Es va utilitzar un microscopi electrònic de rastreig per observar la fractura per fatiga i analitzar el mecanisme de fractura; al mateix temps, es va dur a terme una prova de fatiga per flexió per rotació a les mostres descarburades a diferents temperatures per comparar la vida útil a fatiga de l'acer de prova amb i sense descarburació, i per analitzar l'efecte de la descarburació sobre el rendiment a fatiga de l'acer de prova. Els resultats mostren que, a causa de l'existència simultània d'oxidació i descarburació en el procés d'escalfament, la interacció entre les dues, que resulta en el gruix de la capa completament descarburada amb el creixement de la temperatura, mostra una tendència d'augment i després disminució, el gruix de la capa completament descarburada arriba a un valor màxim de 120 μm a 750 ℃, i el gruix de la capa completament descarburada arriba a un valor mínim de 20 μm a 850 ℃, i el límit de fatiga de l'acer de prova és d'uns 760 MPa, i la font d'esquerdes per fatiga a l'acer de prova són principalment inclusions no metàl·liques d'Al2O3; El comportament de descarburació redueix considerablement la vida útil a fatiga de l'acer de prova, cosa que afecta el rendiment a fatiga de l'acer de prova. Com més gruixuda sigui la capa de descarburació, menor serà la vida útil a fatiga. Per tal de reduir l'impacte de la capa de descarburació sobre el rendiment a fatiga de l'acer de prova, la temperatura òptima de tractament tèrmic de l'acer de prova s'ha d'establir a 850 ℃.
L'engranatge és un component important de l'automòbilA causa del funcionament a alta velocitat, la part d'engranatge de la superfície de l'engranatge ha de tenir una alta resistència i resistència a l'abrasió, i l'arrel de la dent ha de tenir un bon rendiment de fatiga per flexió a causa de la càrrega repetida constant, per tal d'evitar esquerdes que condueixin a la fractura del material. La investigació mostra que la descarburació és un factor important que afecta el rendiment de fatiga per flexió per rotació dels materials metàl·lics, i el rendiment de fatiga per flexió per rotació és un indicador important de la qualitat del producte, per la qual cosa cal estudiar el comportament de descarburació i el rendiment de fatiga per flexió per rotació del material de prova.
En aquest article, el forn de tractament tèrmic en la prova de descarburació de la superfície d'acer per a engranatges 20CrMnTi, analitza diferents temperatures d'escalfament en la profunditat de la capa de descarburació de l'acer de prova de la llei canviant; utilitzant la màquina d'assaig de fatiga de biga simple QBWP-6000J en la prova de fatiga per flexió rotativa de l'acer de prova, determina el rendiment de fatiga de l'acer de prova i, alhora, analitza l'impacte de la descarburació en el rendiment de fatiga de l'acer de prova per a la producció real per millorar el procés de producció, millorar la qualitat dels productes i proporcionar una referència raonable. El rendiment de fatiga de l'acer de prova es determina mitjançant la màquina d'assaig de fatiga per flexió giratòria.
1. Materials i mètodes de prova
Material de prova per a una unitat per proporcionar acer per a engranatges 20CrMnTi, la composició química principal es mostra a la Taula 1. Prova de descarburació: el material de prova es processa en una mostra cilíndrica de Ф8 mm × 12 mm, la superfície ha de ser brillant i sense taques. El forn de tractament tèrmic es va escalfar a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, es va introduir a la mostra i es va mantenir durant 1 h, i després es va refredar a l'aire a temperatura ambient. Després del tractament tèrmic de la mostra mitjançant fixació, mòlta i poliment, amb una solució d'alcohol d'àcid nítric al 4% per erosió, es va utilitzar microscòpia metal·lúrgica per observar la capa de descarburació de l'acer de prova, mesurant la profunditat de la capa de descarburació a diferents temperatures. Prova de fatiga per flexió per rotació: el material de prova segons els requisits del processament de dos grups de mostres de fatiga per flexió per rotació, el primer grup no realitza proves de descarburació, el segon grup realitza proves de descarburació a diferents temperatures. Utilitzant la màquina d'assaigs de fatiga per flexió per rotació, els dos grups d'acer de prova per a proves de fatiga per flexió per rotació, determinació del límit de fatiga dels dos grups d'acer de prova, comparació de la vida útil a fatiga dels dos grups d'acer de prova, ús d'observació de fractures per fatiga amb microscopi electrònic d'escombratge, anàlisi de les causes de la fractura de la mostra, per explorar l'efecte de la descarburació de les propietats de fatiga de l'acer de prova.
