Обезуглероживание поверхности и усталостное поведение зубчатой стали 20CrMnTi

Сканирующий электронный микроскоп использовался для наблюдения усталостного разрушения и анализа механизма разрушения; одновременно проводились испытания на усталость при изгибе и вращении образцов после обезуглероживания при различных температурах для сравнения усталостной долговечности исследуемой стали с обезуглероживанием и без него, а также для анализа влияния обезуглероживания на усталостные характеристики исследуемой стали. Результаты показывают, что из-за одновременного протекания процессов окисления и обезуглероживания в процессе нагрева, взаимодействие между ними приводит к тому, что толщина полностью обезуглероженного слоя с повышением температуры имеет тенденцию к увеличению, а затем уменьшению; толщина полностью обезуглероженного слоя достигает максимального значения 120 мкм при 750 ℃, а толщина полностью обезуглероженного слоя достигает минимального значения 20 мкм при 850 ℃; предел усталости исследуемой стали составляет около 760 МПа, а источником усталостных трещин в исследуемой стали являются в основном неметаллические включения Al2O3. Процесс обезуглероживания значительно снижает усталостную долговечность испытательной стали, влияя на ее усталостные характеристики: чем толще слой обезуглероживания, тем ниже усталостная долговечность. Для уменьшения влияния слоя обезуглероживания на усталостные характеристики испытательной стали оптимальная температура термообработки должна быть установлена на уровне 850℃.

Коробка передач — важный компонент автомобиля.В связи с высокоскоростной работой, зацепляющаяся часть поверхности шестерни должна обладать высокой прочностью и износостойкостью, а корень зуба должен иметь хорошие характеристики усталостной прочности при изгибе из-за постоянной повторяющейся нагрузки, чтобы избежать трещин, приводящих к разрушению материала. Исследования показывают, что обезуглероживание является важным фактором, влияющим на усталостную прочность металлических материалов при изгибе вращением, а усталостная прочность при изгибе вращением является важным показателем качества продукции, поэтому необходимо изучить поведение обезуглероживающего материала при обезуглероживании и его усталостную прочность при изгибе вращением.

В данной работе проведено исследование процесса обезуглероживания поверхности стали 20CrMnTi в печи для термообработки, проанализировано влияние различных температур нагрева на глубину слоя обезуглероживания стали; с помощью простой балочной испытательной машины QBWP-6000J проведено испытание стали на усталостную прочность при вращательном изгибе, определены усталостные характеристики стали, а также проанализировано влияние обезуглероживания на усталостные характеристики стали для улучшения технологического процесса, повышения качества продукции и предоставления обоснованных рекомендаций для практического применения в производстве. Усталостные характеристики стали определялись с помощью машины для испытания на усталостную прочность при вращательном изгибе.

1. Испытательные материалы и методы

Испытательный материал для установки по производству зубчатой стали 20CrMnTi, основной химический состав которой показан в таблице 1. Испытание на обезуглероживание: испытательный материал перерабатывается в цилиндрический образец размером 8 мм × 12 мм, поверхность должна быть блестящей, без пятен. В печи для термообработки образцы нагревали до 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃ и выдерживали в течение 1 часа, после чего охлаждали на воздухе до комнатной температуры. После термообработки образец подвергали шлифованию и полировке, эрозии 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте, а затем с помощью металлургической микроскопии исследовали слой обезуглероживания стали и измеряли глубину слоя обезуглероживания при различных температурах. Испытание на усталость при изгибе вращением: в соответствии с требованиями к обработке были подготовлены две группы образцов для испытания на усталость при изгибе вращением. Первая группа не подвергалась испытанию на обезуглероживание, вторая группа подвергалась испытанию на обезуглероживание при различных температурах. С помощью машины для испытания на усталость при изгибе вращением были проведены испытания двух групп образцов стали, определен предел усталости для обеих групп, проведено сравнение усталостной долговечности обеих групп, а также проведено наблюдение за усталостным разрушением с помощью сканирующего электронного микроскопа, проанализированы причины разрушения образцов и изучено влияние обезуглероживания на усталостные свойства стали.

