Se utilizó un microscopio electrónico de barrido para observar la fractura por fatiga y analizar el mecanismo de fractura; al mismo tiempo, se realizó una prueba de fatiga por flexión rotativa en las muestras descarburizadas a diferentes temperaturas para comparar la vida a fatiga del acero de prueba con y sin descarburización, y para analizar el efecto de la descarburización en el rendimiento a fatiga del acero de prueba. Los resultados muestran que, debido a la existencia simultánea de oxidación y descarburización en el proceso de calentamiento, la interacción entre ambos, resulta en que el espesor de la capa completamente descarburizada con el aumento de la temperatura muestra una tendencia de aumento y luego disminución, el espesor de la capa completamente descarburizada alcanza un valor máximo de 120 μm a 750 ℃, y el espesor de la capa completamente descarburizada alcanza un valor mínimo de 20 μm a 850 ℃, y el límite de fatiga del acero de prueba es de aproximadamente 760 MPa, y la fuente de grietas por fatiga en el acero de prueba son principalmente inclusiones no metálicas de Al2O3; La descarburación reduce considerablemente la vida útil a la fatiga del acero de ensayo, afectando su rendimiento. Cuanto mayor sea el espesor de la capa de descarburación, menor será la vida útil a la fatiga. Para minimizar el impacto de la capa de descarburación en el rendimiento a la fatiga del acero de ensayo, la temperatura óptima de tratamiento térmico debe fijarse en 850 °C.
El engranaje es un componente importante del automóvil.Debido a la alta velocidad de funcionamiento, la superficie de engranaje debe tener alta resistencia y durabilidad, y la raíz del diente debe presentar un buen comportamiento ante la fatiga por flexión debido a la carga repetida constante, para evitar grietas que provoquen la fractura del material. Las investigaciones demuestran que la descarburación es un factor importante que afecta el comportamiento ante la fatiga por flexión rotativa de los materiales metálicos, y este comportamiento es un indicador importante de la calidad del producto. Por lo tanto, es necesario estudiar el comportamiento ante la descarburación y el comportamiento ante la fatiga por flexión rotativa del material de prueba.
En este trabajo, se analiza la ley de variación de la profundidad de la capa de descarburación en el acero para engranajes 20CrMnTi sometido a tratamiento térmico en un horno. Asimismo, se utiliza la máquina de ensayo de fatiga de viga simple QBWP-6000J para determinar el rendimiento a la fatiga del acero, analizando el impacto de la descarburación en dicho rendimiento para optimizar el proceso de producción, mejorar la calidad de los productos y proporcionar una referencia útil. El rendimiento a la fatiga del acero se determina mediante la máquina de ensayo de fatiga por flexión rotativa.
1. Materiales y métodos de ensayo
Material de prueba para una unidad para proporcionar acero para engranajes 20CrMnTi, la composición química principal como se muestra en la Tabla 1. Prueba de descarburación: el material de prueba se procesa en una muestra cilíndrica de Ф8 mm × 12 mm, la superficie debe ser brillante sin manchas. El horno de tratamiento térmico se calentó a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1,000 ℃, dentro de la muestra y mantener 1 h, y luego enfriar al aire a temperatura ambiente. Después del tratamiento térmico de la muestra por ajuste, rectificado y pulido con erosión de solución de alcohol de ácido nítrico al 4%, el uso de microscopía metalúrgica para observar la capa de descarburación del acero de prueba, midiendo la profundidad de la capa de descarburación de la capa de descarburación de la temperatura. Ensayo de fatiga por flexión rotativa: según los requisitos del material de ensayo, se prepararon dos grupos de probetas para el ensayo de fatiga por flexión rotativa. El primer grupo no se sometió a descarburación, mientras que el segundo sí, a diferentes temperaturas. Utilizando una máquina de ensayo de fatiga por flexión rotativa, se determinaron los límites de fatiga de ambos grupos de acero, se comparó su vida útil y, mediante microscopía electrónica de barrido, se observó la fractura por fatiga para analizar las causas de la fractura y explorar el efecto de la descarburación en las propiedades de fatiga del acero.
