Er werd een rasterelektronenmicroscoop gebruikt om de vermoeidheidsbreuk te observeren en het breukmechanisme te analyseren; Tegelijkertijd werd een spinbuigvermoeidheidstest uitgevoerd op de ontkoolde monsters bij verschillende temperaturen om de levensduur van het teststaal met en zonder ontkoling te vergelijken, en om het effect van ontkoling op de vermoeiingsprestaties van het teststaal te analyseren. De resultaten laten zien dat, vanwege het gelijktijdig bestaan van oxidatie en ontkoling in het verwarmingsproces, de interactie tussen de twee, resulterend in de dikte van de volledig ontkoolde laag met de groei van de temperatuur, een trend vertoont van toenemend en vervolgens afnemend. de dikte van de volledig ontkoolde laag bereikt een maximale waarde van 120 μm bij 750 ℃, en de dikte van de volledig ontkoolde laag bereikt een minimumwaarde van 20 μm bij 850 ℃, en de vermoeidheidslimiet van het teststaal is ongeveer 760 MPa, en de bron van vermoeiingsscheuren in het teststaal zijn voornamelijk niet-metalen Al2O3-insluitsels; Het ontkolingsgedrag vermindert de vermoeiingslevensduur van het teststaal aanzienlijk, wat de vermoeiingsprestaties van het teststaal beïnvloedt. Hoe dikker de ontkolingslaag, hoe lager de vermoeiingslevensduur. Om de impact van de ontkolingslaag op de vermoeiingsprestaties van het teststaal te verminderen, moet de optimale warmtebehandelingstemperatuur van het teststaal worden ingesteld op 850 ℃.
Uitrusting is een belangrijk onderdeel van de autoVanwege de werking op hoge snelheid moet het in elkaar grijpende deel van het tandwieloppervlak een hoge sterkte en slijtvastheid hebben, en moet de tandwortel goede buigvermoeidheidsprestaties hebben als gevolg van de constante herhaalde belasting, om scheuren te voorkomen die tot materiaal leiden breuk. Onderzoek toont aan dat ontkoling een belangrijke factor is die de spinbuigvermoeidheidsprestaties van metalen materialen beïnvloedt, en spinbuigvermoeidheidsprestaties zijn een belangrijke indicator voor de productkwaliteit. Daarom is het noodzakelijk om het ontkolingsgedrag en de spinbuigvermoeidheidsprestaties van het testmateriaal te bestuderen.
In dit artikel analyseert de warmtebehandelingsoven op de 20CrMnTi ontkolingstest op het oppervlak van tandwielstaal verschillende verwarmingstemperaturen op de diepte van de ontkolingslaag van het teststaal van de veranderende wet; met behulp van de QBWP-6000J eenvoudige straalvermoeidheidstestmachine op de roterende buigvermoeidheidstest van teststaal, bepaling van de vermoeidheidsprestaties van teststaal, en tegelijkertijd om de impact van ontkoling op de vermoeidheidsprestaties van het teststaal te analyseren om de daadwerkelijke productie te verbeteren het productieproces, de kwaliteit van producten verbeteren en een redelijke referentie bieden. De teststaalmoeheidsprestaties worden bepaald door de spinbuigvermoeidheidstestmachine.
