میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشاهده شکستگی خستگی و تجزیه و تحلیل مکانیسم شکست استفاده شد. در همان زمان، آزمایش خستگی خمشی چرخشی بر روی نمونه‌های کربنزدایی شده در دماهای مختلف برای مقایسه عمر خستگی فولاد آزمایش با و بدون کربنزدایی، و تجزیه و تحلیل اثر کربنزدایی بر عملکرد خستگی فولاد آزمایش انجام شد. نتایج نشان می دهد که به دلیل وجود همزمان اکسیداسیون و کربن زدایی در فرآیند گرمایش، برهمکنش بین این دو و در نتیجه ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده با رشد دما روند افزایشی و سپس کاهشی را نشان می دهد. ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده به حداکثر مقدار 120 میکرومتر در دمای 750 درجه سانتیگراد می رسد و ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده به حداقل مقدار 20 میکرومتر در دمای 850 درجه سانتیگراد می رسد و حد خستگی فولاد آزمایش حدود 760 مگاپاسکال است. منبع ترک های خستگی در فولاد آزمایشی عمدتاً اجزاء غیر فلزی Al2O3 است. رفتار کربن زدایی تا حد زیادی عمر خستگی فولاد آزمایش را کاهش می دهد، بر عملکرد خستگی فولاد آزمایش تأثیر می گذارد، هر چه لایه کربن زدایی ضخیم تر باشد، عمر خستگی کمتر می شود. به منظور کاهش تأثیر لایه کربن زدایی بر عملکرد خستگی فولاد آزمایش، دمای عملیات حرارتی بهینه فولاد مورد آزمایش باید در 850 درجه سانتیگراد تنظیم شود.
دنده یکی از اجزای مهم خودرو استبه دلیل کار با سرعت بالا، قسمت مش بندی سطح چرخ دنده باید استحکام و مقاومت سایشی بالایی داشته باشد و ریشه دندان به دلیل بار مکرر ثابت عملکرد خستگی خمشی خوبی داشته باشد تا از ترک هایی که منجر به مواد می شود جلوگیری شود. شکستگی تحقیقات نشان می‌دهد که کربنزدایی عامل مهمی است که بر عملکرد خستگی خمشی مواد فلزی تأثیر می‌گذارد و عملکرد خستگی خمشی چرخشی شاخص مهمی برای کیفیت محصول است، بنابراین مطالعه رفتار کربنزدایی و عملکرد خستگی خمشی چرخشی ماده آزمایش ضروری است.
در این مقاله، کوره عملیات حرارتی بر روی تست کربن زدایی سطح فولاد دنده ای 20CrMnTi، دماهای گرمایش مختلف را بر روی عمق لایه کربن زدایی فولاد آزمایشی از قانون تغییر تجزیه و تحلیل می کند. با استفاده از دستگاه تست خستگی تیر ساده QBWP-6000J بر روی تست خستگی خمشی دوار فولاد آزمایشی، تعیین عملکرد خستگی فولاد آزمایشی، و در عین حال برای تجزیه و تحلیل تاثیر کربن زدایی بر عملکرد خستگی فولاد آزمایش برای تولید واقعی برای بهبود فرآیند تولید، افزایش کیفیت محصولات و ارائه یک مرجع معقول. عملکرد خستگی فولاد آزمایشی توسط دستگاه تست خستگی خمشی چرخشی تعیین می شود.
1. مواد و روش های آزمایش
مواد آزمایشی برای یک واحد برای تهیه فولاد دنده 20CrMnTi، ترکیب شیمیایی اصلی همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. کوره عملیات حرارتی تا 675 ℃، 700 ℃، 725 ℃، 750 ℃، 800 ℃، 850 ℃، 900 ℃، 950 ℃، 1000 ℃ گرم شده و سپس در دمای هوای 1000 ℃ نگهداری می شود. پس از عملیات حرارتی نمونه با گیرش، آسیاب و پرداخت، با 4 درصد فرسایش محلول الکل اسید نیتریک، استفاده از میکروسکوپ متالورژیکی برای مشاهده لایه کربن زدایی فولاد آزمایشی، اندازه گیری عمق لایه کربن زدایی در دماهای مختلف. تست خستگی خمش چرخشی: مواد آزمایشی با توجه به نیازهای پردازش دو گروه از نمونه‌های خستگی خمشی چرخشی، گروه اول تست کربنزدایی را انجام نمی‌دهند، گروه دوم تست کربنزدایی را در دماهای مختلف انجام نمی‌دهند. با استفاده از دستگاه تست خستگی خمشی چرخشی، دو گروه فولاد آزمایشی برای تست خستگی خمشی چرخشی، تعیین حد خستگی دو گروه فولاد آزمایش، مقایسه طول عمر خستگی دو گروه فولاد آزمایش، استفاده از اسکن مشاهده شکست خستگی میکروسکوپ الکترونی، تجزیه و تحلیل دلایل شکست نمونه، برای کشف اثر کربن زدایی از خواص خستگی فولاد آزمایش.