Tabla 1 Composición química (fracción de masa) del acero de prueba % en peso
Efecto de la temperatura de calentamiento en la descarburación
La morfología de la organización de la descarburación bajo diferentes temperaturas de calentamiento se muestra en la Fig. 1. Como se puede ver en la figura, cuando la temperatura es de 675 ℃, la superficie de la muestra no presenta capa de descarburación; cuando la temperatura aumenta a 700 ℃, la capa de descarburación de la superficie de la muestra comienza a aparecer, para la capa de descarburación de ferrita delgada; con el aumento de la temperatura a 725 ℃, el espesor de la capa de descarburación de la superficie de la muestra aumenta significativamente; a 750 ℃ el espesor de la capa de descarburación alcanza su valor máximo, en este momento, el grano de ferrita es más claro, grueso; cuando la temperatura aumenta a 800 ℃, el espesor de la capa de descarburación comienza a disminuir significativamente, su espesor cae a la mitad de 750 ℃; Cuando la temperatura continúa aumentando a 850 ℃ y el espesor de la descarburación se muestra en la Fig. 1. 800 ℃, el espesor de la capa de descarburación completa comenzó a disminuir significativamente, su espesor cayó a 750 ℃ cuando la mitad; cuando la temperatura continúa aumentando a 850 ℃ y más, el espesor de la capa de descarburación completa del acero de prueba continúa disminuyendo, el espesor de la capa de descarburación parcial comenzó a aumentar gradualmente hasta que la morfología de la capa de descarburación completa desapareció por completo, la morfología de la capa de descarburación parcial gradualmente clara. Se puede ver que el espesor de la capa descarburada completa con el aumento de la temperatura primero aumentó y luego disminuyó, la razón de este fenómeno es debido a que la muestra en el proceso de calentamiento al mismo tiempo el comportamiento de oxidación y descarburación, solo cuando la velocidad de descarburación es más rápida que la velocidad de oxidación aparecerá el fenómeno de descarburación. Al inicio del calentamiento, el espesor de la capa completamente descarburada aumenta gradualmente con el incremento de la temperatura hasta alcanzar su valor máximo. En este punto, al continuar aumentando la temperatura, la tasa de oxidación de la muestra supera la tasa de descarburación, lo que inhibe el aumento de la capa completamente descarburada, resultando en una tendencia descendente. Se observa que, dentro del rango de 675 a 950 °C, el espesor de la capa completamente descarburada se alcanza a 750 °C, mientras que a 850 °C alcanza el valor mínimo. Por lo tanto, se recomienda que la temperatura de calentamiento del acero de prueba sea de 850 °C.
Fig. 1 Histomorfología de la capa descarburizada del acero de prueba mantenido a diferentes temperaturas de calentamiento durante 1 h
En comparación con la capa semidescarburizada, el espesor de la capa totalmente descarburizada tiene un impacto negativo más grave en las propiedades del material, reducirá en gran medida las propiedades mecánicas del material, como la resistencia, la dureza, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga, etc., y también aumentará la sensibilidad a las grietas, afectando la calidad de la soldadura, etc. Por lo tanto, controlar el espesor de la capa totalmente descarburizada es de gran importancia para mejorar el rendimiento del producto. La Figura 2 muestra la curva de variación del espesor de la capa totalmente descarburizada con la temperatura, que muestra la variación del espesor de la capa totalmente descarburizada más claramente. Se puede ver en la figura que el espesor de la capa totalmente descarburizada es de solo unos 34 μm a 700 ℃; con el aumento de la temperatura a 725 ℃, el espesor de la capa totalmente descarburizada aumenta significativamente a 86 μm, que es más del doble del espesor de la capa totalmente descarburizada a 700 ℃; Cuando la temperatura se eleva a 750 ℃, el espesor de la capa completamente descarburizada alcanza el valor máximo de 120 μm; a medida que la temperatura continúa aumentando, el espesor de la capa completamente descarburizada comienza a disminuir bruscamente, a 70 μm a 800 ℃, y luego al valor mínimo de aproximadamente 20 μm a 850 ℃.
Figura 2. Espesor de la capa completamente descarburizada a diferentes temperaturas.
Efecto de la descarburación en el comportamiento a la fatiga en el doblado por hilado
Para estudiar el efecto de la descarburación en las propiedades de fatiga del acero para muelles, se realizaron dos grupos de ensayos de fatiga por flexión rotativa. El primer grupo consistió en ensayos de fatiga directamente sin descarburación, y el segundo grupo en ensayos de fatiga después de la descarburación al mismo nivel de tensión (810 MPa). El proceso de descarburación se mantuvo a 700-850 ℃ durante 1 hora. En la Tabla 2 se muestra la vida útil a la fatiga del acero para muelles del primer grupo de muestras.
