از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشاهده شکست خستگی و تجزیه و تحلیل مکانیسم شکست استفاده شد. همزمان، آزمایش خستگی خمشی چرخشی بر روی نمونههای دکربوره شده در دماهای مختلف انجام شد تا عمر خستگی فولاد مورد آزمایش با و بدون دکربوره شدن مقایسه شود و تأثیر دکربوره شدن بر عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش تجزیه و تحلیل شود. نتایج نشان میدهد که به دلیل وجود همزمان اکسیداسیون و دکربوره شدن در فرآیند گرمایش، برهمکنش بین این دو، که منجر به ضخامت لایه کاملاً دکربوره شده با رشد دما میشود، روند افزایشی و سپس کاهشی را نشان میدهد، ضخامت لایه کاملاً دکربوره شده در دمای 750 درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار 120 میکرومتر و ضخامت لایه کاملاً دکربوره شده در دمای 850 درجه سانتیگراد به حداقل مقدار 20 میکرومتر میرسد و حد خستگی فولاد مورد آزمایش حدود 760 مگاپاسکال است و منبع ترکهای خستگی در فولاد مورد آزمایش عمدتاً آخالهای غیرفلزی Al2O3 است. رفتار دکربوریزاسیون به شدت عمر خستگی فولاد مورد آزمایش را کاهش میدهد و بر عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش تأثیر میگذارد، هرچه لایه دکربوریزاسیون ضخیمتر باشد، عمر خستگی کمتر میشود. به منظور کاهش تأثیر لایه دکربوریزاسیون بر عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش، دمای بهینه عملیات حرارتی فولاد مورد آزمایش باید روی 850 درجه سانتیگراد تنظیم شود.
چرخ دنده جزء مهمی از خودرو استبه دلیل عملکرد در سرعت بالا، قسمت درگیر سطح چرخدنده باید از استحکام و مقاومت سایشی بالایی برخوردار باشد و ریشه دندانه نیز به دلیل بار مکرر ثابت، باید عملکرد خستگی خمشی خوبی داشته باشد تا از ترکهایی که منجر به شکستگی ماده میشوند، جلوگیری شود. تحقیقات نشان میدهد که کربنزدایی عامل مهمی است که بر عملکرد خستگی خمشی چرخشی مواد فلزی تأثیر میگذارد و عملکرد خستگی خمشی چرخشی شاخص مهمی از کیفیت محصول است، بنابراین لازم است رفتار کربنزدایی و عملکرد خستگی خمشی چرخشی ماده مورد آزمایش بررسی شود.
در این مقاله، کوره عملیات حرارتی روی سطح فولاد دنده 20CrMnTi آزمایش دکربوریزاسیون انجام میدهد، دماهای گرمایش مختلف را بر روی عمق لایه دکربوریزاسیون فولاد مورد آزمایش تجزیه و تحلیل میکند و قانون تغییر را بررسی میکند؛ با استفاده از دستگاه تست خستگی تیر ساده QBWP-6000J، فولاد مورد آزمایش را در تست خستگی خمشی چرخشی آزمایش میکند، عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش را تعیین میکند و همزمان تأثیر دکربوریزاسیون را بر عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش برای تولید واقعی تجزیه و تحلیل میکند تا فرآیند تولید را بهبود بخشد، کیفیت محصولات را افزایش دهد و یک مرجع معقول ارائه دهد. عملکرد خستگی فولاد مورد آزمایش توسط دستگاه تست خستگی خمشی چرخشی تعیین میشود.
