Se utilizó un microscopio electrónico de barrido para observar la fractura por fatiga y analizar el mecanismo de fractura; Al mismo tiempo, se llevó a cabo una prueba de fatiga por flexión por rotación en las muestras descarburadas a diferentes temperaturas para comparar la vida a fatiga del acero de prueba con y sin descarburación, y para analizar el efecto de la descarburación en el comportamiento a la fatiga del acero de prueba. Los resultados muestran que, debido a la existencia simultánea de oxidación y descarburación en el proceso de calentamiento, la interacción entre ambas, dando como resultado que el espesor de la capa totalmente descarburada con el crecimiento de la temperatura muestra una tendencia de aumento y luego disminución, la El espesor de la capa completamente descarburada alcanza un valor máximo de 120 μm a 750 ℃, y el espesor de la capa completamente descarburada 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; El comportamiento de descarburación reduce en gran medida la vida útil de la fatiga del acero de prueba, lo que afecta el rendimiento de fatiga del acero de prueba; cuanto más gruesa es la capa de descarburación, menor es la vida de fatiga. Para reducir el impacto de la capa de descarburación en el rendimiento a la fatiga del acero de prueba, la temperatura óptima de tratamiento térmico del acero de prueba debe establecerse en 850 ℃.
El engranaje es un componente importante del automóvil.Debido a la operación a alta velocidad, la parte de engrane de la superficie del engranaje debe tener alta resistencia y resistencia a la abrasión, y la raíz del diente debe tener un buen rendimiento de fatiga por flexión debido a la carga repetida constante, para evitar grietas que conduzcan al material. fractura. Las investigaciones muestran que la descarburación es un factor importante que afecta el rendimiento de fatiga por flexión por rotación de materiales metálicos, y el rendimiento por fatiga por flexión por rotación es un indicador importante de la calidad del producto, por lo que es necesario estudiar el comportamiento de descarburación y el rendimiento de fatiga por flexión por rotación del material de prueba.
En este artículo, el horno de tratamiento térmico en la prueba de descarburación de la superficie del acero de engranajes 20CrMnTi analiza diferentes temperaturas de calentamiento en la profundidad de la capa de descarburación del acero de prueba de la ley cambiante; utilizando la máquina de prueba de fatiga de viga simple QBWP-6000J en la prueba de fatiga por flexión rotativa de acero, se determina el rendimiento de fatiga del acero de prueba y, al mismo tiempo, se analiza el impacto de la descarburación en el rendimiento de fatiga del acero de prueba para mejorar la producción real. el proceso de producción, mejorar la calidad de los productos y proporcionar una referencia razonable. El rendimiento de la prueba de fatiga del acero se determina mediante la máquina de prueba de fatiga por flexión por rotación.
1. Materiales y métodos de prueba.
Material de prueba para una unidad que proporciona acero para engranajes 20CrMnTi, la composición química principal 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 y sin manchas. El horno de tratamiento térmico se calentó a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, en la muestra y se mantuvo durante 1 h, y luego se enfrió con aire a temperatura ambiente. Después del tratamiento térmico de la muestra mediante fraguado, esmerilado y pulido, con erosión de solución de alcohol de ácido nítrico al 4%, se utiliza microscopía metalúrgica para observar la capa de descarburación del acero de prueba, midiendo la profundidad de la capa de descarburación a diferentes temperaturas. Prueba de fatiga por flexión por giro: el material de prueba de acuerdo con los requisitos del procesamiento de dos grupos de muestras de fatiga por flexión por giro, el primer grupo no realiza la prueba de descarburación, el segundo grupo realiza la prueba de descarburación a diferentes temperaturas. Usando la máquina de prueba de fatiga por flexión por rotación, los dos grupos de acero de prueba para la prueba de fatiga por flexión por rotación, determinación del límite de fatiga de los dos grupos de acero de prueba, comparación de la vida de fatiga de los dos grupos de acero de prueba, el uso de escaneo Observación de fractura por fatiga con microscopio electrónico, analiza los motivos de la fractura de la muestra y explora el efecto de la descarburación de las propiedades de fatiga del acero de prueba.
Tabla 1 Composición química (fracción de masa) del acero de prueba% en peso
Efecto de la temperatura de calentamiento sobre la descarburación.
