È stato utilizzato un microscopio elettronico a scansione per osservare la frattura da fatica e analizzare il meccanismo di frattura; allo stesso tempo, è stato eseguito un test di fatica a flessione rotante sui campioni decarburati a diverse temperature per confrontare la durata a fatica dell'acciaio di prova con e senza decarburazione e per analizzare l'effetto della decarburazione sulle prestazioni a fatica dell'acciaio di prova. I risultati mostrano che, a causa della presenza simultanea di ossidazione e decarburazione nel processo di riscaldamento, l'interazione tra le due, risultante nello spessore dello strato completamente decarburato con l'aumento della temperatura mostra una tendenza all'aumento e poi alla diminuzione, lo spessore dello strato completamente decarburato raggiunge un valore massimo di 120 μm a 750 ℃ e lo spessore dello strato completamente decarburato raggiunge un valore minimo di 20 μm a 850 ℃ e il limite di fatica dell'acciaio di prova è di circa 760 MPa e la fonte delle cricche di fatica nell'acciaio di prova è principalmente costituita da inclusioni non metalliche di Al2O3; Il processo di decarburazione riduce notevolmente la durata a fatica dell'acciaio di prova, influenzandone le prestazioni a fatica; maggiore è lo spessore dello strato di decarburazione, minore è la durata a fatica. Per ridurre l'impatto dello strato di decarburazione sulle prestazioni a fatica dell'acciaio di prova, la temperatura ottimale del trattamento termico dovrebbe essere impostata a 850 °C.
Il cambio è un componente importante dell'automobileA causa del funzionamento ad alta velocità, la parte di ingranamento della superficie dell'ingranaggio deve avere elevata resistenza e resistenza all'abrasione, e la radice del dente deve avere buone prestazioni di fatica a flessione a causa del carico ripetuto costante, al fine di evitare crepe che portano alla frattura del materiale. La ricerca mostra che la decarburazione è un fattore importante che influenza le prestazioni di fatica a flessione rotante dei materiali metallici, e le prestazioni di fatica a flessione rotante sono un indicatore importante della qualità del prodotto, quindi è necessario studiare il comportamento di decarburazione e le prestazioni di fatica a flessione rotante del materiale di prova.
In questo articolo, viene analizzato il forno di trattamento termico sul test di decarburazione superficiale dell'acciaio per ingranaggi 20CrMnTi, analizzando la legge di variazione della profondità dello strato di decarburazione dell'acciaio di prova a diverse temperature di riscaldamento; viene inoltre utilizzata la macchina per prove di fatica a trave semplice QBWP-6000J per il test di fatica a flessione rotante dell'acciaio di prova, determinando le prestazioni a fatica dell'acciaio di prova e, allo stesso tempo, analizzando l'impatto della decarburazione sulle prestazioni a fatica dell'acciaio di prova per la produzione effettiva al fine di migliorare il processo produttivo, aumentare la qualità dei prodotti e fornire un riferimento ragionevole. Le prestazioni a fatica dell'acciaio di prova sono determinate dalla macchina per prove di fatica a flessione rotante.
1. Materiali e metodi di prova
Il materiale di prova per un'unità è acciaio per ingranaggi 20CrMnTi, la cui composizione chimica principale è riportata nella Tabella 1. Prova di decarburazione: il materiale di prova viene lavorato in un campione cilindrico di Ф8 mm × 12 mm, la cui superficie deve essere lucida e priva di macchie. Il forno per il trattamento termico viene riscaldato a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, il campione viene inserito e mantenuto a tale temperatura per 1 ora, quindi raffreddato ad aria a temperatura ambiente. Dopo il trattamento termico del campione mediante assestamento, rettifica e lucidatura, con erosione mediante soluzione alcolica di acido nitrico al 4%, si utilizza un microscopio metallurgico per osservare lo strato di decarburazione dell'acciaio di prova, misurandone la profondità a diverse temperature. Prova di fatica a flessione rotante: il materiale di prova, secondo i requisiti di lavorazione, è costituito da due gruppi di provini per la prova di fatica a flessione rotante. Il primo gruppo non viene sottoposto a prova di decarburazione, mentre il secondo gruppo viene sottoposto a prova di decarburazione a temperature diverse. Utilizzando la macchina per prove di fatica a flessione rotante, i due gruppi di acciaio di prova vengono sottoposti a prova di fatica a flessione rotante, viene determinato il limite di fatica dei due gruppi di acciaio di prova, viene confrontata la durata a fatica dei due gruppi di acciaio di prova, si utilizza un microscopio elettronico a scansione per osservare la frattura da fatica, si analizzano le cause della frattura del provino e si esplora l'effetto della decarburazione sulle proprietà di fatica dell'acciaio di prova.