Taula 1 Composició química (fracció en massa) de l'acer de prova en % en pes
Efecte de la temperatura d'escalfament sobre la descarburació
La morfologia de l'organització de la descarburació sota diferents temperatures d'escalfament es mostra a la figura 1. Com es pot veure a la figura, quan la temperatura és de 675 ℃, la superfície de la mostra no apareix una capa de descarburació; quan la temperatura puja a 700 ℃, la capa de descarburació de la superfície de la mostra comença a aparèixer, per a la capa fina de descarburació de ferrita; amb la temperatura puja a 725 ℃, el gruix de la capa de descarburació de la superfície de la mostra augmenta significativament; a 750 ℃, el gruix de la capa de descarburació arriba al seu valor màxim, en aquest moment, el gra de ferrita és més clar i gruixut; quan la temperatura puja a 800 ℃, el gruix de la capa de descarburació comença a disminuir significativament, el seu gruix cau a la meitat dels 750 ℃; quan la temperatura continua pujant a 850 ℃ i el gruix de la descarburació es mostra a la figura 1. A 800 ℃, el gruix complet de la capa de descarburació comença a disminuir significativament, el seu gruix cau a 750 ℃ quan es redueix a la meitat; Quan la temperatura continua pujant fins a 850 ℃ i superiors, el gruix de la capa de descarburació completa de l'acer de prova continua disminuint, i la meitat del gruix de la capa de descarburació comença a augmentar gradualment fins que la morfologia de la capa de descarburació completa desapareix completament, i la meitat de la morfologia de la capa de descarburació es va aclarint gradualment. Es pot observar que el gruix de la capa completament descarburada amb l'augment de la temperatura primer augmenta i després es redueix. La raó d'aquest fenomen és deguda al comportament d'oxidació i descarburació de la mostra en el procés d'escalfament al mateix temps. Només quan la velocitat de descarburació és més ràpida que la velocitat d'oxidació apareixerà el fenomen de descarburació. Al començament de l'escalfament, el gruix de la capa completament descarburada augmenta gradualment amb l'augment de la temperatura fins que el gruix de la capa completament descarburada arriba al valor màxim. En aquest moment, a mesura que la temperatura continua augmentant, la velocitat d'oxidació de la mostra és més ràpida que la velocitat de descarburació, cosa que inhibeix l'augment de la capa completament descarburada, donant lloc a una tendència a la baixa. Es pot veure que, dins del rang de 675 ～950 ℃, el valor del gruix de la capa completament descarburada a 750 ℃ és el més gran, i el valor del gruix de la capa completament descarburada a 850 ℃ és el més petit, per tant, es recomana que la temperatura d'escalfament de l'acer de prova sigui de 850 ℃.
Fig. 1 Histomorfologia de la capa descarburada d'acer de prova mantinguda a diferents temperatures d'escalfament durant 1 h
En comparació amb la capa semidescarburada, el gruix de la capa totalment descarburada té un impacte negatiu més greu en les propietats del material, ja que reduirà considerablement les propietats mecàniques del material, com ara la reducció de la resistència, la duresa, la resistència al desgast i el límit de fatiga, etc., i també augmentarà la sensibilitat a les esquerdes, cosa que afectarà la qualitat de la soldadura, etc. Per tant, controlar el gruix de la capa totalment descarburada és de gran importància per millorar el rendiment del producte. La figura 2 mostra la corba de variació del gruix de la capa totalment descarburada amb la temperatura, que mostra la variació del gruix de la capa totalment descarburada més clarament. Es pot veure a la figura que el gruix de la capa totalment descarburada és només d'uns 34 μm a 700 ℃; amb la temperatura que puja a 725 ℃, el gruix de la capa totalment descarburada augmenta significativament fins a 86 μm, que és més del doble del gruix de la capa completament descarburada a 700 ℃; Quan la temperatura s'eleva a 750 ℃, el gruix de la capa completament descarburada Quan la temperatura puja a 750 ℃, el gruix de la capa completament descarburada arriba al valor màxim de 120 μm; a mesura que la temperatura continua augmentant, el gruix de la capa completament descarburada comença a disminuir bruscament, fins a 70 μm a 800 ℃, i després fins al valor mínim d'uns 20 μm a 850 ℃.
Fig. 2 Gruix de la capa completament descarburada a diferents temperatures
Efecte de la descarburació sobre el rendiment a fatiga en la flexió per spin
Per tal d'estudiar l'efecte de la descarburació sobre les propietats de fatiga de l'acer per a molles, es van dur a terme dos grups d'assajos de fatiga per flexió per rotació. El primer grup va ser un assaig de fatiga directament sense descarburació, i el segon grup va ser un assaig de fatiga després de la descarburació al mateix nivell d'estrès (810 MPa), i el procés de descarburació es va mantenir a 700-850 ℃ durant 1 h. El primer grup de mostres es mostra a la Taula 2, que és la vida útil a fatiga de l'acer per a molles.
