Pyyhkäisyelektronimikroskooppia käytettiin väsymismurtuman havaitsemiseen ja murtumismekanismin analysointiin. Samanaikaisesti hiilenpoistolla käsitellyille näytteille tehtiin spin-taivutusväsymiskoe eri lämpötiloissa, jotta voitiin verrata testiteräksen väsymislujuutta hiilenpoiston kanssa ja ilman sitä sekä analysoida hiilenpoiston vaikutusta testiteräksen väsymiskäyttäytymiseen. Tulokset osoittavat, että hapettumisen ja hiilenpoiston samanaikaisen esiintymisen vuoksi lämmitysprosessissa näiden kahden välinen vuorovaikutus, joka johtaa täysin hiilenpoiston paksuuteen lämpötilan kasvaessa, osoittaa kasvu- ja laskutrendiä. Täysin hiilenpoiston paksuus saavuttaa maksimiarvon 120 μm 750 ℃:ssa ja minimiarvon 20 μm 850 ℃:ssa. Testiteräksen väsymisraja on noin 760 MPa, ja testiteräksen väsymishalkeamien lähde on pääasiassa Al2O3-epämetalliset sulkeumat. Hiilenpoistokäyttäytyminen lyhentää huomattavasti testiteräksen väsymislujuutta, mikä vaikuttaa testiteräksen väsymisominaisuuksiin. Mitä paksumpi hiilenpoistokerros on, sitä lyhyempi on väsymislujuus. Hiilenpoistokerroksen vaikutuksen vähentämiseksi testiteräksen väsymisominaisuuksiin testiteräksen optimaalinen lämpökäsittelylämpötila tulisi asettaa 850 ℃:een.
Vaihde on tärkeä osa autoaKoska vaihteen käyttö on suurta, hammaspyörän pinnan nivelletyn osan on oltava luja ja kulutusta kestävä, ja hampaan juuren on oltava hyvin taivutusväsymiskestävä jatkuvan toistuvan kuormituksen vuoksi, jotta vältetään materiaalin murtumiseen johtavat halkeamat. Tutkimukset osoittavat, että hiilenpoisto on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa metallimateriaalien pyörimis-taivutusväsymiskäyttäytymiseen, ja pyörimis-taivutusväsymiskyky on tärkeä tuotteen laadun indikaattori, joten on tarpeen tutkia testimateriaalin hiilenpoistokäyttäytymistä ja pyörimis-taivutusväsymiskykyä.
Tässä työssä analysoidaan lämpökäsittelyuunin vaikutusta 20CrMnTi-hammaspyöräteräksen pinnan hiilenpoistokokeeseen, jossa analysoidaan eri lämmityslämpötilojen vaikutusta teräksen hiilenpoistokerroksen paksuuden muutoksiin. Testiteräksen pyörivän taivutuksen väsymiskokeessa määritetään QBWP-6000J-yksinkertaisella väsymiskoestuskoneella testiteräksen väsymisominaisuudet ja samalla analysoidaan hiilenpoiston vaikutusta testiteräksen väsymisominaisuuksiin varsinaisessa tuotannossa tuotantoprosessin parantamiseksi, tuotteiden laadun parantamiseksi ja kohtuullisen vertailuarvon tarjoamiseksi. Testiteräksen väsymisominaisuudet määritetään pyörivän taivutuksen väsymiskoestuskoneella.