La morfología de la organización de descarburación bajo diferentes temperaturas de calentamiento se muestra en la Fig. 1. Como puede verse en la figura, cuando la temperatura es de 675 ℃, la superficie de la muestra no aparece capa de descarburación; cuando la temperatura aumenta a 700 ℃, comienza a aparecer la capa de descarburación de la superficie de la muestra, para la fina capa de descarburación de ferrita; con la temperatura aumenta a 725 ℃, el espesor de la capa de descarburación de la superficie de la muestra aumentó significativamente; El espesor de la capa de descarburación a 750 ℃ alcanza su valor máximo; en este momento, el grano de ferrita es más claro y grueso; cuando la temperatura sube a 800 ℃, el espesor de la capa de descarburación comenzó a disminuir significativamente, su espesor cayó a la mitad de los 750 ℃; cuando la temperatura continúa aumentando a 850 ℃ y el espesor de descarburación se muestra en la Fig. 1. 800 ℃, el espesor de la capa de descarburación total comenzó a disminuir significativamente, su espesor cayó a 750 ℃ a la mitad; cuando la temperatura continúa aumentando a 850 ℃ y más, el espesor de la capa de descarburación total del acero de prueba continúa disminuyendo, el espesor de la capa de descarburación media comienza a aumentar gradualmente hasta que la morfología de la capa de descarburación completa desaparece, y la morfología de la capa de descarburación media se aclara gradualmente. Se puede observar que el espesor de la capa completamente descarburada con el aumento de temperatura primero aumentó y luego se redujo, la razón de este fenómeno se debe a que la muestra en el proceso de calentamiento al mismo tiempo presenta el comportamiento de oxidación y descarburación, solo cuando la velocidad de descarburación es más rápida que la velocidad de oxidación, aparecerá un fenómeno de descarburación. Al comienzo del calentamiento, el espesor de la capa completamente descarburada aumenta gradualmente con el aumento de la temperatura hasta que el espesor de la capa completamente descarburada alcanza el valor máximo; en este momento, para continuar aumentando la temperatura, la velocidad de oxidación de la muestra es más rápida que la tasa de descarburación, que inhibe el aumento de la capa completamente descarburada, lo que resulta en una tendencia a la baja. Se puede ver que, dentro del rango de 675 ~ 950 ℃, el valor del espesor de la capa completamente descarburada a 750 ℃ es el mayor, y el valor del espesor de la capa completamente descarburada a 850 ℃ es el más pequeño. por lo tanto, se recomienda que la temperatura de calentamiento del acero de prueba sea de 850 ℃.
Fig.1 Histomorfología de una capa descarburada de acero de prueba mantenida a diferentes temperaturas de calentamiento durante 1 hora
En comparación con la capa semidescarburada, el espesor de la capa completamente descarburada tiene un impacto negativo más grave en las propiedades del material, reducirá en gran medida las propiedades mecánicas del material, como la reducción de la resistencia, la dureza, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga. , etc., y también aumentan la sensibilidad a las grietas, lo que afecta la calidad de la soldadura, etc. Por lo tanto, controlar el espesor de la capa completamente descarburada es de gran importancia para mejorar el rendimiento del producto. La figura 2 muestra la curva de variación del espesor de la capa completamente descarburada con la temperatura, lo que muestra más claramente la variación del espesor de la capa completamente descarburada. En la figura se puede ver que el espesor de la capa completamente descarburada es de sólo aproximadamente 34 μm a 700 ℃; con la temperatura aumentando a 725 ℃, el espesor de la capa completamente descarburada aumenta significativamente a 86 μm, que es más de dos veces el espesor de la capa completamente descarburada a 700 ℃; cuando la temperatura aumenta a 750 ℃, el espesor de la capa completamente descarburada Cuando la temperatura aumenta a 750 ℃, el espesor de la capa completamente descarburada alcanza el valor máximo de 120 μm; A medida que la temperatura continúa aumentando, el espesor de la capa completamente descarburada comienza a disminuir bruscamente, a 70 μm a 800 ℃, y luego al valor mínimo de aproximadamente 20 μm a 850 ℃.
Fig.2 Espesor de la capa completamente descarburada a diferentes temperaturas
Efecto de la descarburación sobre el rendimiento a fatiga en flexión por giro.
Para estudiar el efecto de la descarburación sobre las propiedades de fatiga del acero para resortes, se llevaron a cabo dos grupos de ensayos de fatiga por flexión por giro, el primer grupo fue un ensayo de fatiga directamente sin descarburación y el segundo grupo fue un ensayo de fatiga después de la descarburación con el mismo esfuerzo. nivel (810 MPa), y el proceso de descarburación se mantuvo a 700-850 ℃ durante 1 h. El primer grupo de especímenes se muestra en la Tabla 2, que es la vida a fatiga del acero para resortes.
