Сканирующий электронный микроскоп использовался для наблюдения усталостного разрушения и анализа механизма разрушения; в то же время на обезуглероженных образцах были проведены испытания на усталость при спиновом изгибе при различных температурах для сравнения усталостной долговечности испытуемой стали с обезуглероживанием и без него, а также для анализа влияния обезуглероживания на усталостные характеристики испытуемой стали. Результаты показывают, что из-за одновременного существования окисления и обезуглероживания в процессе нагрева взаимодействие между ними, в результате чего толщина полностью обезуглероженного слоя с ростом температуры имеет тенденцию к увеличению, а затем к уменьшению. толщина полностью обезуглероженного слоя достигает максимального значения 120 мкм при 750 ℃, а толщина полностью обезуглероженного слоя достигает минимального значения 20 мкм при 850 ℃, а предел выносливости испытуемой стали составляет около 760 МПа, и источником усталостных трещин в исследуемой стали являются преимущественно неметаллические включения Al2O3; Поведение обезуглероживания значительно снижает усталостную долговечность испытательной стали, влияя на усталостные характеристики испытательной стали: чем толще слой обезуглероживания, тем ниже усталостная долговечность. Чтобы уменьшить влияние обезуглероженного слоя на усталостные характеристики испытуемой стали, оптимальная температура термообработки испытуемой стали должна быть установлена на уровне 850 ℃.
Шестерня – важная деталь автомобиляИз-за работы на высокой скорости зацепляющаяся часть поверхности шестерни должна иметь высокую прочность и стойкость к истиранию, а корень зуба должен иметь хорошие усталостные характеристики при изгибе из-за постоянной повторяющейся нагрузки, чтобы избежать трещин, которые приводят к разрушению материала. перелом. Исследования показывают, что обезуглероживание является важным фактором, влияющим на усталостные характеристики металлических материалов при спиновом изгибе, а усталостные характеристики при спиновом изгибе являются важным показателем качества продукции, поэтому необходимо изучить поведение обезуглероживания и усталостные характеристики испытуемого материала при спиновом изгибе.
В этой статье печь для термообработки при испытании на обезуглероживание поверхности зубчатой стали 20CrMnTi анализирует различные температуры нагрева на глубине слоя обезуглероживания испытательной стали по закону изменения; с помощью простой машины для испытания на усталость балки QBWP-6000J при испытании на усталость при поворотном изгибе испытательной стали, определении усталостных характеристик испытательной стали и в то же время для анализа влияния обезуглероживания на усталостные характеристики испытательной стали для улучшения фактического производства производственный процесс, повышение качества продукции и предоставление разумных рекомендаций. Усталостные характеристики испытательной стали определяются на машине для испытания на усталость при изгибе и изгибе.
1. Материалы и методы испытаний.
Испытательный материал для установки по производству зубчатой стали 20CrMnTi, основной химический состав указан в таблице 1. Испытание на обезуглероживание: испытуемый материал обрабатывается в цилиндрический образец Ф8 мм × 12 мм, поверхность должна быть блестящей, без пятен. Печь для термообработки нагревали до 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃ в образец и выдерживали 1 час, а затем охлаждали на воздухе до комнатной температуры. После термообработки образца путем отверждения, шлифовки и полировки, с использованием 4% спиртового раствора азотной кислоты, с помощью металлургической микроскопии наблюдают за обезуглероженным слоем испытуемой стали, измеряя глубину обезуглероженного слоя при различных температурах. Испытание на усталость при спиновом изгибе: испытуемый материал в соответствии с требованиями обработки двух групп образцов усталости при спиновом изгибе, первая группа не проводит испытание на обезуглероживание, вторая группа - испытание на обезуглероживание при разных температурах. Используя машину для испытания на усталость при изгибе при вращении, две группы испытательной стали для испытаний на усталость при изгибе при вращении, определение предела выносливости двух групп испытательной стали, сравнение усталостной долговечности двух групп испытательной стали, использование сканирования электронно-микроскопическое наблюдение усталостного разрушения, анализ причин разрушения образца, исследование влияния обезуглероживания на усталостные свойства исследуемой стали.