1. Testimateriaalit ja -menetelmät
20CrMnTi-hammaspyöräteräksen valmistusyksikön testimateriaali, jonka pääasiallinen kemiallinen koostumus on esitetty taulukossa 1. Hiilenpoistokoe: testimateriaalista valmistetaan Ф8 mm × 12 mm:n lieriömäinen näyte, jonka pinnan tulee olla kirkas ja tahriintumaton. Lämpökäsittelyuunit kuumennettiin 675 ℃:n, 700 ℃:n, 725 ℃:n, 750 ℃:n, 800 ℃:n, 850 ℃:n, 900 ℃:n, 950 ℃:n ja 1 000 ℃:n lämpötiloihin, näytettä kuumennettiin 1 tunnin ajan ja sitten jäähdytettiin huoneenlämpötilaan. Lämpökäsittelyn jälkeen näytettä hiottiin ja kiillotettiin 4 % typpihappoalkoholiliuoksella. Tämän jälkeen testiteräksen hiilenpoistokerrosta tarkasteltiin metallurgisella mikroskopialla ja hiilenpoistokerroksen syvyyttä mitattiin eri lämpötiloissa. Pyöritystaivutuksen väsymiskoe: testimateriaali käsitellään kahden pyöritystaivutusväsymiskoeryhmän vaatimusten mukaisesti. Ensimmäiselle ryhmälle ei tehdä hiilenpoistokoetta, ja toinen ryhmä tekee hiilenpoistokokeen eri lämpötiloissa. Pyöritystaivutuksen väsymyskoe suoritetaan kahdelle testiteräsryhmälle pyöritystaivutusväsymiskoe, määritetään kahden testiteräsryhmän väsymisraja ja vertaillaan kahden testiteräsryhmän väsymislujuutta. Väsymismurtumia tarkastellaan pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, analysoidaan näytteen murtumisen syitä ja tutkitaan hiilenpoiston vaikutusta testiteräksen väsymisominaisuuksiin.
Taulukko 1 Testiteräksen kemiallinen koostumus (massaosuus) painoprosentti
Lämmityslämpötilan vaikutus hiilenpoistoon
Hiilenpoiston organisaation morfologia eri lämmityslämpötiloissa on esitetty kuvassa 1. Kuten kuvasta voidaan nähdä, 675 ℃:n lämpötilassa näytteen pinnalla ei näy hiilenpoistokerrosta; lämpötilan noustessa 700 ℃:seen näytteen pinnalle alkaa ilmestyä hiilenpoistokerros ohuen ferriittisen hiilenpoistokerroksen tapauksessa; lämpötilan noustessa 725 ℃:seen näytteen pinnan hiilenpoistokerroksen paksuus kasvaa merkittävästi; 750 ℃:ssa hiilenpoistokerroksen paksuus saavuttaa maksimiarvonsa, jolloin ferriittirakeet ovat kirkkaampia ja karkeampia; lämpötilan noustessa 800 ℃:seen hiilenpoistokerroksen paksuus alkaa pienentyä merkittävästi, sen paksuus laskee puoleen 750 ℃:n lämpötilasta. Kun lämpötila nousee edelleen 850 ℃:seen ja hiilenpoistokerroksen paksuus on esitetty kuvassa 1. 800 ℃:ssa täyden hiilenpoistokerroksen paksuus alkaa pienentyä merkittävästi, ja sen paksuus laskee puoleen 750 ℃:seen. Kun lämpötila nousee edelleen 850 ℃:seen tai sen yli, testiteräksen täyden hiilenpoistokerroksen paksuus jatkaa pienenemistään. Puolet hiilenpoistokerroksen paksuudesta alkaa vähitellen kasvaa, kunnes täydellinen hiilenpoistokerroksen morfologia katoaa kokonaan. Puolet hiilenpoistokerroksen morfologia kirkastuu vähitellen. Voidaan nähdä, että täysin hiilenpoistokerroksen paksuus ensin kasvaa ja sitten pienenee lämpötilan noustessa. Tämä ilmiö johtuu näytteen samanaikaisesta hapettumis- ja hiilenpoistokäyttäytymisestä lämmitysprosessissa. Hiilenpoistoilmiö ilmenee vain, kun hiilenpoistonopeus on nopeampi kuin hapettumisnopeus. Lämmityksen alussa täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus kasvaa vähitellen lämpötilan noustessa, kunnes täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus saavuttaa maksimiarvon. Tällöin lämpötilan nostamisen jatkuessa näytteen hapettumisnopeus on nopeampi kuin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus, mikä estää täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuuden kasvua ja johtaa laskevaan trendiin. Voidaan nähdä, että 675–950 ℃:n välillä täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus 750 ℃:ssa on suurin ja 850 ℃:ssa pienin. Siksi testiteräksen lämmityslämpötilaksi suositellaan 850 ℃:a.
