K pozorování únavového lomu a analýze mechanismu lomu byl použit skenovací elektronový mikroskop; současně byla na oduhličených vzorcích při různých teplotách provedena únavová zkouška rotačním ohybem, aby se porovnala únavová životnost testované oceli s oduhličováním a bez něj a aby se analyzoval vliv oduhličování na únavové vlastnosti testované oceli. Výsledky ukazují, že v důsledku současné existence oxidace a oduhličování během procesu ohřevu dochází k interakci mezi těmito dvěma procesy, což má za následek, že tloušťka plně oduhličené vrstvy s rostoucí teplotou vykazuje trend zvyšování a následného snižování, přičemž tloušťka plně oduhličené vrstvy dosahuje maximální hodnoty 120 μm při 750 °C a minimální tloušťka plně oduhličené vrstvy dosahuje 20 μm při 850 °C a mez únavy testované oceli je přibližně 760 MPa a zdrojem únavových trhlin v testované oceli jsou převážně nekovové vměstky Al2O3; Oduhličení výrazně snižuje únavovou životnost testované oceli, což ovlivňuje únavové vlastnosti testované oceli. Čím silnější je oduhličená vrstva, tím nižší je únavová životnost. Aby se snížil vliv oduhličené vrstvy na únavové vlastnosti testované oceli, měla by být optimální teplota tepelného zpracování testované oceli nastavena na 850 °C.
Převodovka je důležitou součástí automobiluVzhledem k provozu při vysokých rychlostech musí mít záběrová část povrchu ozubeného kola vysokou pevnost a odolnost proti oděru a kořen zubu musí mít dobrou odolnost proti ohybu v důsledku konstantního opakovaného zatížení, aby se zabránilo prasklinám, které vedou k lomu materiálu. Výzkum ukazuje, že oduhličení je důležitým faktorem ovlivňujícím odolnost kovových materiálů proti ohybu při rotaci a odolnost proti ohybu při rotaci je důležitým ukazatelem kvality výrobku, proto je nutné studovat chování testovaného materiálu při oduhličení a odolnost proti ohybu při rotaci.
V tomto článku se zabývá testem dekarbonizace povrchu ozubené oceli 20CrMnTi pomocí pece pro tepelné zpracování, analýzou vlivu různých teplot ohřevu na hloubku dekarbonizační vrstvy testované oceli a změnou zákona. Pomocí jednoduchého zkušebního stroje QBWP-6000J na únavovou zkoušku rotačním ohybem testované oceli se stanoví únavová odolnost testované oceli a zároveň se analyzoval vliv dekarbonizace na únavovou odolnost testované oceli pro skutečnou výrobu za účelem zlepšení výrobního procesu, zvýšení kvality výrobků a poskytnutí rozumné reference. Únavová odolnost testované oceli se stanoví pomocí zkušebního stroje na únavovou zkoušku rotačním ohybem.
1. Testovací materiály a metody
Zkušební materiál pro jednotku pro výrobu ozubené oceli 20CrMnTi, jejíž hlavní chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Zkouška oduhličení: zkušební materiál se zpracuje na válcový vzorek o rozměrech 8 mm × 12 mm, jehož povrch by měl být lesklý a bez skvrn. Vzorek se v peci pro tepelné zpracování zahřeje na 675 °C, 700 °C, 725 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C a 1 000 °C, nechá se 1 hodinu zahřívat a poté se ochladí na vzduchu na pokojovou teplotu. Po tepelném zpracování vzorku, tj. fixaci, broušení a leštění, se erozí 4% roztokem kyseliny dusičné v alkoholu a následně se pod metalurgickou mikroskopií pozoruje vrstva oduhličení testované oceli a hloubka vrstvy oduhličení se měří při různých teplotách. Zkouška únavy rotačním ohybem: zkušební materiál byl zpracován podle požadavků na zpracování dvou skupin vzorků na únavu rotačním ohybem. První skupina neprováděla zkoušku oduhličení a druhá skupina prováděla zkoušku oduhličení při různých teplotách. Na stroji na zkoušení únavy rotačním ohybem byly provedeny dvě skupiny zkušebních vzorků na únavu rotačním ohybem, stanovení meze únavy obou skupin zkušebních vzorků, porovnání únavové životnosti obou skupin zkušebních vzorků a analýza příčin lomu vzorku za účelem zkoumání vlivu oduhličení na únavové vlastnosti zkušební oceli.
Tabulka 1 Chemické složení (hmotnostní podíl) testované oceli, % hm.