Таблица 1 Химический состав (массовая доля) исследуемой стали, мас.%
Влияние температуры нагрева на обезуглероживание
Морфология организации обезуглероживания при различных температурах нагрева представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, при температуре 675 ℃ на поверхности образца не появляется слой обезуглероживания; при повышении температуры до 700 ℃ на поверхности образца начал появляться слой обезуглероживания, для тонкого слоя обезуглероживания феррита; при повышении температуры до 725 ℃ толщина слоя обезуглероживания на поверхности образца значительно увеличивалась; Толщина слоя обезуглероживания при 750 ℃ достигает максимального значения, в это время ферритное зерно более четкое, крупное; при повышении температуры до 800 ℃ толщина обезуглероженного слоя стала значительно уменьшаться, его толщина упала до половины от 750 ℃; когда температура продолжает повышаться до 850 ℃, а толщина обезуглероженного слоя показана на рис. 1. При 800 ℃ толщина полного обезуглероженного слоя начала значительно уменьшаться, его толщина упала до 750 ℃ при половинном уменьшении; когда температура продолжает повышаться до 850 ℃ и выше, толщина полного обезуглероженного слоя испытательной стали продолжает уменьшаться, толщина половины обезуглероженного слоя начала постепенно увеличиваться до тех пор, пока вся морфология полного обезуглероженного слоя не исчезла, морфология половины обезуглероженного слоя постепенно очищается. Видно, что толщина полностью обезуглероженного слоя с повышением температуры сначала увеличивалась, а затем уменьшалась, причина этого явления связана с тем, что образец в процессе нагрева одновременно ведет себя при окислении и обезуглероживании, только когда Скорость обезуглероживания быстрее, чем скорость окисления, появится явление обезуглероживания. В начале нагрева толщина полностью обезуглероженного слоя постепенно увеличивается с повышением температуры до тех пор, пока толщина полностью обезуглероженного слоя не достигнет максимального значения. В это время, чтобы продолжать повышать температуру, скорость окисления образца быстрее, чем скорость обезуглероживания, которая сдерживает рост полностью обезуглероженного слоя, что приводит к тенденции к снижению. Видно, что в диапазоне 675 ～950 ℃ значение толщины полностью обезуглероженного слоя при 750 ℃ является наибольшим, а значение толщины полностью обезуглероженного слоя при 850 ℃ – наименьшим, поэтому рекомендуется температура нагрева испытательной стали 850 ℃.
Рис.1 Гистоморфология обезуглероженного слоя исследуемой стали, выдержанной при различных температурах нагрева в течение 1 часа
По сравнению с полуобезуглероженным слоем, толщина полностью обезуглероженного слоя оказывает более серьезное негативное влияние на свойства материала, это значительно снижает механические свойства материала, такие как снижение прочности, твердости, износостойкости и предела выносливости. и т. д., а также повышают чувствительность к трещинам, влияющим на качество сварки и т. д. Поэтому контроль толщины полностью обезуглероженного слоя имеет большое значение для улучшения характеристик продукта. На рис. 2 представлена кривая изменения толщины полностью обезуглероженного слоя от температуры, на которой более наглядно показано изменение толщины полностью обезуглероженного слоя. Из рисунка видно, что толщина полностью обезуглероженного слоя составляет всего около 34 мкм при 700℃; с повышением температуры до 725 ℃ толщина полностью обезуглероженного слоя значительно увеличивается до 86 мкм, что более чем в два раза превышает толщину полностью обезуглероженного слоя при 700 ℃; при повышении температуры до 750 ℃ толщина полностью обезуглероженного слоя. При повышении температуры до 750 ℃ толщина полностью обезуглероженного слоя достигает максимального значения 120 мкм; по мере дальнейшего повышения температуры толщина полностью обезуглероженного слоя начинает резко уменьшаться до 70 мкм при 800 ℃, а затем до минимального значения около 20 мкм при 850 ℃.
Рис.2 Толщина полностью обезуглероженного слоя при разных температурах
Влияние обезуглероживания на усталостные характеристики при центробежном изгибе
С целью изучения влияния обезуглероживания на усталостные свойства пружинной стали были проведены две группы испытаний на усталость при спиновом изгибе: первая группа - усталостные испытания непосредственно без обезуглероживания, вторая группа - усталостные испытания после обезуглероживания при том же напряжении. уровне (810 МПа), а процесс обезуглероживания проводили при температуре 700-850 ℃ в течение 1 ч. Первая группа образцов представлена в таблице 2 и представляет собой усталостную долговечность пружинной стали.