Kuva 1. Hiilettömän testiteräksen kerroksen histomorfologia eri lämmityslämpötiloissa 1 tunnin ajan
Verrattuna osittain hiilenpoistoon, täysin hiilenpoiston paksuus vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin vakavammin. Se heikentää merkittävästi materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, kuten lujuutta, kovuutta, kulutuskestävyyttä ja väsymisrajaa, ja lisää myös halkeamien riskiä, mikä vaikuttaa hitsauksen laatuun ja niin edelleen. Siksi täysin hiilenpoiston paksuuden säätäminen on erittäin tärkeää tuotteen suorituskyvyn parantamiseksi. Kuva 2 esittää täysin hiilenpoiston paksuuden vaihtelukäyrää lämpötilan funktiona, joka havainnollistaa täysin hiilenpoiston paksuuden vaihtelua selkeämmin. Kuvasta voidaan nähdä, että täysin hiilenpoiston paksuus on vain noin 34 μm 700 ℃:ssa; lämpötilan noustessa 725 ℃:seen täysin hiilenpoiston paksuus kasvaa merkittävästi 86 μm:iin, mikä on yli kaksi kertaa täysin hiilenpoiston paksuus 700 ℃:ssa. Kun lämpötila nostetaan 750 ℃:een, täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus... Kun lämpötila nousee 750 ℃:een, täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus saavuttaa maksimiarvonsa 120 μm; lämpötilan noustessa edelleen täysin hiilenpoiston läpikäyneen kerroksen paksuus alkaa laskea jyrkästi 70 μm:iin 800 ℃:ssa ja sitten minimiarvoonsa noin 20 μm:iin 850 ℃:ssa.
Kuva 2. Täysin hiilenpoistokerroksen paksuus eri lämpötiloissa
Hiilenpoiston vaikutus väsymisominaisuuksiin spin-taivutuksessa
Hiilenpoiston vaikutusta jousiteräksen väsymisominaisuuksiin tutkittiin kahdella ryhmällä pyörivää taivutustaivutuksen väsymiskokeita. Ensimmäinen ryhmä oli väsymiskoe suoraan ilman hiilenpoistoa ja toinen ryhmä oli väsymiskoe hiilenpoiston jälkeen samalla jännitystasolla (810 MPa). Hiilenpoistoprosessia pidettiin 700–850 ℃:ssa 1 tunnin ajan. Ensimmäinen näyteryhmä on esitetty taulukossa 2, joka esittää jousiteräksen väsymislujuutta.
Ensimmäisen näyteryhmän väsymislujuus on esitetty taulukossa 2. Kuten taulukosta 2 voidaan nähdä, ilman hiilenpoistoa testiteräkselle tehtiin vain 107 sykliä 810 MPa:n paineella, eikä murtumia tapahtunut; kun jännitystaso ylitti 830 MPa, osa näytteistä alkoi murtua; kun jännitystaso ylitti 850 MPa, kaikki väsymisnäytteet murtuivat.
Taulukko 2 Väsymislujuus eri jännitystasoilla (ilman hiilenpoistoa)
Väsymisrajan määrittämiseksi käytetään ryhmämenetelmää testiteräksen väsymisrajan määrittämiseen, ja tietojen tilastollisen analyysin jälkeen testiteräksen väsymisrajaksi saadaan noin 760 MPa. Testiteräksen väsymiskeston kuvaamiseksi eri jännityksissä piirretään SN-käyrä, kuten kuvassa 3 on esitetty. Kuten kuvasta 3 voidaan nähdä, eri jännitystasot vastaavat erilaista väsymiskestoa. Kun väsymiskesto 7 vastaa 107 syklin lukumäärää, mikä tarkoittaa, että näyte on näissä olosuhteissa läpi tilan, vastaava jännitysarvo voidaan arvioida väsymislujuuden arvoksi, joka on 760 MPa. Voidaan nähdä, että S-N-käyrä on tärkeä materiaalin väsymiskeston määrittämisen kannalta, sillä sillä on tärkeä viitearvo.