جدول 1 ترکیب شیمیایی (کسر جرمی) درصد وزنی فولاد آزمایشی
تاثیر دمای گرمایش بر کربن زدایی
مورفولوژی سازمان دکربوریزاسیون تحت دماهای مختلف گرمایش در شکل 1 نشان داده شده است. هنگامی که دما به 700 درجه سانتیگراد افزایش یافت، لایه کربن زدایی سطح نمونه برای لایه نازک کربن زدایی فریت ظاهر شد. با افزایش دما به 725 ℃، ضخامت لایه کربن زدایی سطح نمونه به طور قابل توجهی افزایش یافت. 750 ℃ ضخامت لایه decarburization به حداکثر مقدار خود می رسد، در این زمان، دانه فریت شفاف تر، درشت تر است. هنگامی که درجه حرارت به 800 ℃ افزایش می یابد، ضخامت لایه decarburization شروع به کاهش قابل توجهی کرد، ضخامت آن به نیمی از 750 ℃ کاهش یافت. هنگامی که دما تا 850 ℃ افزایش می یابد و ضخامت دکربوریزاسیون در شکل 1 نشان داده شده است. هنگامی که دما تا 850 ℃ و بالاتر افزایش می‌یابد، ضخامت لایه کربنزدایی کامل فولاد آزمایشی همچنان کاهش می‌یابد، نیمی از ضخامت لایه کربنزدایی شروع به افزایش تدریجی می‌کند تا زمانی که مورفولوژی لایه کربنزدایی کامل ناپدید شد، مورفولوژی لایه کربنزدایی نیمی به تدریج روشن شد. مشاهده می‌شود که ضخامت لایه کاملاً کربنزدایی شده با افزایش دما ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد، دلیل این پدیده به دلیل نمونه در فرآیند گرمایش و در عین حال رفتار اکسیداسیون و کربنزدایی است، تنها زمانی که سرعت کربن زدایی سریعتر از سرعت اکسیداسیون است، پدیده کربن زدایی ظاهر می شود. در ابتدای گرمایش، ضخامت لایه کاملاً کربنزدایی شده به تدریج با افزایش دما افزایش می‌یابد تا زمانی که ضخامت لایه کاملاً کربنزدایی شده به حداکثر مقدار برسد، در این زمان برای ادامه افزایش دما، سرعت اکسیداسیون نمونه سریعتر از نرخ کربن زدایی، که از افزایش لایه کاملاً کربن زدایی شده جلوگیری می کند و در نتیجه یک روند نزولی ایجاد می کند. مشاهده می شود که در محدوده 675 × 950 ℃، مقدار ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده در 750 ℃ بزرگترین است و مقدار ضخامت لایه کاملاً بدون کربن در 850 ℃ کوچکترین است. بنابراین، دمای گرمایش فولاد آزمایشی 850 درجه سانتیگراد توصیه می شود.
شکل 1 هیستومورفولوژی لایه کربن زدایی شده از فولاد آزمایشی که در دماهای مختلف حرارت دهی به مدت 1 ساعت نگهداری می شود.
در مقایسه با لایه نیمه کربناته شده، ضخامت لایه کاملاً دکربوره شده تأثیر منفی جدی تری بر خواص مواد دارد و به میزان زیادی خواص مکانیکی مواد مانند کاهش استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش و حد خستگی را کاهش می دهد. و غیره و همچنین افزایش حساسیت به ترک، تاثیر بر کیفیت جوش و غیره. بنابراین، کنترل ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده برای بهبود عملکرد محصول از اهمیت بالایی برخوردار است. شکل 2 منحنی تغییرات ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده را با دما نشان می دهد که تغییر ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده را با وضوح بیشتری نشان می دهد. از شکل مشاهده می شود که ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده تنها در حدود 34 میکرومتر در دمای 700 درجه سانتیگراد است. با افزایش دما به 725 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده به طور قابل توجهی به 86 میکرومتر افزایش می یابد که بیش از دو برابر ضخامت لایه کاملاً بدون کربن در دمای 700 ℃ است. هنگامی که دما به 750 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده هنگامی که دما به 750 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده به حداکثر مقدار 120 میکرومتر می رسد. با ادامه افزایش دما، ضخامت لایه کاملاً بدون کربن شروع به کاهش شدید می کند، به 70 میکرومتر در 800 درجه سانتیگراد، و سپس به حداقل مقدار حدود 20 میکرومتر در 850 درجه سانتیگراد می رسد.
شکل 2 ضخامت لایه کاملاً کربن زدایی شده در دماهای مختلف
تاثیر کربن زدایی بر عملکرد خستگی در خمش چرخشی
به منظور بررسی تأثیر کربن زدایی بر خواص خستگی فولاد فنر، دو گروه آزمایش خستگی خمشی اسپین انجام شد، گروه اول آزمایش خستگی مستقیم بدون کربن زدایی و گروه دوم آزمایش خستگی پس از کربن زدایی در همان تنش انجام شد. سطح (810 مگاپاسکال) و فرآیند دفع کربن در دمای 700-850 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت انجام شد. اولین گروه از نمونه ها در جدول 2 نشان داده شده است که عمر خستگی فولاد فنر را نشان می دهد.