Tabella 1 Composizione chimica (frazione di massa) dell'acciaio di prova % in peso
Effetto della temperatura di riscaldamento sulla decarburazione
La morfologia dell'organizzazione di decarburazione a diverse temperature di riscaldamento è mostrata in Fig. 1. Come si può vedere dalla figura, quando la temperatura è di 675 ℃, sulla superficie del campione non appare alcuno strato di decarburazione; quando la temperatura sale a 700 ℃, inizia ad apparire lo strato di decarburazione superficiale del campione, per un sottile strato di decarburazione di ferrite; con l'aumento della temperatura a 725 ℃, lo spessore dello strato di decarburazione superficiale del campione aumenta significativamente; a 750 ℃ lo spessore dello strato di decarburazione raggiunge il suo valore massimo, in questo momento, il grano di ferrite è più chiaro e grossolano; quando la temperatura sale a 800 ℃, lo spessore dello strato di decarburazione inizia a diminuire significativamente, il suo spessore si riduce alla metà di quello a 750 ℃; quando la temperatura continua a salire fino a 850 ℃ e lo spessore della decarburazione è mostrato in Fig. 1. 800 ℃, lo spessore dello strato completamente decarburato ha iniziato a diminuire significativamente, il suo spessore è sceso a 750 ℃ quando era la metà; quando la temperatura continua a salire a 850 ℃ e oltre, lo spessore dello strato completamente decarburato dell'acciaio di prova continua a diminuire, lo spessore dello strato parzialmente decarburato ha iniziato ad aumentare gradualmente fino a quando la morfologia dello strato completamente decarburato è completamente scomparsa, la morfologia dello strato parzialmente decarburato è gradualmente chiara. Si può vedere che lo spessore dello strato completamente decarburato con l'aumento della temperatura è prima aumentato e poi diminuito, la ragione di questo fenomeno è dovuto al fatto che il campione nel processo di riscaldamento ha un comportamento simultaneo di ossidazione e decarburazione, solo quando la velocità di decarburazione è più veloce della velocità di ossidazione si verifica il fenomeno di decarburazione. All'inizio del riscaldamento, lo spessore dello strato completamente decarburato aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura fino a raggiungere il valore massimo. A questo punto, continuando ad aumentare la temperatura, la velocità di ossidazione del campione è maggiore della velocità di decarburazione, il che inibisce l'aumento dello spessore dello strato completamente decarburato, determinando una tendenza al ribasso. Si può osservare che, nell'intervallo di temperatura compreso tra 675 e 950 °C, il valore dello spessore dello strato completamente decarburato a 750 °C è il massimo, mentre il valore dello spessore dello strato completamente decarburato a 850 °C è il minimo. Pertanto, si raccomanda di impostare la temperatura di riscaldamento dell'acciaio di prova a 850 °C.
Figura 1. Istomorfologia dello strato decarburato dell'acciaio di prova mantenuto a diverse temperature di riscaldamento per 1 ora.
Rispetto allo strato semi-decarburato, lo spessore dello strato completamente decarburato ha un impatto negativo più grave sulle proprietà del materiale, riducendo notevolmente le proprietà meccaniche del materiale, come la resistenza, la durezza, la resistenza all'usura e il limite di fatica, ecc., e aumentando anche la sensibilità alle cricche, influenzando la qualità della saldatura e così via. Pertanto, il controllo dello spessore dello strato completamente decarburato è di grande importanza per migliorare le prestazioni del prodotto. La Figura 2 mostra la curva di variazione dello spessore dello strato completamente decarburato in funzione della temperatura, che mostra più chiaramente la variazione dello spessore dello strato completamente decarburato. Si può osservare dalla figura che lo spessore dello strato completamente decarburato è di soli circa 34 μm a 700 ℃; con l'aumento della temperatura a 725 ℃, lo spessore dello strato completamente decarburato aumenta significativamente a 86 μm, che è più del doppio dello spessore dello strato completamente decarburato a 700 ℃; quando la temperatura viene innalzata a 750 ℃, lo spessore dello strato completamente decarburato raggiunge il valore massimo di 120 μm; con l'aumento continuo della temperatura, lo spessore dello strato completamente decarburato inizia a diminuire bruscamente, fino a 70 μm a 800℃, e poi al valore minimo di circa 20 μm a 850℃.
Figura 2. Spessore dello strato completamente decarburato a diverse temperature.
Effetto della decarburazione sulle prestazioni a fatica nella flessione rotante
Al fine di studiare l'effetto della decarburazione sulle proprietà di fatica dell'acciaio per molle, sono stati condotti due gruppi di prove di fatica a flessione rotante: il primo gruppo è stato sottoposto a prove di fatica direttamente senza decarburazione, mentre il secondo gruppo è stato sottoposto a prove di fatica dopo decarburazione allo stesso livello di sollecitazione (810 MPa), con il processo di decarburazione condotto a 700-850 °C per 1 ora. I risultati del primo gruppo di campioni sono riportati nella Tabella 2, che mostra la durata a fatica dell'acciaio per molle.
