Skannandi rafeindasmásjá var notuð til að fylgjast með þreytubrotum og greina brotferli; á sama tíma var snúningsbeygjuþreytupróf framkvæmt á afkolnuðu sýnin við mismunandi hitastig til að bera saman þreytuþol prófunarstálsins með og án afkolnunar og til að greina áhrif afkolnunar á þreytuþol prófunarstálsins. Niðurstöðurnar sýna að vegna samtímis oxunar og afkolnunar í hitunarferlinu sýnir víxlverkun milli þessara tveggja, sem leiðir til þess að þykkt fullkomlega afkolnuðu lagsins með hækkandi hitastigi sýnir tilhneigingu til að aukast og síðan minnka. Þykkt fullkomlega afkolnuðu lagsins nær hámarksgildi 120 μm við 750 ℃ og þykkt fullkomlega afkolnuðu lagsins nær lágmarksgildi 20 μm við 850 ℃. Þreytumörk prófunarstálsins eru um 760 MPa. Uppspretta þreytusprungna í prófunarstálinu eru aðallega Al2O3 ómálmkenndar innilokanir. Afkolnunarhegðun dregur verulega úr þreytuþoli prófunarstálsins, sem hefur áhrif á þreytuþol prófunarstálsins. Því þykkara sem afkolnunarlagið er, því styttri er þreytuþolið. Til að draga úr áhrifum afkolnunarlagsins á þreytuþol prófunarstálsins ætti að stilla besta hitameðferðarhitastig prófunarstálsins á 850°C.
Gírbúnaður er mikilvægur hluti af bílumVegna mikils hraða verður samskeyti gírfletisins að hafa mikinn styrk og núningþol og tannrótin verður að hafa góða beygjuþreytuþol vegna stöðugs endurtekins álags til að forðast sprungur sem leiða til efnisbrota. Rannsóknir sýna að kolefnishreinsun er mikilvægur þáttur sem hefur áhrif á snúningsbeygjuþreytuþol málmefna og að snúningsbeygjuþreytuþol er mikilvægur vísir að vörugæðum, þannig að nauðsynlegt er að rannsaka kolefnishreinsunarhegðun og snúningsbeygjuþreytuþol prófunarefnisins.
Í þessari grein er greint frá því hvernig hitameðhöndlunarofninn notar 20CrMnTi gírstál til að afkolna yfirborðið og greina mismunandi hitahitastig á dýpt afkolnunarlags prófunarstálsins. Með því að nota QBWP-6000J einfalda geislaþreytuprófunarvél er hægt að ákvarða þreytuþol prófunarstálsins og á sama tíma greina áhrif afkolnunar á þreytuþol prófunarstálsins í raunverulegri framleiðslu til að bæta framleiðsluferlið, auka gæði vörunnar og veita sanngjarna viðmiðun. Þreytuþol prófunarstálsins er ákvarðað með snúningsbeygjuþreytuprófunarvélinni.
1. Prófunarefni og aðferðir
Prófunarefni fyrir einingu til að framleiða 20CrMnTi gírstál, aðal efnasamsetningin er eins og sýnd er í töflu 1. Afkolnunarpróf: Prófunarefnið er unnið í sívalningslaga sýni af stærð 8 mm × 12 mm, yfirborðið ætti að vera bjart og án bletta. Hitað í hitameðhöndluðum ofnum í 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ og 1000 ℃, látið sýnið vera í 1 klukkustund og síðan loftkælt niður í stofuhita. Eftir hitameðhöndlun er sýnið hert, slípað og fægt, með 4% af saltpéturssýrulausninni er rofið og síðan er notað málmvinnslusmásjá til að fylgjast með afkolnunarlagi prófunarstálsins og dýpt afkolnunarlagsins mælt við mismunandi hitastig. Þreytuprófun á snúningsbeygju: Prófunarefnið er framkvæmt samkvæmt kröfum tveggja hópa af þreytuprófum á snúningsbeygju. Sá fyrsti framkvæmir ekki afkolunarprófun og sá seinni framkvæmir afkolunarprófun við mismunandi hitastig. Með því að nota þreytuprófunarvél á snúningsbeygju eru tveir hópar prófunarstáls prófaðir til að þreytuprófa snúningsbeygju, ákvarða þreytumörk prófunarstálsins, bera saman þreytuþol prófunarstálsins, nota rafeindasmásjá til að fylgjast með þreytubrotum, greina orsakir brots í sýninu og kanna áhrif afkolunar á þreytueiginleika prófunarstálsins.