1. Testmaterialen en methoden
Testmateriaal voor een eenheid die 20CrMnTi tandwielstaal levert, de belangrijkste chemische samenstelling zoals weergegeven in Tabel 1. Ontkolingstest: het testmateriaal wordt verwerkt tot cilindrisch monster van Ф8 mm × 12 mm, het oppervlak moet helder zijn zonder vlekken. Warmtebehandelingsovens werden verwarmd tot 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, in het monster en 1 uur vastgehouden, en vervolgens luchtgekoeld tot kamertemperatuur. Na warmtebehandeling van het monster door harden, slijpen en polijsten, met erosie van 4% van de salpeterzuuralcoholoplossing, het gebruik van metallurgische microscopie om de ontkolingslaag van het teststaal te observeren, waarbij de diepte van de ontkolingslaag bij verschillende temperaturen wordt gemeten. Spinbuigvermoeidheidstest: het testmateriaal volgens de vereisten van de verwerking van twee groepen spinbuigvermoeidheidsmonsters, de eerste groep voert geen ontkolingstest uit, de tweede groep ontkolingstest bij verschillende temperaturen. Met behulp van de spinbuigvermoeidheidstestmachine worden de twee groepen teststaal gebruikt voor het testen van spinbuigvermoeidheid, bepaling van de vermoeidheidslimiet van de twee groepen teststaal, vergelijking van de vermoeiingslevensduur van de twee groepen teststaal, het gebruik van scannen elektronenmicroscoop vermoeidheidsbreukwaarneming, analyseer de redenen voor de breuk van het monster, om het effect van ontkoling van de vermoeiingseigenschappen van het teststaal te onderzoeken.
Tabel 1 Chemische samenstelling (massafractie) van proefstaal wt%
Effect van verwarmingstemperatuur op ontkoling
De morfologie van de ontkolingsorganisatie onder verschillende verwarmingstemperaturen wordt getoond in figuur 1. Zoals te zien is in de figuur, verschijnt er bij een temperatuur van 675 ℃ geen ontkolingslaag op het monsteroppervlak; toen de temperatuur steeg tot 700 ℃, begon de ontkolingslaag van het monsteroppervlak te verschijnen, voor de dunne ferrietontkolingslaag; met de temperatuur stijgt tot 725 ℃, nam de dikte van de ontkolingslaag van het monsteroppervlak aanzienlijk toe; De dikte van de ontkolingslaag van 750 ℃ bereikt zijn maximale waarde, op dit moment is de ferrietkorrel helderder en grover; toen de temperatuur steeg tot 800 ℃, begon de dikte van de ontkolingslaag aanzienlijk af te nemen, de dikte daalde tot de helft van de 750 ℃; wanneer de temperatuur blijft stijgen tot 850 ℃ en de dikte van de ontkoling wordt getoond in figuur 1. 800 ℃, begon de dikte van de volledige ontkolingslaag aanzienlijk af te nemen, de dikte daalde tot 750 ℃ toen de helft; wanneer de temperatuur blijft stijgen tot 850 ℃ en hoger, blijft de dikte van de volledige ontkolingslaag van het teststaal afnemen, de dikte van de halve ontkolingslaag begon geleidelijk toe te nemen totdat de morfologie van de volledige ontkolingslaag allemaal verdween, en de morfologie van de halve ontkolingslaag geleidelijk duidelijk werd. Het is te zien dat de dikte van de volledig ontkoolde laag met de temperatuurstijging eerst werd vergroot en vervolgens verkleind. De reden voor dit fenomeen is te wijten aan het monster in het verwarmingsproces en tegelijkertijd het oxidatie- en ontkolingsgedrag, alleen wanneer de ontkolingssnelheid is sneller dan de snelheid van oxidatie. Het ontkolingsfenomeen zal verschijnen. Aan het begin van het verwarmen neemt de dikte van de volledig ontkoolde laag geleidelijk toe met de stijging van de temperatuur totdat de dikte van de volledig ontkoolde laag de maximale waarde bereikt. Om op dit moment de temperatuur te blijven verhogen, is de oxidatiesnelheid van het monster sneller dan de ontkolingssnelheid, die de toename van de volledig ontkoolde laag remt, wat resulteert in een neerwaartse trend. Het is te zien dat, binnen het bereik van 675 ~ 950 ℃, de waarde van de dikte van de volledig ontkoolde laag bij 750 ℃ het grootst is, en de waarde van de dikte van de volledig ontkoolde laag bij 850 ℃ het kleinst is, daarom wordt aanbevolen dat de verwarmingstemperatuur van het teststaal 850 ℃ bedraagt.
