Väsimusmurru jälgimiseks ja purunemismehhanismi analüüsimiseks kasutati skaneerivat elektronmikroskoopi; samal ajal viidi dekarboniseeritud proovidega läbi erinevatel temperatuuridel pöörleva painde väsimuskatse, et võrrelda katseterase väsimuskestvust dekarboniseerimisega ja ilma ning analüüsida dekarboniseerimise mõju katseterase väsimuskäitumisele. Tulemused näitavad, et oksüdeerumise ja dekarboniseerimise samaaegse esinemise tõttu kuumutamisprotsessis näitab nende kahe vastastikmõju, mille tulemuseks on täielikult dekarboniseeritud kihi paksus temperatuuri kasvades, suurenemis- ja vähenemissuundumust. Täielikult dekarboniseeritud kihi paksus saavutab maksimaalse väärtuse 120 μm temperatuuril 750 ℃ ja täielikult dekarboniseeritud kihi paksus saavutab minimaalse väärtuse 20 μm temperatuuril 850 ℃. Katseterase väsimuspiir on umbes 760 MPa ja katseterase väsimuspragude allikaks on peamiselt Al2O3 mittemetallilised sulendid. Dekarboniseerimiskäitumine vähendab oluliselt katseterase väsimuskestusaega, mõjutades katseterase väsimuskäitumist. Mida paksem on dekarboniseerimiskiht, seda madalam on väsimuskestus. Dekarboniseerimiskihi mõju katseterase väsimuskäitumusele vähendamiseks tuleks katseterase optimaalne kuumtöötlustemperatuur seada 850 ℃-ni.
Käik on auto oluline osaSuurel kiirusel töötamise tõttu peab hammasratta pinna hambumisosa olema kõrge tugevuse ja kulumiskindlusega ning hambajuurel peab olema hea paindeväsimuskindlus pideva korduva koormuse tõttu, et vältida pragusid, mis viivad materjali purunemiseni. Uuringud näitavad, et dekarboniseerimine on oluline tegur, mis mõjutab metallmaterjalide pöörleva paindeväsimuskindlust, ja pöörleva paindeväsimuskindlus on toote kvaliteedi oluline näitaja, seega on vaja uurida katsematerjali dekarboniseerimiskäitumist ja pöörleva paindeväsimuskindlust.
Selles töös analüüsitakse 20CrMnTi hammasratta terase pinna dekarboniseerimiskatse kuumtöötlusahju abil erinevate kuumutustemperatuuride mõju katseterase dekarboniseerimiskihi paksusele; QBWP-6000J lihtsa tala väsimuskatse masina abil tehakse katseterase pöördpaindeväsimuskatse, et määrata katseterase väsimusomadusi ja samal ajal analüüsida dekarboniseerimise mõju katseterase väsimusomadustele tegeliku tootmise seisukohast, et parandada tootmisprotsessi, tõsta toodete kvaliteeti ja pakkuda mõistlikku võrdlusalust. Katseterase väsimusomadusi määratakse pöördpaindeväsimuskatse masina abil.
1. Katsematerjalid ja -meetodid
20CrMnTi hammasrattaterase tootmisüksuse katsematerjal, mille peamine keemiline koostis on näidatud tabelis 1. Dekarboniseerimiskatse: katsematerjalist valmistatakse silindriline proov mõõtudega Ф8 mm × 12 mm, mille pind peab olema läikiv ja plekkideta. Kuumtöötlusahju kuumutatakse proovi temperatuurini 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ ja 1000 ℃, hoitakse proove 1 tund ja seejärel jahutatakse õhktemperatuurini. Pärast proovi kuumtöötlemist, lihvimist ja poleerimist 4% lämmastikhappe alkoholilahusega erosiooni teel uuritakse katseterase dekarboniseerimiskihti metallurgilise mikroskoopia abil ja mõõdetakse dekarboniseerimiskihi sügavust erinevatel temperatuuridel. Tsentrifuugimisväsimuskatse: katsematerjali töötlemiseks kasutatakse kahte tsentrifuugimisväsimuskatse proovirühma. Esimese rühmaga ei tehta dekarboniseerimiskatset ja teise rühmaga tehakse dekarboniseerimiskatse erinevatel temperatuuridel. Tsentrifuugimisväsimuskatse masina abil tehakse kahe katseterase rühmaga tsentrifuugimisväsimuskatse, määratakse kahe katseterase rühma väsimuspiir ja võrreldakse kahe katseterase rühma väsimuskestvust. Väsimusmurdude jälgimiseks kasutatakse skaneeriva elektronmikroskoobi, et analüüsida proovi purunemise põhjuseid ja uurida dekarboniseerimise mõju katseterase väsimusomadustele.