La vida a fatiga del primer grupo de especímenes se muestra en la Tabla 2. Como se puede ver 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 probetas comenzaron a fracturarse; cuando el nivel de tensión superó los 850 MPa, todas las muestras de fatiga se fracturaron.
Tabla 2 Vida a fatiga bajo diferentes niveles de tensión (sin descarburación)
Para determinar el límite de fatiga, se utiliza el método de grupo 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 SN, como se muestra en la Figura 3. Como se puede ver en la Figura 3, diferentes niveles de tensión corresponden a diferentes vidas a fatiga, cuando la vida a fatiga de 7 , correspondiente al número de ciclos para 107, lo que significa que la muestra en estas condiciones está en el estado, el valor de tensión correspondiente se puede aproximar como el valor de resistencia a la fatiga, es decir, 760 MPa. Se puede observar que la curva S - N es importante para la determinación de la vida a fatiga del material y tiene un valor de referencia importante.
Figura 3 Curva SN de la prueba experimental de fatiga por flexión rotativa de acero
La vida a fatiga del segundo grupo de muestras se muestra en la Tabla 3. Como se puede ver en la Tabla 3, después de que el acero de prueba se descarbura a diferentes temperaturas, el número de ciclos se reduce obviamente, y son más de 107, y todos las muestras de fatiga se fracturan y la vida de fatiga se reduce considerablemente. Combinado con el espesor de la capa descarburada anterior con la curva de cambio de temperatura que se puede ver, el espesor de la capa descarburada de 750 ℃ es el mayor, correspondiente al valor más bajo de vida a fatiga. El espesor de la capa descarburada de 850 ℃ es el más pequeño y el valor de vida útil correspondiente es relativamente alto. Se puede ver que el comportamiento de descarburación reduce en gran medida el rendimiento de fatiga del material y cuanto más gruesa es la capa descarburada, menor es la vida de fatiga.
Tabla 3 Vida a fatiga a diferentes temperaturas de descarburación (560 MPa)
La morfología de la fractura por fatiga de la muestra se observó mediante un microscopio electrónico de barrido, como se muestra en la Fig. 4. En la Figura 4 (a) para el área de la fuente de la grieta, se puede ver el arco de fatiga obvio en la figura, de acuerdo con el arco de fatiga para encontrar la fuente. de fatiga, se puede ver, la fuente de grietas para las inclusiones no metálicas "ojo de pez", inclusiones en las que es fácil causar concentración de tensión, lo que resulta en grietas por fatiga; En la Fig. 4 (b) para la morfología del área de extensión de la grieta, se pueden ver franjas de fatiga obvias, tenía una distribución similar a un río, pertenece a una fractura cuasi disociativa, con grietas que se expanden y eventualmente conducen a una fractura. La Figura 4(b) muestra la morfología del área de expansión de la grieta, se pueden ver vetas de fatiga obvias, en forma de distribución similar a un río, que pertenece a la fractura cuasi disociativa, y con la expansión continua de las grietas, que finalmente conduce a la fractura. .
Análisis de fractura por fatiga.
Fig.4 Morfología SEM de la superficie de fractura por fatiga de un acero experimental.
Para determinar el tipo de inclusiones en la Fig. 4, se llevó a cabo un análisis de composición del espectro energético y los resultados se muestran en la Fig. 5. Se puede ver que las inclusiones no metálicas son principalmente inclusiones de Al2O3, lo que indica que las inclusiones son la principal fuente de grietas causadas por el agrietamiento de inclusiones.
Figura 5 Espectroscopia de energía de inclusiones no metálicas
Concluir
(1) Colocar la temperatura de calentamiento en 850 ℃ minimizará el espesor de la capa descarburada para reducir el efecto sobre el rendimiento de fatiga.
(2) El límite de fatiga de la flexión por rotación del acero de prueba es 760 MPa.
(3) El acero de prueba se agrieta en inclusiones no metálicas, principalmente mezcla de Al2O3.
(4) la descarburación reduce seriamente la vida útil del acero de prueba; cuanto más gruesa es la capa de descarburación, menor es la vida útil.
Hora de publicación: 21 de junio de 2024