عمر خستگی اولین گروه از نمونه ها در جدول 2 نشان داده شده است. همانطور که از جدول 2 مشاهده می شود، بدون کربن زدایی، فولاد آزمایش تنها تحت 107 سیکل در 810 مگاپاسکال قرار گرفت و هیچ شکستی رخ نداد. هنگامی که سطح تنش از 830 مگاپاسکال فراتر رفت، برخی از نمونه ها شروع به شکستن کردند. هنگامی که سطح تنش از 850 مگاپاسکال فراتر رفت، نمونه های خستگی همگی شکسته شدند.
جدول 2 عمر خستگی تحت سطوح مختلف استرس (بدون دفع کربن)
برای تعیین حد خستگی، از روش گروهی برای تعیین حد خستگی فولاد آزمایشی استفاده می شود و پس از تجزیه و تحلیل آماری داده ها، حد خستگی فولاد آزمایش حدود 760 مگاپاسکال است. به منظور مشخص کردن طول عمر خستگی فولاد آزمایشی تحت تنش های مختلف، منحنی SN ترسیم شده است، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. متناظر با تعداد چرخه برای 107، به این معنی که نمونه تحت این شرایط در حال عبور است، مقدار تنش مربوطه را می توان به عنوان مقدار مقاومت خستگی، یعنی 760 مگاپاسکال، تقریب زد. مشاهده می شود که منحنی S - N برای تعیین عمر خستگی ماده دارای یک مقدار مرجع مهم است.
شکل 3 منحنی SN آزمایش خستگی خمشی دوار فولادی
عمر خستگی گروه دوم از نمونه ها در جدول 3 نشان داده شده است. همانطور که از جدول 3 مشاهده می شود، پس از اینکه فولاد آزمایش در دماهای مختلف کربن زدایی شد، تعداد چرخه ها به وضوح کاهش می یابد و آنها بیش از 107 هستند، و همه آنها نمونه های خستگی شکسته می شوند و عمر خستگی بسیار کاهش می یابد. همراه با ضخامت لایه decarburized بالا با منحنی تغییر دما دیده می شود، 750 ℃ ضخامت لایه decarburized بزرگترین، مربوط به کمترین مقدار عمر خستگی است. 850 ℃ ضخامت لایه decarburized کوچکترین است، مربوط به ارزش عمر خستگی نسبتا بالا است. مشاهده می شود که رفتار کربن زدایی عملکرد خستگی ماده را تا حد زیادی کاهش می دهد و هر چه لایه کربن زدایی ضخیم تر باشد عمر خستگی کمتر می شود.
جدول 3 عمر خستگی در دماهای کربن زدایی مختلف (560 مگاپاسکال)
مورفولوژی شکست ناشی از خستگی نمونه با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. از خستگی، می توان دید، منبع ترک برای "چشم ماهی" اجزاء غیر فلزی، اجزاء در آسان برای ایجاد تمرکز استرس، و در نتیجه ترک های خستگی. شکل 4(b) برای مورفولوژی ناحیه گسترش ترک، می توان خطوط خستگی آشکار را مشاهده کرد، توزیع رودخانه مانند بود، متعلق به شکستگی شبه تجزیه، با گسترش ترک ها، در نهایت منجر به شکستگی شد. شکل 4 (ب) مورفولوژی ناحیه گسترش ترک را نشان می دهد، رگه های خستگی آشکار را می توان مشاهده کرد، به شکل توزیع رودخانه مانند که متعلق به شکستگی شبه تجزیه است و با گسترش مداوم ترک ها، در نهایت منجر به شکستگی می شود. .
تجزیه و تحلیل شکستگی خستگی
شکل 4 مورفولوژی SEM سطح شکست خستگی فولاد آزمایشی
به منظور تعیین نوع آخال ها در شکل 4، تجزیه و تحلیل ترکیب طیف انرژی انجام شد و نتایج در شکل 5 نشان داده شده است. مشاهده می شود که ادخال های غیرفلزی عمدتاً ادخال های Al2O3 هستند که نشان می دهد ادخال ها منبع اصلی ترک های ناشی از ترک خوردگی آخال ها هستند.
شکل 5 طیف سنجی انرژی اجزای غیرفلزی
نتیجه گیری
(1) قرار دادن دمای گرمایش در 850 ℃ ضخامت لایه بدون کربن را به حداقل می رساند تا تأثیر آن بر عملکرد خستگی کاهش یابد.
(2) حد خستگی خمش اسپین فولاد آزمایشی 760 مگاپاسکال است.
(3) ترک خوردگی فولاد آزمایشی در اجزاء غیر فلزی، عمدتاً مخلوط Al2O3.
(4) کربن زدایی به طور جدی عمر خستگی فولاد آزمایش را کاهش می دهد، هر چه لایه کربن زدایی ضخیم تر باشد، عمر خستگی کمتر می شود.
زمان ارسال: ژوئن-21-2024