Усталостная долговечность первой группы образцов представлена в таблице 2. Как видно из таблицы 2, без обезуглероживания испытуемая сталь была подвергнута всего 107 циклам при давлении 810 МПа, разрушения не произошло; когда уровень напряжений превысил 830 МПа, часть образцов начала разрушаться; когда уровень напряжения превышал 850 МПа, все усталостные образцы разрушались.
Таблица 2. Усталостная долговечность при различных уровнях нагрузки (без обезуглероживания)
Для определения предела выносливости используют групповой метод определения предела выносливости испытуемой стали, и после статистического анализа данных предел выносливости испытуемой стали составляет около 760 МПа; Для того чтобы охарактеризовать усталостную долговечность испытуемой стали при различных напряжениях, строят кривую SN, как показано на рисунке 3. Как видно из рисунка 3, разным уровням напряжений соответствует разная усталостная долговечность, когда усталостная долговечность равна 7 , что соответствует числу циклов для 107, что означает, что образец в этих условиях находится в сквозном состоянии, соответствующее значение напряжения можно аппроксимировать значением усталостной прочности, то есть 760 МПа. Видно, что кривая S – N важна для определения усталостной долговечности материала и имеет важное справочное значение.
Рисунок 3. Кривая SN экспериментального испытания стали на усталость при вращательном изгибе.
Усталостная долговечность второй группы образцов приведена в табл. 3. Как видно из табл. 3, после обезуглероживания исследуемой стали при различных температурах число циклов явно снижается и составляет более 107, а все усталостные образцы разрушаются, и усталостная долговечность значительно снижается. В сочетании с указанной выше толщиной обезуглероженного слоя и кривой изменения температуры можно увидеть, что толщина обезуглероженного слоя при 750 ℃ является самой большой, что соответствует наименьшему значению усталостной долговечности. Толщина обезуглероженного слоя 850 ℃ является наименьшей, что соответствует относительно высокому значению усталостной долговечности. Видно, что поведение при обезуглероживании значительно снижает усталостные характеристики материала, причем чем толще обезуглероженный слой, тем ниже усталостная долговечность.
Таблица 3. Усталостная долговечность при различных температурах обезуглероживания (560 МПа)
Морфологию усталостного разрушения образца наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа, как показано на рис. 4. На рисунке 4 (а) показана область источника трещины, на рисунке можно увидеть очевидную усталостную дугу, в соответствии с усталостной дугой, чтобы найти источник. усталости, можно увидеть, источник трещин для «рыбий глаз» неметаллических включений, включений в легко вызвать концентрацию напряжений, что приводит к усталостным трещинам; На рис. 4 (б) показана морфология области распространения трещины, видны явные полосы усталости, распределение было речным, относится к квазидиссоциативному разрушению, с расширением трещин, что в конечном итоге приводит к разрушению. На рисунке 4(б) показана морфология зоны расширения трещины, видны явные усталостные полосы в виде реечного распределения, которые относятся к квазидиссоциативному разрушению, и с непрерывным расширением трещин, в конечном итоге приводящим к разрушению. .
Анализ усталостного разрушения
Рис.4. Морфология поверхности усталостного излома экспериментальной стали, полученная методом СЭМ.
Для определения типа включений на рис. 4 был проведен анализ состава энергетического спектра, результаты показаны на рис. 5. Видно, что неметаллические включения представляют собой в основном включения Al2O3, что указывает на то, что включения являются основным источником трещин, вызванных растрескиванием включений.
Рис. 5. Энергетическая спектроскопия неметаллических включений.
Заключить
(1) Установление температуры нагрева на уровне 850 ℃ позволит минимизировать толщину обезуглероженного слоя и уменьшить влияние на усталостные характеристики.
(2) Предел выносливости испытательной стали при центробежном изгибе составляет 760 МПа.
(3) Испытательная сталь на растрескивание неметаллических включений, преимущественно смеси Al2O3.
(4) обезуглероживание серьезно снижает усталостную долговечность испытательной стали: чем толще обезуглероженный слой, тем ниже усталостная долговечность.
Время публикации: 21 июня 2024 г.