Svepelektronmikroskop användes för att observera utmattningsbrottet och analysera brottmekanismen. Samtidigt utfördes ett spinnböjningsutmattningstest på de avkolnade proverna vid olika temperaturer för att jämföra utmattningslivslängden hos teststålet med och utan avkolning, och för att analysera effekten av avkolning på teststålets utmattningsprestanda. Resultaten visar att, på grund av den samtidiga förekomsten av oxidation och avkolning i uppvärmningsprocessen, samspelar de två, vilket resulterar i att tjockleken på det helt avkolnade skiktet visar en trend av ökning och sedan minskning med temperaturökningen. Tjockleken på det helt avkolnade skiktet når ett maximalt värde på 120 μm vid 750 ℃, och tjockleken på det helt avkolnade skiktet når ett minimivärde på 20 μm vid 850 ℃, och utmattningsgränsen för teststålet är cirka 760 MPa, och källan till utmattningssprickor i teststålet är huvudsakligen icke-metalliska Al2O3-inneslutningar. Avkolningsbeteendet minskar utmattningshållfastheten hos teststålet avsevärt, vilket påverkar teststålets utmattningsprestanda. Ju tjockare avkolningsskiktet är, desto lägre blir utmattningshållfastheten. För att minska avkolningsskiktets inverkan på teststålets utmattningsprestanda bör den optimala värmebehandlingstemperaturen för teststålet sättas till 850 ℃.
Växel är en viktig del av en bilPå grund av driften vid hög hastighet måste den ingripande delen av kugghjulsytan ha hög hållfasthet och nötningsbeständighet, och kuggroten måste ha god böjutmattningsprestanda på grund av den konstanta upprepade belastningen, för att undvika sprickor som leder till materialbrott. Forskning visar att avkolning är en viktig faktor som påverkar rotationsböjutmattningsprestanda hos metallmaterial, och rotationsböjutmattningsprestanda är en viktig indikator på produktkvalitet, så det är nödvändigt att studera avkolningsbeteendet och rotationsböjutmattningsprestanda hos testmaterialet.
I denna artikel analyseras olika uppvärmningstemperaturer på testet av 20CrMnTi-kugghjulsståls ytavkolningslager. Avkolningslagerdjupet hos teststålet analyseras med hjälp av den enkla QBWP-6000J-maskinen för utmattning av strålar vid rotationsböjning och bestämning av teststålets utmattningsprestanda. Samtidigt analyseras av avkolningens inverkan på teststålets utmattningsprestanda i den faktiska produktionen. Detta för att förbättra produktionsprocessen, förbättra produktkvaliteten och ge en rimlig referens. Teststålets utmattningsprestanda bestäms med hjälp av maskinen för rotationsböjningsutmattning.
1. Testmaterial och metoder
Testmaterial för en enhet för att ge 20CrMnTi kugghjulsstål, den huvudsakliga kemiska sammansättningen visas i tabell 1. Avkolningstest: Testmaterialet bearbetas till cylindriska prover med diametern Ф8 mm × 12 mm, vars yta ska vara blank och fläckfri. Värmebehandlingsugnen värms upp till 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ och 1000 ℃. Provet hålls i 1 timme och luftkyls sedan till rumstemperatur. Efter värmebehandling av provet genom härdning, slipning och polering, med 4% salpetersyraalkohollösning, används metallurgisk mikroskopi för att observera teststålets avkolningsskikt och mäta djupet av avkolningsskiktet vid olika temperaturer. Spinnböjningsutmattningstest: Testmaterialet utförs enligt kraven för bearbetning av två grupper av spinnböjningsutmattningsprover. Den första gruppen utför inget avkolningstest och den andra gruppen utför avkolningstest vid olika temperaturer. Med hjälp av spinnböjningsutmattningstestmaskinen utförs spinnböjningsutmattningstest av de två grupperna av teststål, utmattningsgränsen för de två grupperna av teststål bestäms, utmattningslivslängden för de två grupperna av teststål jämförs, utmattningsbrott observeras med svepelektronmikroskop, orsakerna till provbrottet analyseras och orsakerna till provbrottet undersöks för att undersöka effekten av avkolning på teststålets utmattningsegenskaper.