Tabel 1. Katseterase keemiline koostis (massifraktsioon) massiprotsentides
Kuumutamistemperatuuri mõju dekarboniseerimisele
Dekarboniseerimisstruktuuri morfoloogia erinevate kuumutustemperatuuride korral on näidatud joonisel 1. Nagu jooniselt näha, ei ilmu temperatuuril 675 ℃ proovi pinnale dekarboniseerimiskihti; kui temperatuur tõuseb 700 ℃-ni, hakkab proovi pinnale ilmuma õhuke ferriidi dekarboniseerimiskiht; temperatuuri tõustes 725 ℃-ni suureneb proovi pinna dekarboniseerimiskihi paksus märkimisväärselt; 750 ℃ juures saavutab dekarboniseerimiskihi paksus oma maksimaalse väärtuse, sel ajal on ferriiditera selgem ja jämedam; kui temperatuur tõuseb 800 ℃-ni, hakkab dekarboniseerimiskihi paksus märkimisväärselt vähenema, selle paksus langeb pooleni 750 ℃-st. Kui temperatuur tõuseb jätkuvalt 850 ℃-ni ja dekarburisatsiooni paksus on näidatud joonisel 1. 800 ℃ juures hakkas täieliku dekarburisatsioonikihi paksus märkimisväärselt vähenema, langedes poole paksuseni 750 ℃-ni; kui temperatuur tõuseb jätkuvalt 850 ℃-ni ja kõrgemale, vähenes katseterase täieliku dekarburisatsioonikihi paksus jätkuvalt, pool dekarburisatsioonikihi paksusest hakkas järk-järgult suurenema, kuni täieliku dekarburisatsioonikihi morfoloogia kadus täielikult ja pool dekarburisatsioonikihi morfoloogia selgines järk-järgult. On näha, et täielikult dekarburisatsioonikihi paksus temperatuuri tõustes esmalt suurenes ja seejärel vähenes. Selle nähtuse põhjuseks on proovi samaaegne oksüdeerumine ja dekarburisatsioon. Dekarburisatsiooninähtus ilmneb ainult siis, kui dekarburisatsioonikiirus on suurem kui oksüdatsioonikiirus. Kuumutamise alguses suureneb täielikult dekarboniseeritud kihi paksus temperatuuri tõustes järk-järgult, kuni täielikult dekarboniseeritud kihi paksus saavutab maksimaalse väärtuse. Temperatuuri jätkuva tõstmise korral on proovi oksüdatsioonikiirus kiirem kui dekarbonisatsioonikiirus, mis pärsib täielikult dekarboniseeritud kihi paksuse suurenemist ja põhjustab langustrendi. On näha, et temperatuurivahemikus 675–950 ℃ on täielikult dekarboniseeritud kihi paksuse väärtus temperatuuril 750 ℃ suurim ja temperatuuril 850 ℃ kõige väiksem. Seetõttu on katseterase soovitatav kuumutustemperatuur 850 ℃.
Joonis 1. Katseterase dekarboniseeritud kihi histomorfoloogia, mida hoiti erinevatel kuumutustemperatuuridel 1 tunni jooksul.
Võrreldes pooleldi dekarbureeritud kihiga on täielikult dekarbureeritud kihi paksusel materjali omadustele tõsisem negatiivne mõju, see vähendab oluliselt materjali mehaanilisi omadusi, näiteks tugevust, kõvadust, kulumiskindlust ja väsimuspiiri jne, ning suurendab ka pragude tundlikkust, mõjutades keevituse kvaliteeti jne. Seetõttu on täielikult dekarbureeritud kihi paksuse kontrollimine toote toimivuse parandamiseks väga oluline. Joonis 2 näitab täielikult dekarbureeritud kihi paksuse varieerumiskõverat temperatuuriga, mis näitab täielikult dekarbureeritud kihi paksuse muutust selgemini. Jooniselt on näha, et täielikult dekarbureeritud kihi paksus on 700 ℃ juures vaid umbes 34 μm; temperatuuri tõustes 725 ℃-ni suureneb täielikult dekarbureeritud kihi paksus märkimisväärselt 86 μm-ni, mis on enam kui kaks korda suurem kui täielikult dekarbureeritud kihi paksus 700 ℃ juures. Kui temperatuur tõuseb 750 ℃-ni, siis täielikult dekarboniseeritud kihi paksus. Kui temperatuur tõuseb 750 ℃-ni, saavutab täielikult dekarboniseeritud kihi paksus maksimaalse väärtuse 120 μm; temperatuuri jätkuva tõusuga hakkab täielikult dekarboniseeritud kihi paksus järsult vähenema, 70 μm-ni temperatuuril 800 ℃ ja seejärel minimaalse väärtuseni umbes 20 μm temperatuuril 850 ℃.
Joonis 2 Täielikult dekarboniseeritud kihi paksus erinevatel temperatuuridel
Dekarboniseerimise mõju väsimuskäitumisele tsentrifuugpainutamisel
Dekarboniseerimise mõju uurimiseks vedruterase väsimusomadustele viidi läbi kaks rühma tsentrifuugimisväsimuskatseid: esimene rühm oli väsimuskatse otse ilma dekarboniseerimiseta ja teine rühm oli väsimuskatse pärast dekarboniseerimist samal pingetasemel (810 MPa), kusjuures dekarboniseerimisprotsessi hoiti temperatuuril 700–850 ℃ 1 tund. Esimese rühma proovid on näidatud tabelis 2, mis näitab vedruterase väsimuseluiga.