۱. مواد و روشهای آزمایش
مواد مورد آزمایش برای یک واحد، فولاد دنده 20CrMnTi است که ترکیب شیمیایی اصلی آن در جدول 1 نشان داده شده است. آزمایش کربنزدایی: مواد آزمایش به نمونه استوانهای Ф8 میلیمتر × 12 میلیمتر تبدیل میشوند، سطح آن باید روشن و بدون لکه باشد. کوره عملیات حرارتی تا دمای 675، 700، 725، 750، 800، 850، 900، 950 و 1000 درجه سانتیگراد گرم شده و به مدت 1 ساعت در آن نگهداری میشود و سپس در هوا تا دمای اتاق خنک میشود. پس از عملیات حرارتی نمونه با تنظیم، سنگزنی و صیقل دادن، با 4٪ محلول الکل اسید نیتریک فرسایش داده میشود، با استفاده از میکروسکوپ متالورژیکی لایه کربنزدایی فولاد مورد آزمایش مشاهده میشود و عمق لایه کربنزدایی در دماهای مختلف اندازهگیری میشود. تست خستگی خمش چرخشی: مواد آزمایشی طبق الزامات پردازش دو گروه از نمونههای خستگی خمش چرخشی، گروه اول تست دکربوریزاسیون انجام نمیدهد، گروه دوم تست دکربوریزاسیون را در دماهای مختلف انجام میدهد. با استفاده از دستگاه تست خستگی خمش چرخشی، دو گروه از فولاد مورد آزمایش برای تست خستگی خمش چرخشی، تعیین حد خستگی دو گروه از فولاد مورد آزمایش، مقایسه عمر خستگی دو گروه از فولاد مورد آزمایش، استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشاهده شکستگی خستگی، تجزیه و تحلیل دلایل شکستگی نمونه، بررسی تأثیر دکربوریزاسیون بر خواص خستگی فولاد مورد آزمایش.
جدول 1 ترکیب شیمیایی (کسر جرمی) درصد وزنی فولاد مورد آزمایش
تأثیر دمای گرمایش بر کربنزدایی
مورفولوژی سازماندهی کربنزدایی تحت دماهای گرمایشی مختلف در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که از شکل مشاهده میشود، وقتی دما 675 درجه سانتیگراد است، لایه کربنزدایی روی سطح نمونه ظاهر نمیشود. وقتی دما به 700 درجه سانتیگراد افزایش مییابد، لایه کربنزدایی روی سطح نمونه شروع به ظاهر شدن میکند، برای لایه نازک کربنزدایی فریت. با افزایش دما به 725 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه کربنزدایی سطح نمونه به طور قابل توجهی افزایش مییابد. ضخامت لایه کربنزدایی در 750 درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار خود میرسد، در این زمان، دانه فریت شفافتر و درشتتر است. وقتی دما به 800 درجه سانتیگراد افزایش مییابد، ضخامت لایه کربنزدایی به طور قابل توجهی کاهش مییابد و ضخامت آن به نصف 750 درجه سانتیگراد میرسد. وقتی دما همچنان تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد افزایش مییابد و ضخامت کربنزدایی در شکل ۱ نشان داده شده است. در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد، ضخامت لایه کربنزدایی کامل شروع به کاهش قابل توجهی میکند و ضخامت آن به ۷۵۰ درجه سانتیگراد کاهش مییابد. وقتی دما همچنان تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد و بالاتر افزایش مییابد، ضخامت لایه کربنزدایی کامل فولاد مورد آزمایش همچنان کاهش مییابد و ضخامت لایه کربنزدایی نیمه شروع به افزایش تدریجی میکند تا زمانی که مورفولوژی لایه کربنزدایی کامل کاملاً ناپدید شود و مورفولوژی لایه کربنزدایی نیمه به تدریج شفاف میشود. مشاهده میشود که ضخامت لایه کربنزدایی کامل با افزایش دما ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد. دلیل این پدیده این است که نمونه در فرآیند گرمایش به طور همزمان رفتار اکسیداسیون و کربنزدایی را نشان میدهد، تنها زمانی که سرعت کربنزدایی سریعتر از سرعت اکسیداسیون باشد، پدیده کربنزدایی ظاهر میشود. در ابتدای گرمایش، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده با افزایش دما به تدریج افزایش مییابد تا زمانی که ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده به حداکثر مقدار خود برسد، در این زمان برای ادامه افزایش دما، سرعت اکسیداسیون نمونه سریعتر از سرعت دکربوریزاسیون است که مانع از افزایش لایه کاملاً دکربوریزه شده میشود و در نتیجه روند نزولی ایجاد میشود. مشاهده میشود که در محدوده دمایی 675 تا 950 درجه سانتیگراد، مقدار ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده در دمای 750 درجه سانتیگراد بیشترین و مقدار ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده در دمای 850 درجه سانتیگراد کمترین مقدار را دارد، بنابراین دمای گرمایش فولاد مورد آزمایش 850 درجه سانتیگراد توصیه میشود.