Tabell 1 Kemisk sammansättning (massfraktion) av teststål viktprocent
Effekt av uppvärmningstemperatur på avkolning
Morfologin för avkolningsorganisationen under olika uppvärmningstemperaturer visas i figur 1. Som framgår av figuren, när temperaturen är 675 ℃, uppstår inget avkolningsskikt på provytan. När temperaturen stiger till 700 ℃ börjar ett avkolningsskikt på provytan att uppstå för ett tunt ferritavkolningsskikt. När temperaturen stiger till 725 ℃ ökar tjockleken på avkolningsskiktet på provytan avsevärt. Vid 750 ℃ når avkolningsskiktets tjocklek sitt maximala värde, och ferritkornen blir då klarare och grovare. När temperaturen stiger till 800 ℃ börjar avkolningsskiktets tjocklek minska avsevärt, och dess tjocklek minskar till hälften jämfört med 750 ℃. När temperaturen fortsätter att stiga till 850 ℃ och avkolningsskiktets tjocklek minskar, visas i figur 1. Vid 800 ℃ börjar det fullständiga avkolningsskiktets tjocklek minska avsevärt, och dess tjocklek minskar till hälften av 750 ℃. När temperaturen fortsätter att stiga till 850 ℃ och högre, fortsätter tjockleken på teststålets fullständiga avkolningsskikt att minska, och halva avkolningsskiktets tjocklek började gradvis öka tills morfologin för fullständig avkolningsskiktet helt försvann, medan halva avkolningsskiktets morfologi gradvis försvann. Det kan ses att tjockleken på det fullständigt avkolnade skiktet först ökade och sedan minskade med temperaturökningen. Orsaken till detta fenomen beror på att provet samtidigt oxiderar och avkolnar under uppvärmningsprocessen. Först när avkolningshastigheten är snabbare än oxidationshastigheten uppstår ett avkolningsfenomen. I början av uppvärmningen ökar tjockleken på det fullständigt avkolnade skiktet gradvis med temperaturökningen tills tjockleken på det fullständigt avkolnade skiktet når sitt maximala värde. Vid denna tidpunkt fortsätter temperaturökningen att öka, och provets oxidationshastighet är snabbare än avkolningshastigheten, vilket hämmar ökningen av det fullständigt avkolnade skiktet, vilket resulterar i en nedåtgående trend. Det framgår att inom intervallet 675 ～950 ℃ är värdet på tjockleken på det helt avkolnade skiktet vid 750 ℃ det största, och värdet på tjockleken på det helt avkolnade skiktet vid 850 ℃ är det minsta, därför rekommenderas uppvärmningstemperaturen för teststålet att vara 850 ℃.
Fig. 1 Histomorfologi av avkolnat lager av teststål hållet vid olika uppvärmningstemperaturer i 1 timme
Jämfört med det halvavkarburiserade skiktet har tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet en allvarligare negativ inverkan på materialegenskaperna. Det kommer att minska materialets mekaniska egenskaper avsevärt, såsom att minska hållfasthet, hårdhet, slitstyrka och utmattningsgräns, etc., och även öka känsligheten för sprickor, vilket påverkar svetskvaliteten och så vidare. Därför är det av stor betydelse att kontrollera tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet för att förbättra produktens prestanda. Figur 2 visar variationskurvan för tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet med temperaturen, vilket tydligare visar variationen i tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet. Det framgår av figuren att tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet endast är cirka 34 μm vid 700 ℃; med temperaturen som stiger till 725 ℃ ökar tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet avsevärt till 86 μm, vilket är mer än dubbelt så mycket som tjockleken på det helt avkarburiserade skiktet vid 700 ℃. När temperaturen höjs till 750 ℃, når tjockleken på det helt avkarburiserade lagret maxvärdet 120 μm; allt eftersom temperaturen fortsätter att stiga börjar tjockleken på det helt avkarburiserade lagret minska kraftigt, till 70 μm vid 800 ℃, och sedan till minimivärdet på cirka 20 μm vid 850 ℃.
Fig. 2 Tjocklek på helt avkolnat lager vid olika temperaturer
Effekt av avkolning på utmattningsprestanda vid rotationsböjning
För att studera effekten av avkolning på fjäderstålets utmattningsegenskaper utfördes två grupper av rotationsböjningsutmattningstester, den första gruppen utfördes direkt utmattningstest utan avkolning, och den andra gruppen utfördes utmattningstest efter avkolning vid samma spänningsnivå (810 MPa), och avkolningsprocessen hölls vid 700-850 ℃ i 1 timme. Den första gruppen av prover visas i tabell 2, vilket är fjäderstålets utmattningslivslängd.