Таблица 1. Химический состав (массовая доля) испытательной стали (в мас.%).

2. Результаты испытаний и анализ

Влияние температуры нагрева на обезуглероживание

Морфология процесса обезуглероживания при различных температурах нагрева показана на рис. 1. Как видно из рисунка, при температуре 675 ℃ на поверхности образца слой обезуглероживания отсутствует; при повышении температуры до 700 ℃ начинает появляться слой обезуглероживания на поверхности образца, представляющий собой тонкий слой обезуглероживания феррита; при повышении температуры до 725 ℃ толщина слоя обезуглероживания на поверхности образца значительно увеличивается; при 750 ℃ толщина слоя обезуглероживания достигает своего максимального значения, в это время зерна феррита становятся более четкими и крупными; при повышении температуры до 800 ℃ толщина слоя обезуглероживания начинает значительно уменьшаться, сократившись вдвое по сравнению с 750 ℃. Когда температура продолжает повышаться до 850 ℃, толщина обезуглероженного слоя показана на рис. 1. При 800 ℃ толщина полного обезуглероженного слоя начинает значительно уменьшаться, уменьшаясь вдвое при 750 ℃; когда температура продолжает повышаться до 850 ℃ и выше, толщина полного обезуглероженного слоя исследуемой стали продолжает уменьшаться, а толщина половины обезуглероженного слоя начинает постепенно увеличиваться, пока морфология полного обезуглероженного слоя полностью не исчезнет, а морфология половины обезуглероженного слоя постепенно не станет четкой. Видно, что толщина полностью обезуглероженного слоя с повышением температуры сначала увеличивается, а затем уменьшается. Причина этого явления заключается в том, что в процессе нагрева образца одновременно происходят окисление и обезуглероживание, и явление обезуглероживания проявляется только тогда, когда скорость обезуглероживания превышает скорость окисления. В начале нагрева толщина полностью обезуглероженного слоя постепенно увеличивается с повышением температуры до тех пор, пока не достигнет максимального значения. В этот момент дальнейшее повышение температуры приводит к тому, что скорость окисления образца превышает скорость обезуглероживания, что препятствует увеличению толщины полностью обезуглероженного слоя и вызывает тенденцию к его уменьшению. Видно, что в диапазоне 675–950 ℃ значение толщины полностью обезуглероженного слоя при 750 ℃ является наибольшим, а при 850 ℃ — наименьшим. Следовательно, рекомендуемая температура нагрева испытательной стали составляет 850 ℃.

Морфология обезуглероженного слоя в экспериментальной стали при различных температурах нагрева в течение 1 часа.

Рис. 1. Гистоморфология обезуглероженного слоя исследуемой стали, подвергнутой нагреву при различных температурах в течение 1 часа.

По сравнению с полуобезуглероженным слоем, толщина полностью обезуглероженного слоя оказывает более серьезное негативное влияние на свойства материала, значительно снижая его механические свойства, такие как прочность, твердость, износостойкость и предел усталости и т. д., а также повышая чувствительность к трещинам, влияя на качество сварки и т. д. Поэтому контроль толщины полностью обезуглероженного слоя имеет большое значение для улучшения характеристик изделия. На рисунке 2 показана кривая изменения толщины полностью обезуглероженного слоя в зависимости от температуры, которая более наглядно демонстрирует изменение толщины полностью обезуглероженного слоя. Из рисунка видно, что толщина полностью обезуглероженного слоя составляет всего около 34 мкм при 700 ℃; при повышении 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 достигает максимального значения 120 мкм; по мере дальнейшего повышения температуры толщина полностью обезуглероженного слоя начинает резко уменьшаться, достигая 70 мкм при 800 ℃, а затем минимального значения около 20 мкм при 850 ℃.

Рис. 2. Толщина полностью обезуглероженного слоя при различных температурах.

Влияние обезуглероживания на усталостную прочность при изгибе вращением

Для изучения влияния обезуглероживания на усталостные свойства пружинной стали были проведены две группы испытаний на усталость при изгибе вращением: первая группа — испытания на усталость непосредственно без обезуглероживания, а вторая — испытания на усталость после обезуглероживания при том же уровне напряжения (810 МПа), при этом процесс обезуглероживания проводился при температуре 700-850 ℃ в течение 1 часа. Результаты испытаний первой группы образцов представлены в таблице 2, где показана усталостная долговечность пружинной стали.