Tafla 1 Efnasamsetning (massahlutfall) prófunarstáls, þyngdarhlutfall
Áhrif hitunarhita á kolefnislosun
Uppbygging afkolnunarlagsins við mismunandi hitunarhita er sýnd á mynd 1. Eins og sjá má á myndinni, þegar hitastigið er 675 ℃, birtist ekkert afkolnunarlag á yfirborði sýnisins; þegar hitastigið hækkar í 700 ℃ byrjar afkolnunarlag á yfirborði sýnisins að myndast, fyrir þunnt afkolnunarlag ferríts; þegar hitastigið hækkar í 725 ℃ eykst þykkt afkolnunarlagsins á yfirborði sýnisins verulega; við 750 ℃ nær þykkt afkolnunarlagsins hámarki, og á þessum tímapunkti eru ferrítkornin skýrari og grófari; þegar hitastigið hækkar í 800 ℃ byrjar þykkt afkolnunarlagsins að minnka verulega, þykktin lækkar niður í helming miðað við 750 ℃; þegar hitastigið heldur áfram að hækka í 850 ℃ og þykktin lækkar, sést á mynd 1. Við 800 ℃ byrjar þykkt afkolnunarlagsins að minnka verulega, þykktin lækkar niður í helming miðað við 750 ℃; Þegar hitastigið heldur áfram að hækka í 850°C og hærra, heldur þykkt fullkolnunarlagsins í prófunarstálinu áfram að minnka, og helmingur afkolnunarlagsins byrjar að aukast smám saman þar til formgerð fullkolnunarlagsins hvarf öll, en formgerð helmingsins hverfur smám saman. Það má sjá að þykkt fullkolnunarlagsins jókst fyrst og minnkar síðan með hækkandi hitastigi. Ástæðan fyrir þessu fyrirbæri er oxunar- og kolnunarhegðun sýnisins í upphitunarferlinu. Aðeins þegar kolnunarhraðinn er hraðari en oxunarhraðinn kemur kolnunarfyrirbæri fram. Í upphafi upphitunar eykst þykkt fullkolnunarlagsins smám saman með hækkandi hitastigi þar til þykkt fullkolnunarlagsins nær hámarksgildi. Á þessum tímapunkti heldur hitastigið áfram að hækka og oxunarhraði sýnisins er hraðari en kolnunarhraðinn, sem hindrar aukningu fullkolnunarlagsins og leiðir til lækkandi þróunar. Það má sjá að innan bilsins 675 ～950 ℃ er þykkt fullkolsneydda lagsins við 750 ℃ mest og þykkt fullkolsneydda lagsins við 850 ℃ er minnst, þess vegna er mælt með að hitunarhitastig prófunarstálsins sé 850 ℃.
Mynd 1. Vefjafræðileg formgerð afkolsneydds lags úr prófunarstáli sem haldið var við mismunandi hitunarhita í 1 klst.
Í samanburði við hálf-afkolnuðu lagið hefur þykkt fullkolnuðu lagsins alvarlegri neikvæð áhrif á efniseiginleikana. Það dregur verulega úr vélrænum eiginleikum efnisins, svo sem styrk, hörku, slitþoli og þreytumörkum o.s.frv., og eykur einnig næmi fyrir sprungum, sem hefur áhrif á gæði suðu og svo framvegis. Þess vegna er mjög mikilvægt að stjórna þykkt fullkolnuðu lagsins til að bæta afköst vörunnar. Mynd 2 sýnir breytileikakúrfu þykktar fullkolnuðu lagsins með hitastigi, sem sýnir breytingar á þykkt fullkolnuðu lagsins skýrar. Á myndinni má sjá að þykkt fullkolnuðu lagsins er aðeins um 34 μm við 700℃; þegar hitastigið hækkar í 725 ℃ eykst þykkt fullkolnuðu lagsins verulega í 86 μm, sem er meira en tvöfalt þykkt fullkolnuðu lagsins við 700 ℃. Þegar hitastigið er hækkað í 750 ℃, þá nær þykkt hins fullkomlega afkolnaða lags hámarksgildinu 120 μm; þegar hitastigið heldur áfram að hækka byrjar þykkt hins fullkomlega afkolnaða lags að minnka skarpt, niður í 70 μm við 800 ℃, og síðan niður í lágmarksgildið um 20 μm við 850 ℃.
Mynd 2 Þykkt fullkolsafleysts lags við mismunandi hitastig
Áhrif afkolunar á þreytuframmistöðu í snúningsbeygju
Til að kanna áhrif afkolnunar á þreytueiginleika fjaðurstáls voru tveir hópar af snúningsbeygjuþreytuprófum framkvæmdir, fyrsti hópurinn var þreytuprófaður beint án afkolnunar og seinni hópurinn var þreytuprófaður eftir afkolnun við sama spennustig (810 MPa) og afkolnunarferlið var haldið við 700-850 ℃ í 1 klst. Fyrsti hópurinn af sýnum er sýndur í töflu 2, sem sýnir þreytuþol fjaðurstálsins.