شکل 1 هیستومورفولوژی لایه کربنزدایی شده فولاد مورد آزمایش که به مدت 1 ساعت در دماهای گرمایش مختلف نگهداری شده است
در مقایسه با لایه نیمه دکربوریزه، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه تأثیر منفی جدیتری بر خواص ماده دارد، این امر خواص مکانیکی ماده مانند کاهش استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش و حد خستگی و غیره را به شدت کاهش میدهد و همچنین حساسیت به ترکها را افزایش میدهد که بر کیفیت جوشکاری و غیره تأثیر میگذارد. بنابراین، کنترل ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه برای بهبود عملکرد محصول از اهمیت بالایی برخوردار است. شکل 2 منحنی تغییرات ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه با دما را نشان میدهد که تغییرات ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه را به وضوح بیشتری نشان میدهد. از شکل میتوان دریافت که ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه تنها حدود 34 میکرومتر در دمای 700 درجه سانتیگراد است. با افزایش دما به 725 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه به طور قابل توجهی به 86 میکرومتر افزایش مییابد که بیش از دو برابر ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه در دمای 700 درجه سانتیگراد است. وقتی دما تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد افزایش مییابد، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده افزایش مییابد. وقتی دما تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد افزایش مییابد، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده به حداکثر مقدار خود یعنی ۱۲۰ میکرومتر میرسد؛ با افزایش مداوم دما، ضخامت لایه کاملاً دکربوریزه شده به شدت شروع به کاهش میکند و در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد به ۷۰ میکرومتر و سپس در دمای ۸۵۰ درجه سانتیگراد به حداقل مقدار خود یعنی حدود ۲۰ میکرومتر میرسد.
شکل 2 ضخامت لایه کاملاً دکربوره شده در دماهای مختلف
تأثیر کربنزدایی بر عملکرد خستگی در خمکاری چرخشی
به منظور بررسی تأثیر کربنزدایی بر خواص خستگی فولاد فنر، دو گروه آزمایش خستگی خمشی چرخشی انجام شد، گروه اول آزمایش خستگی مستقیماً بدون کربنزدایی و گروه دوم آزمایش خستگی پس از کربنزدایی در همان سطح تنش (810 مگاپاسکال) بود و فرآیند کربنزدایی به مدت 1 ساعت در دمای 700-850 درجه سانتیگراد انجام شد. گروه اول نمونهها در جدول 2 نشان داده شده است که نشاندهنده عمر خستگی فولاد فنر است.
عمر خستگی گروه اول نمونهها در جدول 2 نشان داده شده است. همانطور که از جدول 2 مشاهده میشود، بدون کربنزدایی، فولاد مورد آزمایش تنها تحت 107 سیکل در 810 مگاپاسکال قرار گرفت و هیچ شکستگی رخ نداد؛ هنگامی که سطح تنش از 830 مگاپاسکال فراتر رفت، برخی از نمونهها شروع به شکستگی کردند؛ هنگامی که سطح تنش از 850 مگاپاسکال فراتر رفت، نمونههای خستگی همگی دچار شکستگی شدند.
جدول 2 عمر خستگی تحت سطوح مختلف تنش (بدون کربنزدایی)
برای تعیین حد خستگی، از روش گروهی برای تعیین حد خستگی فولاد مورد آزمایش استفاده میشود و پس از تجزیه و تحلیل آماری دادهها، حد خستگی فولاد مورد آزمایش حدود 760 مگاپاسکال است؛ به منظور مشخص کردن عمر خستگی فولاد مورد آزمایش تحت تنشهای مختلف، منحنی SN مطابق شکل 3 رسم شده است. همانطور که از شکل 3 مشاهده میشود، سطوح مختلف تنش با عمر خستگی متفاوت مطابقت دارند، وقتی عمر خستگی 7 باشد، که مربوط به تعداد چرخهها برای 107 است، به این معنی که نمونه تحت این شرایط از حالت عبور میکند، مقدار تنش مربوطه را میتوان به عنوان مقدار استحکام خستگی، یعنی 760 مگاپاسکال، تقریب زد. مشاهده میشود که منحنی S - N برای تعیین عمر خستگی ماده مهم است و یک مقدار مرجع مهم دارد.