Vliv teploty ohřevu na oduhličení
Morfologie organizace oduhličení za různých teplot ohřevu je znázorněna na obr. 1. Jak je z obrázku patrné, při teplotě 675 °C se na povrchu vzorku neobjevuje oduhličená vrstva; při teplotě 700 °C se na povrchu vzorku začíná objevovat oduhličená vrstva, a to tenká feritová oduhličená vrstva; s teplotou stoupající na 725 °C se tloušťka oduhličené vrstvy na povrchu vzorku výrazně zvyšuje; při 750 °C dosahuje tloušťka oduhličené vrstvy maximální hodnoty, v tomto okamžiku jsou feritová zrna čirší a hrubší; při teplotě 800 °C se tloušťka oduhličené vrstvy začíná výrazně snižovat a její tloušťka klesne na polovinu oproti 750 °C; Když teplota dále stoupá na 850 °C a tloušťka oduhličení je znázorněna na obr. 1. Při 800 °C se tloušťka celé oduhličené vrstvy začíná výrazně snižovat a její tloušťka klesne na polovinu na 750 °C. Když teplota dále stoupá na 850 °C a více, tloušťka celé oduhličené vrstvy zkušební oceli se dále snižuje, tloušťka poloviční oduhličené vrstvy se začíná postupně zvětšovat, dokud morfologie celé oduhličené vrstvy zcela nezmizí a morfologie poloviční oduhličené vrstvy se postupně vyjasní. Je vidět, že tloušťka plně oduhličené vrstvy se s rostoucí teplotou nejprve zvyšuje a poté snižuje. Důvodem tohoto jevu je současný proces zahřívání vzorku, kdy dochází k oxidaci a oduhličení. K oduhličení dochází pouze tehdy, když je rychlost oduhličení vyšší než rychlost oxidace. Na začátku ohřevu se tloušťka plně oduhličené vrstvy postupně zvyšuje se zvyšující se teplotou, dokud nedosáhne maximální hodnoty. V tomto okamžiku, kdy teplota dále stoupá, je rychlost oxidace vzorku rychlejší než rychlost oduhličení, což brzdí nárůst tloušťky plně oduhličené vrstvy a vede k klesajícímu trendu. Je vidět, že v rozsahu 675 ~ 950 °C je hodnota tloušťky plně oduhličené vrstvy při 750 °C největší a hodnota tloušťky plně oduhličené vrstvy při 850 °C nejmenší, proto se doporučuje teplota ohřevu zkušební oceli 850 °C.
Obr. 1 Histomorfologie oduhličené vrstvy testované oceli udržované při různých teplotách ohřevu po dobu 1 hodiny
Ve srovnání s částečně oduhličovanou vrstvou má tloušťka plně oduhličené vrstvy závažnější negativní dopad na vlastnosti materiálu. Výrazně snižuje mechanické vlastnosti materiálu, jako je snížení pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a meze únavy atd., a také zvyšuje citlivost na trhliny, což ovlivňuje kvalitu svařování atd. Proto má regulace tloušťky plně oduhličené vrstvy velký význam pro zlepšení výkonu výrobku. Obrázek 2 znázorňuje křivku změny tloušťky plně oduhličené vrstvy s teplotou, která jasněji ukazuje změnu tloušťky plně oduhličené vrstvy. Z obrázku je patrné, že tloušťka plně oduhličené vrstvy je při 700 °C pouze asi 34 μm; s teplotou stoupající na 725 °C se tloušťka plně oduhličené vrstvy výrazně zvyšuje na 86 μm, což je více než dvojnásobek tloušťky plně oduhličené vrstvy při 700 °C; Když teplota stoupne na 750 °C, tloušťka plně oduhličené vrstvy se zvýší. Když teplota stoupne na 750 °C, tloušťka plně oduhličené vrstvy dosáhne maximální hodnoty 120 μm; s dalším stoupáním teploty se tloušťka plně oduhličené vrstvy začne prudce snižovat, na 70 μm při 800 °C a poté na minimální hodnotu asi 20 μm při 850 °C.
Obr. 2 Tloušťka plně oduhličené vrstvy při různých teplotách
Vliv oduhličení na únavové vlastnosti při ohýbání rotačním rotačním náběhem
Za účelem studia vlivu oduhličení na únavové vlastnosti pružinové oceli byly provedeny dvě skupiny únavových zkoušek v ohybu při odstředivém ohybu. První skupinou byly únavové zkoušky přímo bez oduhličení a druhou skupinou byly únavové zkoušky po oduhličení při stejné úrovni napětí (810 MPa), přičemž proces oduhličení byl prováděn při teplotě 700-850 °C po dobu 1 hodiny. První skupina vzorků je uvedena v tabulce 2 a představuje únavovou životnost pružinové oceli.