Fig.1 Histomorfologie van de ontkoolde laag teststaal, gedurende 1 uur op verschillende verwarmingstemperaturen gehouden
Vergeleken met de semi-ontkoolde laag heeft de dikte van de volledig ontkoolde laag een ernstiger negatief effect op de materiaaleigenschappen. Het zal de mechanische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk verminderen, zoals het verminderen van de sterkte, hardheid, slijtvastheid en vermoeidheidslimiet enz., en verhogen ook de gevoeligheid voor scheuren, wat de kwaliteit van het lassen enzovoort beïnvloedt. Daarom is het controleren van de dikte van de volledig ontkoolde laag van groot belang om de productprestaties te verbeteren. Figuur 2 toont de variatiecurve van de dikte van de volledig ontkoolde laag met de temperatuur, waardoor de variatie van de dikte van de volledig ontkoolde laag duidelijker wordt weergegeven. Uit de figuur blijkt dat de dikte van de volledig ontkoolde laag slechts ongeveer 34 μm bedraagt bij 700 ℃; wanneer de temperatuur stijgt tot 725 ℃, neemt de dikte van de volledig ontkoolde laag aanzienlijk toe tot 86 μm, wat meer is dan twee keer de dikte van de volledig ontkoolde laag bij 700 ℃; wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 750 ℃, bereikt de dikte van de volledig ontkoolde laag. Wanneer de temperatuur stijgt tot 750 ℃, bereikt de dikte van de volledig ontkoolde laag de maximale waarde van 120 μm; naarmate de temperatuur blijft stijgen, begint de dikte van de volledig ontkoolde laag scherp af te nemen, tot 70 μm bij 800℃, en vervolgens tot de minimumwaarde van ongeveer 20μm bij 850℃.
Fig.2 Dikte van volledig ontkoolde laag bij verschillende temperaturen
Effect van ontkoling op vermoeiingsprestaties bij spinbuigen
Om het effect van ontkoling op de vermoeiingseigenschappen van verenstaal te bestuderen, werden twee groepen spinbuigvermoeiingstests uitgevoerd: de eerste groep voerde vermoeiingstests uit direct zonder ontkoling, en de tweede groep voerde vermoeiingstests uit na ontkoling bij dezelfde spanning. niveau (810 MPa), en het ontkolingsproces werd gedurende 1 uur op 700-850 ℃ gehouden. De eerste groep monsters wordt weergegeven in Tabel 2, die de vermoeiingslevensduur van het verenstaal weergeeft.
De vermoeiingslevensduur van de eerste groep monsters wordt weergegeven in Tabel 2. Zoals blijkt uit Tabel 2 werd het teststaal zonder ontkoling slechts onderworpen aan 107 cycli bij 810 MPa, en er trad geen breuk op; toen het spanningsniveau 830 MPa overschreed, begonnen sommige exemplaren te breken; toen het spanningsniveau 850 MPa overschreed, waren de vermoeiingsmonsters allemaal gebroken.
Tabel 2 Vermoeidheidslevensduur onder verschillende belastingsniveaus (zonder ontkoling)
Om de vermoeidheidslimiet te bepalen, wordt de groepsmethode gebruikt om de vermoeidheidslimiet van het teststaal te bepalen, en na statistische analyse van de gegevens is de vermoeidheidslimiet van het teststaal ongeveer 760 MPa; Om de vermoeiingslevensduur van het teststaal onder verschillende spanningen te karakteriseren, wordt de SN-curve uitgezet, zoals weergegeven in figuur 3. Zoals blijkt uit figuur 3 komen verschillende spanningsniveaus overeen met verschillende vermoeiingslevensduur, wanneer de vermoeiingslevensduur van 7 , overeenkomend met het aantal cycli voor 107, wat betekent dat het monster onder deze omstandigheden de staat heeft doorstaan, kan de overeenkomstige spanningswaarde worden benaderd als de waarde van de vermoeiingssterkte, dat wil zeggen 760 MPa. Het is duidelijk dat de S - N-curve belangrijk is voor het bepalen van de vermoeiingslevensduur van het materiaal en een belangrijke referentiewaarde heeft.