La vida a fatiga del primer grup de mostres es mostra a la Taula 2. Com es pot veure a la Taula 2, sense descarburació, l'acer de prova només es va sotmetre a 107 cicles a 810 MPa i no es va produir cap fractura; quan el nivell d'estrès va superar els 830 MPa, algunes de les mostres van començar a fracturar-se; quan el nivell d'estrès va superar els 850 MPa, totes les mostres de fatiga es van fracturar.
Taula 2 Vida a fatiga sota diferents nivells d'estrès (sense descarburació)
Per determinar el límit de fatiga, s'utilitza el mètode de grup per determinar el límit de fatiga de l'acer de prova, i després de l'anàlisi estadística de les dades, el límit de fatiga de l'acer de prova és d'uns 760 MPa; per caracteritzar la vida útil a fatiga de l'acer de prova sota diferents tensions, es representa la corba SN, tal com es mostra a la Figura 3. Com es pot veure a la Figura 3, diferents nivells d'estrès corresponen a diferents vides útils a fatiga, quan la vida útil a fatiga de 7, corresponent al nombre de cicles per a 107, la qual cosa significa que la mostra en aquestes condicions es troba a través de l'estat, el valor d'estrès corresponent es pot aproximar com el valor de resistència a fatiga, és a dir, 760 MPa. Es pot veure que la corba S-N és important per determinar la vida útil a fatiga del material i té un valor de referència important.
Figura 3 Corba SN de la prova experimental de fatiga per flexió rotativa d'acer
La vida a fatiga del segon grup de mostres es mostra a la Taula 3. Com es pot veure a la Taula 3, després de descarburar l'acer de prova a diferents temperatures, el nombre de cicles es redueix òbviament, i són superiors a 107, i totes les mostres de fatiga es fracturen, i la vida a fatiga es redueix considerablement. Combinat amb el gruix de la capa descarburada anterior amb la corba de canvi de temperatura, es pot veure que el gruix de la capa descarburada a 750 ℃ és el més gran, corresponent al valor més baix de vida a fatiga. El gruix de la capa descarburada a 850 ℃ és el més petit, corresponent a un valor de vida a fatiga relativament alt. Es pot veure que el comportament de descarburació redueix considerablement el rendiment a fatiga del material, i com més gruixuda és la capa descarburada, menor és la vida a fatiga.
Taula 3 Vida a fatiga a diferents temperatures de descarburació (560 MPa)
La morfologia de la fractura per fatiga de la mostra es va observar mitjançant un microscopi electrònic d'escombratge, tal com es mostra a la figura 4. A la figura 4(a) es mostra la zona de l'origen de l'esquerda, on es pot veure un arc de fatiga evident. Segons l'arc de fatiga per trobar la font de fatiga, es pot veure la font de l'esquerda per a les inclusions no metàl·liques "ull de peix", les inclusions són fàcils de causar concentració d'estrès, donant lloc a esquerdes de fatiga; a la figura 4(b) es mostra la morfologia de la zona d'extensió de l'esquerda, on es poden veure ratlles de fatiga evidents, amb una distribució semblant a un riu, que pertany a una fractura quasi dissociativa, amb esquerdes que s'expandeixen i finalment condueixen a la fractura. La figura 4(b) mostra la morfologia de la zona d'expansió de l'esquerda, on es poden veure ratlles de fatiga evidents, en forma de distribució semblant a un riu, que pertany a una fractura quasi dissociativa, i amb l'expansió contínua de les esquerdes, finalment condueix a la fractura.
Anàlisi de fractures per fatiga
Fig. 4 Morfologia SEB de la superfície de fractura per fatiga d'acer experimental
Per determinar el tipus d'inclusions a la figura 4, es va dur a terme una anàlisi de la composició de l'espectre d'energia, i els resultats es mostren a la figura 5. Es pot veure que les inclusions no metàl·liques són principalment inclusions d'Al2O3, cosa que indica que les inclusions són la principal font d'esquerdes causades per l'esquerdament per inclusions.
Figura 5 Espectroscòpia d'energia d'inclusions no metàl·liques
Concloure
(1) Si es posicionen les temperatures d'escalfament a 850 ℃, es minimitzarà el gruix de la capa descarburada per reduir l'efecte sobre el rendiment a fatiga.
(2) El límit de fatiga de la flexió per rotació de l'acer de prova és de 760 MPa.
(3) L'acer de prova s'esquerda en inclusions no metàl·liques, principalment mescles d'Al2O3.
(4) La descarburació redueix seriosament la vida a fatiga de l'acer de prova; com més gruixuda sigui la capa de descarburació, menor serà la vida a fatiga.
Data de publicació: 21 de juny de 2024