Únavová životnost první skupiny vzorků je uvedena v tabulce 2. Jak je z tabulky 2 patrné, bez oduhličení byla testovaná ocel vystavena pouze 107 cyklům při 810 MPa a nedošlo k žádnému lomu; když úroveň napětí překročila 830 MPa, některé vzorky se začaly lámat; když úroveň napětí překročila 850 MPa, všechny vzorky na únavu se lámaly.
Tabulka 2 Únavová životnost při různých úrovních napětí (bez oduhličení)
Pro stanovení meze únavy testované oceli se používá skupinová metoda a po statistické analýze dat je mez únavy testované oceli přibližně 760 MPa. Pro charakterizaci únavové životnosti testované oceli za různých namáhání je vynesena křivka SN, jak je znázorněno na obrázku 3. Jak je vidět z obrázku 3, různé úrovně napětí odpovídají různé únavové životnosti. Pokud je únavová životnost 7, což odpovídá počtu cyklů 107, což znamená, že vzorek za těchto podmínek prošel daným stavem, lze odpovídající hodnotu napětí aproximovat jako hodnotu únavové pevnosti, tj. 760 MPa. Je vidět, že křivka S-N je důležitá pro stanovení únavové životnosti materiálu a má důležitou referenční hodnotu.
Obrázek 3 SN křivka experimentální zkoušky únavy oceli rotačním ohybem
Únavová životnost druhé skupiny vzorků je uvedena v tabulce 3. Jak je z tabulky 3 patrné, po oduhličení testované oceli při různých teplotách se počet cyklů zřetelně sníží a je vyšší než 107, všechny vzorky s únavovým testem se rozlomí a únavová životnost se výrazně zkrátí. V kombinaci s výše uvedenou tloušťkou oduhličené vrstvy a křivkou změny teploty je vidět, že tloušťka oduhličené vrstvy při 750 °C je největší, což odpovídá nejnižší hodnotě únavové životnosti. Tloušťka oduhličené vrstvy při 850 °C je nejmenší, což odpovídá relativně vysoké hodnotě únavové životnosti. Je zřejmé, že oduhličení výrazně snižuje únavové vlastnosti materiálu a čím silnější je oduhličená vrstva, tím nižší je únavová životnost.
Tabulka 3 Únavová životnost při různých teplotách oduhličení (560 MPa)
Morfologie únavového lomu vzorku byla pozorována rastrovacím elektronovým mikroskopem, jak je znázorněno na obr. 4. Na obrázku 4(a) je patrný zřetelný únavový oblouk, podle kterého je možné najít zdroj únavy a lze tak vidět zdroj trhliny pro nekovové vměstky ve tvaru „rybího oka“, které snadno způsobují koncentraci napětí a vedou ke vzniku únavových trhlin; na obrázku 4(b) je patrná morfologie oblasti rozšíření trhliny, na které jsou patrné zřetelné únavové pruhy s říčkovitým rozložením, které patří ke kvazidisociativnímu lomu s rozšiřujícími se trhlinami, které nakonec vedou k lomu. Obrázek 4(b) ukazuje morfologii oblasti rozšíření trhliny, na které jsou patrné zřetelné únavové pruhy ve tvaru říčky, které patří ke kvazidisociativnímu lomu s kontinuálním rozšiřováním trhlin, které nakonec vede k lomu.
Analýza únavového lomu
Obr. 4 SEM morfologie lomové plochy únavy experimentální oceli
Pro určení typu vměstků na Obr. 4 byla provedena analýza složení energetického spektra a výsledky jsou uvedeny na Obr. 5. Je vidět, že nekovové vměstky jsou převážně vměstky Al2O3, což naznačuje, že tyto vměstky jsou hlavním zdrojem trhlin způsobených jejich praskáním.
Obrázek 5 Energetická spektroskopie nekovových inkluzí
Uzavřít
(1) Nastavení teploty ohřevu na 850 ℃ minimalizuje tloušťku oduhličené vrstvy a tím i vliv na únavové vlastnosti.
(2) Mez únavy zkušební oceli při ohybu odstředěním je 760 MPa.
(3) Zkouška praskání oceli v nekovových vměstcích, zejména ve směsi Al2O3.
(4) Oduhličení výrazně snižuje únavovou životnost testované oceli, čím silnější je vrstva oduhličení, tím nižší je únavová životnost.
Čas zveřejnění: 21. června 2024