Figuur 3 SN-curve van experimentele stalen roterende buigvermoeidheidstest
De levensduur tegen vermoeiing van de tweede groep monsters wordt weergegeven in Tabel 3. Zoals uit Tabel 3 blijkt, wordt, nadat het teststaal bij verschillende temperaturen is ontkoold, het aantal cycli duidelijk verminderd, en zijn deze meer dan 107, en alle de vermoeiingsmonsters zijn gebroken en de levensduur van vermoeiing wordt aanzienlijk verkort. Gecombineerd met de bovenstaande ontkoolde laagdikte waarbij de temperatuurveranderingscurve zichtbaar is, is de ontkoolde laagdikte van 750 ℃ de grootste, wat overeenkomt met de laagste waarde van de vermoeiingslevensduur. 850 ℃ ontkoolde laagdikte is de kleinste, wat overeenkomt met de levensduurwaarde van vermoeidheid is relatief hoog. Het is duidelijk dat het ontkolingsgedrag de vermoeiingsprestaties van het materiaal aanzienlijk vermindert, en hoe dikker de ontkoolde laag, hoe lager de vermoeiingslevensduur.
Tabel 3 Vermoeiingsduur bij verschillende ontkolingstemperaturen (560 MPa)
De morfologie van de vermoeidheidsbreuk van het monster werd waargenomen met een scanning-elektronenmicroscoop, zoals weergegeven in figuur 4. Figuur 4 (a) voor het brongebied van de scheur, in de figuur is een duidelijke vermoeidheidsboog te zien, volgens de vermoeidheidsboog om de bron te vinden van vermoeidheid kan worden gezien als de scheurbron voor de "fish-eye" niet-metalen insluitsels, insluitsels die gemakkelijk spanningsconcentraties kunnen veroorzaken, resulterend in vermoeiingsscheuren; In figuur 4(b) zijn voor de morfologie van het scheuruitbreidingsgebied duidelijke vermoeiingsstrepen te zien, was een rivierachtige verdeling, behoort tot quasi-dissociatieve breuken, waarbij scheuren uitzetten, wat uiteindelijk tot breuk leidt. Figuur 4(b) toont de morfologie van het scheuruitzettingsgebied. Er zijn duidelijke vermoeiingsstrepen te zien, in de vorm van een rivierachtige verdeling, die behoort tot quasi-dissociatieve breuken, en met de voortdurende uitzetting van de scheuren, die uiteindelijk tot breuk leiden. .
Vermoeidheidsbreukanalyse
Fig.4 SEM-morfologie van het vermoeiingsbreukoppervlak van experimenteel staal
Om het type insluitsels in figuur 4 te bepalen, werd een analyse van de samenstelling van het energiespectrum uitgevoerd, en de resultaten worden getoond in figuur 5. Het is te zien dat de niet-metallische insluitsels voornamelijk Al2O3-insluitsels zijn, wat aangeeft dat de insluitsels zijn de belangrijkste bron van scheuren veroorzaakt door het scheuren van insluitsels.
Figuur 5 Energiespectroscopie van niet-metalen insluitsels
Besluiten
(1) Door de verwarmingstemperatuur op 850 ℃ te plaatsen, wordt de dikte van de ontkoolde laag geminimaliseerd om het effect op de vermoeidheidsprestaties te verminderen.
(2) De vermoeidheidslimiet van het spinbuigen van teststaal is 760 MPa.
(3) Het teststaal barst in niet-metalen insluitsels, voornamelijk Al2O3-mengsels.
(4) ontkoling vermindert de vermoeiingslevensduur van het teststaal ernstig, hoe dikker de ontkolingslaag, hoe lager de vermoeiingslevensduur.
Posttijd: 21 juni 2024