa que reduce en gran medida as propiedades mecánicas do material, como a redución da resistencia, a dureza, a resistencia ao desgaste e o límite de fatiga, etc., e tamén aumenta a sensibilidade ás fendas, o que afecta á calidade da soldadura, etc. Polo tanto, controlar o grosor da capa totalmente descarburada é de grande importancia para mellorar o rendemento do produto. A figura 2 mostra a curva de variación do grosor da capa totalmente descarburada coa temperatura, que mostra a variación do grosor da capa totalmente descarburada con maior claridade. Pódese ver na figura que o grosor da capa totalmente descarburada é de só uns 34 μm a 700 ℃; coa temperatura que sobe a 725 ℃, o grosor da capa totalmente descarburada aumenta significativamente a 86 μm, o que é máis do dobre do grosor da capa totalmente descarburada a 700 ℃; Cando a temperatura se eleva a 750 ℃, o grosor da capa totalmente descarburada Cando a temperatura aumenta a 750 ℃, o grosor da capa totalmente descarburada alcanza o valor máximo de 120 μm; a medida que a temperatura continúa a aumentar, o grosor da capa totalmente descarburada comeza a diminuír bruscamente, ata 70 μm a 800 ℃ e despois ata o valor mínimo duns 20 μm a 850 ℃.
Fig. 2 Espesor da capa totalmente descarburada a diferentes temperaturas
Efecto da descarburación no rendemento á fatiga na flexión por rotación
Para estudar o efecto da descarburación nas propiedades de fatiga do aceiro para resortes, realizáronse dous grupos de ensaios de fatiga por flexión por xiro: o primeiro grupo realizouse unha ensaio de fatiga directamente sen descarburación e o segundo grupo unha ensaio de fatiga despois da descarburación ao mesmo nivel de tensión (810 MPa), e o proceso de descarburación mantívose a 700-850 ℃ durante 1 h. O primeiro grupo de mostras móstrase na Táboa 2, que mostra a vida útil á fatiga do aceiro para resortes.
A vida útil á fatiga do primeiro grupo de probetas móstrase na Táboa 2. Como se pode ver na Táboa 2, sen descarburación, o aceiro de ensaio só se someteu a 107 ciclos a 810 MPa e non se produciu ningunha fractura; cando o nivel de tensión superou os 830 MPa, algunhas das probetas comezaron a fracturarse; cando o nivel de tensión superou os 850 MPa, todas as probetas de fatiga fracturáronse.
Táboa 2 Vida á fatiga baixo diferentes niveis de tensión (sen descarburación)
Para determinar o límite de fatiga, utilízase o método de grupo para determinar o límite de fatiga do aceiro de ensaio e, despois da análise estatística dos datos, o límite de fatiga do aceiro de ensaio é duns 760 MPa; para caracterizar a vida útil á fatiga do aceiro de ensaio baixo diferentes tensións, represéntase a curva SN, como se mostra na Figura 3. Como se pode ver na Figura 3, os diferentes niveis de tensión correspóndense con diferentes vidas útiles á fatiga. Cando a vida útil á fatiga é de 7, corresponde ao número de ciclos para 107, o que significa que a mostra nestas condicións está a través do estado, o valor de tensión correspondente pódese aproximar como o valor de resistencia á fatiga, é dicir, 760 MPa. Pódese ver que a curva S-N é importante para determinar a vida útil á fatiga do material e ten un valor de referencia importante.
Figura 3 Curva SN da proba experimental de fatiga por flexión rotatoria do aceiro
A vida útil á fatiga do segundo grupo de probetas móstrase na Táboa 3. Como se pode observar na Táboa 3, despois de descarburar o aceiro de ensaio a diferentes temperaturas, o número de ciclos redúcese obviamente, e son superiores a 107, e todas as probetas de fatiga fractúranse, e a vida útil á fatiga redúcese considerablemente. En combinación co grosor da capa descarburada anterior coa curva de cambio de temperatura, pódese ver que o grosor da capa descarburada a 750 ℃ é o maior, o que corresponde ao valor máis baixo de vida útil á fatiga. O grosor da capa descarburada a 850 ℃ é o menor, o que corresponde a un valor de vida útil á fatiga relativamente alto. Pódese observar que o comportamento de descarburación reduce considerablemente o rendemento á fatiga do material, e canto máis grosa sexa a capa descarburada, menor será a vida útil á fatiga.
Táboa 3 Vida útil á fatiga a diferentes temperaturas de descarburación (560 MPa)
A morfoloxía da fractura por fatiga da mostra observouse mediante microscopio electrónico de varrido, como se mostra na figura 4. Na figura 4(a) pódese ver a área da fonte da fenda, onde se pode ver un arco de fatiga evidente. Segundo o arco de fatiga para atopar a fonte da fatiga, pódese ver a fonte da fenda para as inclusións non metálicas de "ollo de peixe", as inclusións na concentración de tensión é doada de causar, o que resulta en fendas de fatiga; na figura 4(b) pódese ver a morfoloxía da área de extensión da fenda, onde se poden ver raias de fatiga evidentes, cunha distribución similar a un río, que pertence a unha fractura cuasidisociativa, con fendas que se expanden, o que finalmente leva á fractura. A figura 4(b) mostra a morfoloxía da área de expansión da fenda, onde se poden ver raias de fatiga evidentes, en forma de distribución similar a un río, que pertence a unha fractura cuasidisociativa, e coa expansión continua das fendas, o que finalmente leva á fractura.
Análise de fracturas por fatiga
Fig. 4 Morfoloxía SEB da superficie de fractura por fatiga do aceiro experimental
Para determinar o tipo de inclusións na figura 4, realizouse unha análise da composición do espectro de enerxía, e os resultados móstranse na figura 5. Pódese observar que as inclusións non metálicas son principalmente inclusións de Al2O3, o que indica que as inclusións son a principal fonte de fendas causadas pola fisuración das inclusións.
Figura 5 Espectroscopia de enerxía de inclusións non metálicas
Concluír
(1) Ao situar a temperatura de quecemento a 850 ℃, minimizarase o grosor da capa descarburada para reducir o efecto no rendemento á fatiga.
(2) O límite de fatiga da flexión por xiro do aceiro de ensaio é de 760 MPa.
(3) A proba de fendamento do aceiro en inclusións non metálicas, principalmente mesturas de Al2O3.
(4) A descarburación reduce seriamente a vida útil á fatiga do aceiro de proba; canto máis grosa sexa a capa de descarburación, menor será a vida útil á fatiga.
Data de publicación: 21 de xuño de 2024