Esimese proovide rühma väsimuskindlus on näidatud tabelis 2. Nagu tabelist 2 näha, tehti katseterasele ilma dekarboniseerimiseta vaid 107 tsüklit 810 MPa juures ja purunemist ei toimunud; kui pingetase ületas 830 MPa, hakkasid mõned proovid purunema; kui pingetase ületas 850 MPa, purunesid kõik väsimusproovid.
Tabel 2 Väsimuskindlus erinevate pingetasemete korral (ilma dekarboniseerimiseta)
Väsimuspiiri määramiseks kasutatakse rühmameetodit katseterase väsimuspiiri määramiseks ja pärast andmete statistilist analüüsi on katseterase väsimuspiir umbes 760 MPa; katseterase väsimuseaja iseloomustamiseks erinevate pingete all joonistatakse SN-kõver, nagu on näidatud joonisel 3. Nagu jooniselt 3 näha, vastavad erinevad pingetasemed erinevale väsimusajale. Kui väsimusajaks on 7, vastab tsüklite arv 107, mis tähendab, et proov on nendes tingimustes läbinud oleku, saab vastava pingeväärtuse lähendada väsimustugevuse väärtuseks, st 760 MPa. On näha, et S-N-kõver on oluline materjali väsimuseaja määramisel, millel on oluline võrdlusväärtus.
Joonis 3. Terase pöörleva painde väsimuskatse SN-kõver
Teise rühma proovide väsimuskestus on näidatud tabelis 3. Nagu tabelist 3 näha, on pärast katseterase dekarboniseerimist erinevatel temperatuuridel tsüklite arv märkimisväärselt vähenenud ja ületab 107, kõik väsimusproovid purunevad ja väsimuskestus on oluliselt lühenenud. Koos ülaltoodud dekarboniseeritud kihi paksusega ja temperatuuri muutuse kõveraga on näha, et 750 ℃ dekarboniseeritud kihi paksus on suurim, mis vastab madalaimale väsimuskestuse väärtusele. 850 ℃ dekarboniseeritud kihi paksus on väikseim, mis vastab suhteliselt kõrgele väsimuskestuse väärtusele. On näha, et dekarboniseerimiskäitumine vähendab oluliselt materjali väsimuskestvust ja mida paksem on dekarboniseeritud kiht, seda madalam on väsimuskestus.
Tabel 3 Väsimuskindlus erinevatel dekarboniseerimistemperatuuridel (560 MPa)
Proovi väsimusmurru morfoloogiat vaadeldi skaneeriva elektronmikroskoobi abil, nagu on näidatud joonisel 4. Joonisel 4(a) on prao allika ala puhul näha ilmne väsimuskaar, vastavalt väsimuskaarele väsimusallika leidmiseks on näha prao allikat "kalasilma" mittemetalliliste lisandite jaoks, mis paiknevad kergesti tekitatava pinge kontsentratsiooni juures, mille tulemuseks on väsimuspraod; joonisel 4(b) on prao laienemise ala morfoloogia puhul näha ilmseid väsimustriipe, mis on jõekujulise jaotusega, mis kuulub kvaasidissotsiatiivsele murrule, kus praod laienevad ja viivad lõpuks murruni. Joonisel 4(b) on näidatud prao laienemise ala morfoloogia, kus on näha ilmseid väsimustriipe jõekujulise jaotuse kujul, mis kuulub kvaasidissotsiatiivsele murrule, kus pragude pidev laienemine viib lõpuks murruni.
Väsimusmurru analüüs
Joonis 4. Eksperimentaalse terase väsimusmurru pinna SEM-morfoloogia
Joonisel 4 kujutatud inklusioonide tüübi määramiseks viidi läbi energiaspektri koostise analüüs ja tulemused on näidatud joonisel 5. On näha, et mittemetallilised inklusioonid on peamiselt Al2O3 inklusioonid, mis näitab, et inklusioonid on inklusioonipragunemisest tingitud pragude peamine allikas.
Joonis 5 Mittemetalliliste inklusioonide energiaspektroskoopia
Kokkuvõte
(1) Kuumutamistemperatuuri seadmine 850 ℃-ni vähendab dekarboniseeritud kihi paksust, vähendades seeläbi mõju väsimuskindlusele.
(2) Katseterase tsentrifuugpainde väsimuspiir on 760 MPa.
(3) Katsetatud terase pragunemine mittemetallilistes lisandites, peamiselt Al2O3 segus.
(4) dekarboniseerimine vähendab oluliselt katseterase väsimuse eluiga: mida paksem on dekarboniseerimiskiht, seda lühem on väsimuse eluiga.
Postituse aeg: 21. juuni 2024