Þreytuþol fyrsta hópsins af sýnum er sýnd í töflu 2. Eins og sjá má í töflu 2, án afkolunar, var prófunarstálið aðeins látið gangast undir 107 lotur við 810 MPa og engin brot komu fram; þegar spennustigið fór yfir 830 MPa fóru sum sýnin að brotna; þegar spennustigið fór yfir 850 MPa brotnuðu öll þreytusýnin.
Tafla 2 Þreytuþol við mismunandi álagsstig (án afkolefnishreinsunar)
Til að ákvarða þreytumörkin er hópaðferð notuð til að ákvarða þreytumörk prófunarstálsins, og eftir tölfræðilega greiningu gagnanna eru þreytumörk prófunarstálsins um 760 MPa; til að lýsa þreytulíftíma prófunarstálsins við mismunandi spennu er SN-kúrfan teiknuð, eins og sýnt er á mynd 3. Eins og sjá má á mynd 3 samsvara mismunandi spennustig mismunandi þreytulíftíma, þegar þreytulíftími 7 samsvarar fjölda hringrása fyrir 107, sem þýðir að sýnið er undir þessum skilyrðum í gegnum ástandið, má nálga samsvarandi spennugildi sem þreytustyrksgildi, það er 760 MPa. Það má sjá að S-N kúrfan er mikilvæg til að ákvarða þreytulíftíma efnisins og hefur mikilvægt viðmiðunargildi.
Mynd 3 SN-kúrfa tilraunakenndrar beygjuþreytuprófunar á stáli
Þreytuþol annars hópsins af sýnum er sýnd í töflu 3. Eins og sjá má í töflu 3, eftir að prófunarstálið hefur verið afkolsað við mismunandi hitastig, er fjöldi hringrása greinilega minni og þeir eru fleiri en 107, og öll þreytusýnin eru sprungin og þreytuþolið styttist verulega. Í samanburði við ofangreinda afkolsaða lagþykkt og hitastigsbreytingarkúrfuna má sjá að afkolsað lagþykkt er 750 ℃ mest, sem samsvarar lægsta gildi þreytuþols. 850 ℃ er minnst, sem samsvarar tiltölulega háu þreytuþolsgildi. Það má sjá að afkolsað hegðun dregur verulega úr þreytuþoli efnisins og því þykkara sem afkolsað lagið er, því lægri er þreytuþolið.
Tafla 3 Þreytuþol við mismunandi afkolunarhitastig (560 MPa)
Þreytubrotformgerð sýnisins var skoðuð með rafeindasmásjá, eins og sýnt er á mynd 4. Á mynd 4(a) sést greinilegur þreytubogi. Samkvæmt þreytuboganum til að finna upptök þreytu sést greinilegur þreytubogi þar sem sprunguupptökin eru „fiskiaugna“-innfellingar sem valda auðveldlega spennu og valda þreytusprungum. Á mynd 4(b) sést greinilegur þreyturöndur sem eru í formi árfarvegs og tilheyra hálfsundrandi sprungum, þar sem sprungurnar þenjast út og að lokum leiða til sprungu. Mynd 4(b) sýnir formgerð sprunguþenslusvæðisins og sjást greinilegar þreyturánur sem eru í formi árfarvegs og tilheyra hálfsundrandi sprungum, og með sífelldri þenslu sprungnanna leiðir það að lokum til sprungu.
Greining á þreytubrotum
Mynd 4. SEM formgerð þreytubrotsfletis tilraunastáls
Til að ákvarða gerð innfellinganna á mynd 4 var framkvæmd orkurófsgreining og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 5. Þar má sjá að innfellingarnar sem ekki eru úr málmi eru aðallega Al2O3 innfellingar, sem bendir til þess að innfellingarnar séu aðal uppspretta sprungna af völdum sprungna í innfellingunum.
Mynd 5 Orkurófsgreining á málmlausum innilokunum
Ljúka
(1) Með því að stilla hitunarhitastigið á 850 ℃ er þykkt afkolefnislagsins lágmarkuð og því dregið úr áhrifum á þreytuþol.
(2) Þreytumörk snúningsbeygju prófunarstálsins eru 760 MPa.
(3) Sprungur í prófunarstáli í málmlausum innfellingum, aðallega Al2O3 blöndu.
(4) Afkolnun dregur verulega úr þreytuþoli prófunarstálsins, því þykkara sem afkolnunarlagið er, því styttri er þreytuþolið.
Birtingartími: 21. júní 2024