Kuva 3. Teräksen kokeellisen pyörivän taivutuksen väsymiskokeen SN-käyrä
Toisen näyteryhmän väsymislujuus on esitetty taulukossa 3. Kuten taulukosta 3 voidaan nähdä, eri lämpötiloissa suoritetun hiilenpoiston jälkeen syklien määrä vähenee huomattavasti ja on yli 107. Kaikki väsymisnäytteet murtuvat ja väsymislujuus lyhenee huomattavasti. Yhdessä edellä mainitun hiilenpoistokerroksen paksuuden ja lämpötilan muutoskäyrän kanssa voidaan nähdä, että 750 ℃:ssa hiilenpoistokerroksen paksuus on suurin, mikä vastaa väsymislujuuden alhaisinta arvoa. 850 ℃:ssa hiilenpoistokerroksen paksuus on pienin, mikä vastaa suhteellisen korkeaa väsymislujuuden arvoa. Voidaan nähdä, että hiilenpoistokäyttäytyminen heikentää huomattavasti materiaalin väsymislujuutta, ja mitä paksumpi hiilenpoistokerros on, sitä lyhyempi on väsymislujuus.
Taulukko 3 Väsymislujuus eri hiilenpoistolämpötiloissa (560 MPa)
Näytteen väsymismurtuman morfologiaa tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, kuten kuvassa 4 on esitetty. Kuvassa 4(a) halkeaman lähdealueesta näkyy selvä väsymiskaari. Väsymiskaaren avulla voidaan löytää väsymislähde, josta näkyy "kalansilmä"-muotoiset epämetalliset sulkeumat, jotka ovat helposti jännityskeskittymässä ja johtavat väsymishalkeamiin. Kuvassa 4(b) halkeaman laajenemisalueen morfologiasta näkyy selviä väsymisjuovia, jotka ovat jokimaisessa jakautumassa ja kuuluvat lähes dissosiatiiviseen murtumaan. Halkeamat laajenevat ja lopulta johtavat murtumaan. Kuva 4(b) esittää halkeaman laajenemisalueen morfologiaa, jossa näkyy selviä väsymisjuovia jokimaisessa jakautumassa, joka kuuluu lähes dissosiatiiviseen murtumaan, ja halkeamien jatkuva laajeneminen johtaa lopulta murtumaan.
Väsymysmurtuman analyysi
Kuva 4. Kokeellisen teräksen väsymismurtumapinnan SEM-morfologia
Kuvassa 4 esitettyjen sulkeumien tyypin määrittämiseksi suoritettiin energiaspektrikoostumusanalyysi, ja tulokset on esitetty kuvassa 5. Voidaan nähdä, että epämetalliset sulkeumat ovat pääasiassa Al2O3-sulkeumia, mikä osoittaa, että sulkeumat ovat sulkeumien halkeilun aiheuttamien halkeamien pääasiallinen lähde.
Kuva 5. Ei-metallisten sulkeumien energiaspektroskopia
Päätellä
(1) Lämmityslämpötilan asettaminen 850 ℃:een minimoi hiilenpoistokerroksen paksuuden ja vähentää siten väsymislujuuteen kohdistuvaa vaikutusta.
(2) Testiteräksen pyöritystaivutuksen väsymisraja on 760 MPa.
(3) Teräksen halkeilu koekokeessa epämetallisissa sulkeumissa, pääasiassa Al₂O₃-seoksessa.
(4) hiilenpoisto lyhentää merkittävästi testiteräksen väsymislujuutta. Mitä paksumpi hiilenpoistokerros, sitä lyhyempi väsymislujuus.
Julkaisun aika: 21. kesäkuuta 2024