La durata a fatica del primo gruppo di provini è riportata nella Tabella 2. Come si può osservare dalla Tabella 2, senza decarburazione, l'acciaio di prova è stato sottoposto a soli 107 cicli a 810 MPa, senza che si verificassero fratture; quando il livello di sollecitazione ha superato gli 830 MPa, alcuni provini hanno iniziato a fratturarsi; quando il livello di sollecitazione ha superato gli 850 MPa, tutti i provini sottoposti a prova di fatica si sono fratturati.
Tabella 2 Durata della fatica a diversi livelli di stress (senza decarburazione)
Per determinare il limite di fatica, è stato utilizzato il metodo di gruppo per determinare il limite di fatica dell'acciaio di prova e, dopo l'analisi statistica dei dati, il limite di fatica dell'acciaio di prova è risultato essere di circa 760 MPa; per caratterizzare la durata a fatica dell'acciaio di prova in diverse condizioni di sollecitazione, è stata tracciata la curva S-N, come mostrato in Figura 3. Come si può osservare dalla Figura 3, diversi livelli di sollecitazione corrispondono a una diversa durata a fatica, quando la durata a fatica è pari a 7, corrispondente al numero di cicli per 107, il che significa che il campione in queste condizioni ha attraversato lo stato, il valore di sollecitazione corrispondente può essere approssimato al valore della resistenza a fatica, ovvero 760 MPa. Si può notare che la curva S-N è importante per la determinazione della durata a fatica del materiale e ha un importante valore di riferimento.
Figura 3 Curva SN della prova sperimentale di fatica a flessione rotante dell'acciaio
La durata a fatica del secondo gruppo di provini è mostrata nella Tabella 3. Come si può osservare dalla Tabella 3, dopo la decarburazione dell'acciaio di prova a diverse temperature, il numero di cicli si riduce notevolmente, superando i 10⁷, e tutti i provini sottoposti a prova di fatica si fratturano, con conseguente drastica riduzione della durata a fatica. Combinando lo spessore dello strato decarburato con la curva di variazione della temperatura, si può notare che lo spessore dello strato decarburato a 750 °C è il maggiore, corrispondente al valore più basso di durata a fatica. Lo spessore dello strato decarburato a 850 °C è il minore, corrispondente a un valore di durata a fatica relativamente elevato. Si può quindi affermare che il processo di decarburazione riduce significativamente le prestazioni a fatica del materiale, e che maggiore è lo spessore dello strato decarburato, minore è la durata a fatica.
Tabella 3 Durata a fatica a diverse temperature di decarburazione (560 MPa)
La morfologia della frattura da fatica del campione è stata osservata mediante microscopio elettronico a scansione, come mostrato in Fig. 4. Figura 4(a) per l'area di origine della cricca, la figura può vedere un evidente arco di fatica, in base all'arco di fatica per trovare la sorgente della fatica, può vedere che la sorgente della cricca è per le inclusioni non metalliche "a occhio di pesce", inclusioni che causano facilmente concentrazione di stress, con conseguente cricca da fatica; Fig. 4(b) per la morfologia dell'area di estensione della cricca, si possono vedere evidenti striature di fatica, con una distribuzione a forma di fiume, che appartiene alla frattura quasi dissociativa, con le cricche che si espandono, portando infine alla frattura. La Figura 4(b) mostra la morfologia dell'area di espansione della cricca, si possono vedere evidenti striature di fatica, a forma di fiume, che appartiene alla frattura quasi dissociativa, e con la continua espansione delle cricche, portando infine alla frattura.
Analisi delle fratture da fatica
Figura 4. Morfologia al microscopio elettronico a scansione (SEM) della superficie di frattura da fatica dell'acciaio sperimentale.
Al fine di determinare il tipo di inclusioni nella Fig. 4, è stata effettuata un'analisi della composizione dello spettro energetico, i cui risultati sono riportati nella Fig. 5. Si può osservare che le inclusioni non metalliche sono principalmente inclusioni di Al2O3, il che indica che tali inclusioni sono la principale fonte di cricche causate dalla fessurazione delle inclusioni stesse.
Figura 5 Spettroscopia energetica delle inclusioni non metalliche
Concludere
( 1) Posizionando la temperatura di riscaldamento a 850 ℃ si ridurrà al minimo lo spessore dello strato decarburato per ridurre l'effetto sulle prestazioni di fatica.
( 2) Il limite di fatica della prova di flessione rotante dell'acciaio è di 760 MPa.
( 3) La fessurazione dell'acciaio di prova nelle inclusioni non metalliche, principalmente nella miscela di Al2O3.
( 4) la decarburazione riduce seriamente la durata a fatica dell'acciaio di prova, più spesso è lo strato di decarburazione, minore è la durata a fatica.
Data di pubblicazione: 21 giugno 2024