В таблице 2 показана усталостная долговечность первой группы образцов. Как видно из таблицы 2, без обезуглероживания испытательная сталь подвергалась только 107 циклам при 810 МПа, и разрушения не произошло; когда уровень напряжения превысил 830 МПа, некоторые образцы начали разрушаться; когда уровень напряжения превысил 850 МПа, все усталостные образцы разрушились.

Таблица 2. Усталостная долговечность при различных уровнях напряжения (без обезуглероживания).

Для определения предела усталости используется групповой метод, и после статистического анализа данных предел усталости стали составляет около 760 МПа. Для характеристики усталостной долговечности стали при различных напряжениях строится кривая S-N, как показано на рисунке 3. Как видно из рисунка 3, различным уровням напряжения соответствует разная усталостная долговечность. Когда усталостная долговечность равна 7, что соответствует числу циклов 107, то есть образец в этих условиях находится в состоянии, соответствующем значении напряжения, которое можно аппроксимировать значением предела усталости, то есть 760 МПа. Видно, что кривая S-N важна для определения усталостной долговечности материала и имеет важное значение в качестве эталона.

Кривая SN экспериментального испытания на усталость при вращательном изгибе стали

Рисунок 3. Кривая SN экспериментального испытания стали на усталость при вращательном изгибе.

В таблице 3 показана усталостная долговечность второй группы образцов. Как видно из таблицы 3, после обезуглероживания стали при различных температурах количество циклов заметно уменьшается и превышает 107, при этом все образцы разрушаются, а усталостная долговечность значительно снижается. Сопоставив толщину обезуглероженного слоя с температурной кривой, можно увидеть, что при 750 ℃ толщина обезуглероженного слоя является наибольшей, что соответствует наименьшему значению усталостной долговечности. При 850 ℃ толщина обезуглероженного слоя является наименьшей, что соответствует относительно высокому значению усталостной долговечности. Видно, что обезуглероживание значительно снижает усталостные характеристики материала, и чем толще обезуглероженный слой, тем ниже усталостная долговечность.

Таблица 3. Усталостная долговечность при различных температурах обезуглероживания (560 МПа)

Морфология усталостного разрушения образца была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа, как показано на рис. 4. На рис. 4(а) показана область источника трещины, на которой отчетливо видна усталостная дуга. Согласно этой дуге, можно определить источник усталости: источником трещины являются неметаллические включения типа «рыбий глаз», которые легко вызывают концентрацию напряжений, приводящую к образованию усталостных трещин. На рис. 4(б) показана морфология области распространения трещины, на которой отчетливо видны усталостные полосы, имеющие речную форму, что соответствует квазидиссоциативному разрушению с расширением трещин, в конечном итоге приводящим к разрушению. На рис. 4(б) показана морфология области распространения трещины, на которой отчетливо видны усталостные полосы, имеющие речную форму, что соответствует квазидиссоциативному разрушению с непрерывным расширением трещин, в конечном итоге приводящим к разрушению.

Анализ усталостных разрушений

Морфология поверхности усталостного разрушения экспериментальной стали, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Рис. 4. Морфология поверхности усталостного излома экспериментальной стали, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Для определения типа включений на рис. 4 был проведен анализ энергетического спектра, результаты которого 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.

Рисунок 5. Энергетическая спектроскопия неметаллических включений.

Заключение

( 1) Установка температуры нагрева на уровне 850 ℃ позволит минимизировать толщину обезуглероженного слоя и уменьшить его влияние на усталостную прочность.
( 2) Предел усталости при изгибе испытательной стали составляет 760 МПа.
( 3) Испытательная сталь растрескивается в неметаллических включениях, главным образом в смеси Al2O3.
( 4) обезуглероживание значительно снижает усталостную долговечность испытательной стали, чем толще слой обезуглероживания, тем ниже усталостная долговечность.

Дата публикации: 21 июня 2024 г.