La vida a fatiga del primer grupo de muestras se muestra en la Tabla 2. Como se puede observar en la Tabla 2, sin descarburación, el acero de prueba solo se sometió a 107 ciclos a 810 MPa y no se produjo ninguna fractura; cuando el nivel de tensión superó los 830 MPa, algunas de las muestras comenzaron a fracturarse; cuando el nivel de tensión superó los 850 MPa, todas las muestras de fatiga se fracturaron.
Tabla 2. Vida útil a la fatiga bajo diferentes niveles de tensión (sin descarburación).
Para determinar el límite de fatiga, se utiliza el método de grupos para determinar el límite de fatiga del acero de prueba, y después del análisis estadístico de los datos, el límite de fatiga del acero de prueba es de aproximadamente 760 MPa; para caracterizar la vida a fatiga del acero de prueba bajo diferentes tensiones, se traza la curva S-N, como se muestra en la Figura 3. Como puede verse en la Figura 3, diferentes niveles de tensión corresponden a diferentes vidas a fatiga, cuando la vida a fatiga es 7, correspondiente al número de ciclos para 107, lo que significa que la muestra bajo estas condiciones ha pasado por el estado, el valor de tensión correspondiente puede aproximarse como el valor de resistencia a la fatiga, es decir, 760 MPa. Puede verse que la curva S-N es importante para la determinación de la vida a fatiga del material tiene un valor de referencia importante.
Figura 3. Curva S-N del ensayo experimental de fatiga por flexión rotativa del acero.
La vida a fatiga del segundo grupo de especímenes se muestra en la Tabla 3. Como se puede observar en la Tabla 3, después de la descarburación del acero de prueba a diferentes temperaturas, el número de ciclos se reduce notablemente, superando los 10⁷, y todos los especímenes de fatiga se fracturan, reduciendo considerablemente su vida a fatiga. Al combinar el espesor de la capa descarburada con la curva de variación de temperatura, se observa que el espesor de la capa descarburada a 750 °C es el mayor, lo que corresponde al menor valor de vida a fatiga. El espesor de la capa descarburada a 850 °C es el menor, lo que corresponde a un valor de vida a fatiga relativamente alto. Se puede apreciar que la descarburación reduce significativamente el rendimiento a fatiga del material, y cuanto mayor sea el espesor de la capa descarburada, menor será la vida a fatiga.
Tabla 3. Vida útil a la fatiga a diferentes temperaturas de descarburación (560 MPa).
La morfología de la fractura por fatiga de la muestra se observó mediante microscopía electrónica de barrido, como se muestra en la Fig. 4. La figura 4(a) muestra el área de origen de la grieta, donde se observa un arco de fatiga evidente. Según este arco, se puede encontrar el origen de la fatiga, y se observa que el origen de la grieta son inclusiones no metálicas en forma de "ojo de pez". Estas inclusiones facilitan la concentración de tensiones, lo que da lugar a grietas por fatiga. La figura 4(b) muestra la morfología del área de extensión de la grieta, donde se observan estrías de fatiga evidentes, con una distribución similar a un río, que corresponde a una fractura cuasi-disociativa, donde las grietas se expanden, lo que finalmente conduce a la fractura. La figura 4(b) muestra la morfología del área de expansión de la grieta, donde se observan estrías de fatiga evidentes, con una distribución similar a un río, que corresponde a una fractura cuasi-disociativa, y con la expansión continua de las grietas, finalmente conduce a la fractura.
Análisis de fracturas por fatiga
Figura 4. Morfología SEM de la superficie de fractura por fatiga del acero experimental.
Para determinar el tipo de inclusiones en la Fig. 4, se realizó un análisis de composición del espectro de energía, cuyos resultados se muestran en la Fig. 5. Se puede observar que las inclusiones no metálicas son principalmente inclusiones de Al2O3, lo que indica que estas inclusiones son la principal fuente de grietas causadas por el agrietamiento de las mismas.
Figura 5. Espectroscopia de energía de inclusiones no metálicas.
Concluir
( 1) Ajustar la temperatura de calentamiento a 850 ℃ minimizará el espesor de la capa descarburizada para reducir el efecto sobre el rendimiento de fatiga.
( 2) El límite de fatiga de la flexión rotativa del acero de prueba es de 760 MPa.
( 3) El acero de prueba se agrietó en inclusiones no metálicas, principalmente mezcla de Al2O3.
( 4) La descarburación reduce seriamente la vida a fatiga del acero de prueba; cuanto más gruesa sea la capa de descarburación, menor será la vida a fatiga.
Fecha de publicación: 21 de junio de 2024