Utmattningshållfastheten för den första gruppen av prover visas i tabell 2. Som framgår av tabell 2, utsattes teststålet utan avkolning endast för 107 cykler vid 810 MPa, och inget brott uppstod; när spänningsnivån översteg 830 MPa började några av proverna att brottas; när spänningsnivån översteg 850 MPa, brottades alla utmattningsprover.
Tabell 2 Utmattningstid under olika spänningsnivåer (utan avkolning)
För att bestämma utmattningsgränsen används gruppmetoden för att bestämma utmattningsgränsen för teststålet, och efter statistisk analys av data är utmattningsgränsen för teststålet cirka 760 MPa. För att karakterisera teststålets utmattningslivslängd under olika spänningar plottas SN-kurvan, såsom visas i figur 3. Som framgår av figur 3 motsvarar olika spänningsnivåer olika utmattningslivslängder. När utmattningslivslängden är 7, motsvarande antalet cykler för 107, vilket innebär att provet under dessa förhållanden är genom tillståndet, kan motsvarande spänningsvärde approximeras som utmattningshållfasthetsvärdet, det vill säga 760 MPa. Det framgår att S-N-kurvan är viktig för bestämning av materialets utmattningslivslängd och har ett viktigt referensvärde.
Figur 3 SN-kurva för experimentellt rotationsböjningsutmattningstest av stål
Utmattningslivslängden för den andra gruppen av prover visas i tabell 3. Som framgår av tabell 3 minskas antalet cykler tydligt efter att teststålet avkolats vid olika temperaturer, och de är fler än 107, och alla utmattningsprover är brottskadade, vilket minskar utmattningslivslängden kraftigt. I kombination med ovanstående avkolningsskikttjocklek kan man se att temperaturförändringskurvan visar att en avkolningsskikttjocklek på 750 ℃ är den största, vilket motsvarar det lägsta värdet för utmattningslivslängd. En avkolningsskikttjocklek på 850 ℃ är den minsta, vilket motsvarar ett relativt högt utmattningslivslängdsvärde. Det framgår att avkolningsbeteendet minskar materialets utmattningsprestanda kraftigt, och ju tjockare det avkolnade skiktet är, desto lägre blir utmattningslivslängden.
Tabell 3 Utmattningstid vid olika avkolningstemperaturer (560 MPa)
Utmattningsbrottets morfologi observerades med svepelektronmikroskop, såsom visas i figur 4. Figur 4(a) för sprickkällans område, i figuren kan man se en tydlig utmattningsbåge, enligt utmattningsbågen för att hitta utmattningskällan, kan man se sprickkällan för "fisheye"-icke-metalliska inneslutningar, inneslutningar vid platser där spänningskoncentrationen lätt kan orsakas, vilket resulterar i utmattningssprickor; figur 4(b) för sprickutvidgningsområdets morfologi kan man se tydliga utmattningsränder, som har en flodliknande fördelning, vilket tillhör kvasidissociativ spricka, med sprickor som expanderar och så småningom leder till brott. Figur 4(b) visar morfologin för sprickutvidgningsområdet, där tydliga utmattningsränder kan ses, i form av en flodliknande fördelning, vilket tillhör kvasidissociativ spricka, och med kontinuerlig expansion av sprickorna leder det slutligen till brott.
Analys av utmattningsfrakturer
Fig. 4 SEM-morfologi för utmattningsbrottyta hos experimentellt stål
För att bestämma typen av inneslutningar i figur 4 utfördes en energispektrumkompositionsanalys, och resultaten visas i figur 5. Det framgår att de icke-metalliska inneslutningarna huvudsakligen är Al2O3-inneslutningar, vilket indikerar att inneslutningarna är den huvudsakliga källan till sprickor orsakade av att inneslutningarna spricker.
Figur 5 Energispektroskopi av icke-metalliska inneslutningar
Sluta
(1) Genom att placera uppvärmningstemperaturen på 850 ℃ minimeras tjockleken på det avkolnade lagret och minskas effekten på utmattningsprestanda.
(2) Utmattningsgränsen för teststålets spinnböjning är 760 MPa.
(3) Sprickbildning i teststålet i icke-metalliska inneslutningar, huvudsakligen Al2O3-blandningar.
(4) Avkolning minskar utmattningslivslängden hos teststålet avsevärt. Ju tjockare avkolningsskiktet är, desto lägre blir utmattningslivslängden.
Publiceringstid: 21 juni 2024