شکل 3 منحنی SN مربوط به آزمایش خستگی خمشی چرخشی فولاد
عمر خستگی گروه دوم نمونهها در جدول 3 نشان داده شده است. همانطور که از جدول 3 مشاهده میشود، پس از کربنزدایی فولاد مورد آزمایش در دماهای مختلف، تعداد چرخهها به طور قابل توجهی کاهش مییابد و به بیش از 107 میرسد و تمام نمونههای خستگی دچار شکستگی میشوند و عمر خستگی به شدت کاهش مییابد. با توجه به ضخامت لایه کربنزدایی شده فوق و منحنی تغییر دما، ضخامت لایه کربنزدایی شده 750 درجه سانتیگراد بزرگترین ضخامت است که مربوط به کمترین مقدار عمر خستگی است. ضخامت لایه کربنزدایی شده 850 درجه سانتیگراد کوچکترین ضخامت است که مربوط به کمترین مقدار عمر خستگی است. مشاهده میشود که رفتار کربنزدایی، عملکرد خستگی ماده را به شدت کاهش میدهد و هرچه لایه کربنزدایی شده ضخیمتر باشد، عمر خستگی کمتر است.
جدول 3 عمر خستگی در دماهای مختلف کربنزدایی (560 مگاپاسکال)
مورفولوژی شکست خستگی نمونه توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. در شکل 4(a) برای ناحیه منبع ترک، میتوان قوس خستگی آشکاری را مشاهده کرد، با توجه به قوس خستگی برای یافتن منبع خستگی، میتوان منبع ترک را برای آخالهای غیرفلزی "چشم ماهی" مشاهده کرد، آخالهایی که به راحتی باعث تمرکز تنش میشوند و در نتیجه ترکهای خستگی ایجاد میشوند. در شکل 4(b) برای مورفولوژی ناحیه گسترش ترک، میتوان نوارهای خستگی آشکاری را مشاهده کرد که توزیع رودخانهای دارند و متعلق به شکستگی شبه تجزیهای هستند، با گسترش ترکها که در نهایت منجر به شکستگی میشوند. شکل 4(b) مورفولوژی ناحیه گسترش ترک را نشان میدهد، رگههای خستگی آشکاری را میتوان مشاهده کرد که به شکل توزیع رودخانهای هستند و متعلق به شکستگی شبه تجزیهای هستند و با گسترش مداوم ترکها، در نهایت منجر به شکستگی میشوند.
تحلیل شکست خستگی
شکل 4 مورفولوژی SEM سطح شکست خستگی فولاد آزمایشی
به منظور تعیین نوع آخالهای موجود در شکل ۴، آنالیز ترکیب طیف انرژی انجام شد و نتایج در شکل ۵ نشان داده شده است. مشاهده میشود که آخالهای غیرفلزی عمدتاً آخالهای Al2O3 هستند که نشان میدهد آخالها منبع اصلی ترکهای ناشی از ترکخوردگی آخالها هستند.
شکل 5 طیفسنجی انرژی آخالهای غیرفلزی
نتیجهگیری
(1) قرار دادن دمای گرمایش در 850 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه دکربوریزه شده را به حداقل میرساند تا تأثیر آن بر عملکرد خستگی کاهش یابد.
(2) حد خستگی خمش چرخشی فولاد مورد آزمایش 760 مگاپاسکال است.
(3) ترک خوردگی فولاد مورد آزمایش در آخالهای غیرفلزی، عمدتاً مخلوط Al2O3.
(4) کربنزدایی به طور جدی عمر خستگی فولاد مورد آزمایش را کاهش میدهد، هرچه لایه کربنزدایی ضخیمتر باشد، عمر خستگی کمتر است.
زمان ارسال: ۲۱ ژوئن ۲۰۲۴
