Microscópio eletrônico de varredura foi utilizado para observar a fratura por fadiga e analisar o mecanismo de fratura; ao mesmo tempo, o teste de fadiga por flexão e rotação foi realizado nas amostras descarbonetadas em diferentes temperaturas para comparar a vida à fadiga do aço de teste com e sem descarbonetação e para analisar o efeito da descarbonetação no desempenho de fadiga do aço de teste. Os resultados mostram que, devido à existência simultânea de oxidação e descarbonetação no processo de aquecimento, a interação entre as duas, resultando na espessura da camada totalmente descarbonetada com o crescimento da temperatura apresenta uma tendência de aumento e depois de diminuição, a a espessura da camada totalmente descarbonetada atinge um valor máximo de 120 μm a 750 ℃, e a espessura da camada totalmente descarbonetada atinge um valor mínimo de 20 μm a 850 ℃, e o limite de fadiga do aço de teste é de cerca de 760 MPa, e a fonte de trincas por fadiga no aço de teste são principalmente inclusões não metálicas de Al2O3; o comportamento de descarbonetação reduz muito a vida em fadiga do aço de teste, afetando o desempenho em fadiga do aço de teste. Quanto mais espessa for a camada de descarbonetação, menor será a vida em fadiga. A fim de reduzir o impacto da camada de descarbonetação no desempenho de fadiga do aço de teste, a temperatura ideal de tratamento térmico do aço de teste deve ser ajustada em 850°C.
A engrenagem é um componente importante do automóvel,devido à operação em alta velocidade, a parte engrenada da superfície da engrenagem deve ter alta resistência e resistência à abrasão, e a raiz do dente deve ter bom desempenho de fadiga por flexão devido à carga repetida constante, a fim de evitar trincas que levam ao material fratura. A pesquisa mostra que a descarbonetação é um fator importante que afeta o desempenho da fadiga por flexão por rotação de materiais metálicos, e o desempenho da fadiga por flexão por rotação é um indicador importante da qualidade do produto, por isso é necessário estudar o comportamento de descarbonetação e o desempenho da fadiga por flexão por rotação do material de teste.
Neste artigo, o forno de tratamento térmico no teste de descarbonetação da superfície do aço da engrenagem 20CrMnTi analisa diferentes temperaturas de aquecimento na profundidade da camada de descarbonetação do aço de teste da lei em mudança; usando a máquina de teste de fadiga de feixe simples QBWP-6000J no teste de fadiga por flexão rotativa do aço de teste, determinação do desempenho de fadiga do aço de teste e, ao mesmo tempo, para analisar o impacto da descarbonetação no desempenho de fadiga do aço de teste para a produção real melhorar o processo de produção, melhora a qualidade dos produtos e fornece uma referência razoável. O desempenho de fadiga do aço de teste é determinado pela máquina de teste de fadiga por flexão por rotação.
1. Materiais e métodos de teste
Material de teste para uma unidade para fornecer aço para engrenagens 20CrMnTi, a principal composição química conforme mostrado na Tabela 1. Teste de descarbonetação: o material de teste é processado em uma amostra cilíndrica de Ф8 mm × 12 mm, a superfície deve ser brilhante e sem manchas. O forno de tratamento térmico foi aquecido a 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, na amostra e mantido por 1 h, e então resfriado a ar até a temperatura ambiente. Após o tratamento térmico da amostra por presa, retificação e polimento, com erosão da solução de álcool de ácido nítrico a 4%, utiliza-se microscopia metalúrgica para observar a camada de descarbonetação do aço teste, medindo a profundidade da camada de descarbonetação em diferentes temperaturas. Teste de fadiga por flexão por rotação: o material de teste de acordo com os requisitos do processamento de dois grupos de amostras de fadiga por flexão por rotação, o primeiro grupo não realiza teste de descarbonetação, o segundo grupo de teste de descarbonetação em diferentes temperaturas. Usando a máquina de teste de fadiga por flexão por rotação, os dois grupos de aço de teste para teste de fadiga por flexão por rotação, determinação do limite de fadiga dos dois grupos de aço de teste, comparação da vida à fadiga dos dois grupos de aço de teste, o uso de varredura observação de fratura por fadiga por microscópio eletrônico, analisar as razões da fratura da amostra, para explorar o efeito da descarbonetação das propriedades de fadiga do aço de teste.
Tabela 1 Composição química (fração de massa) do aço de teste% em peso
Efeito da temperatura de aquecimento na descarbonetação
A morfologia da organização da descarbonetação sob diferentes temperaturas de aquecimento é mostrada na Fig. 1. Como pode ser visto na figura, quando a temperatura é de 675 ℃, a superfície da amostra não aparece camada de descarbonetação; quando a temperatura sobe para 700 ℃, a camada de descarbonetação da superfície da amostra começa a aparecer, para a fina camada de descarbonetação de ferrita; com o aumento da temperatura para 725 ℃, a espessura da camada de descarbonetação da superfície da amostra aumentou significativamente; A espessura da camada de descarbonetação de 750 ℃ atinge seu valor máximo, neste momento o grão de ferrita é mais claro, grosso; quando a temperatura sobe para 800 ℃, a espessura da camada de descarbonetação começa a diminuir significativamente, sua espessura cai para metade dos 750 ℃; quando a temperatura continua a subir para 850 ℃ e a espessura da descarbonetação é mostrada na Fig. 1. 800 ℃, a espessura total da camada de descarbonetação começou a diminuir significativamente, sua espessura caiu para 750 ℃ pela metade; quando a temperatura continua a subir para 850 ℃ e acima, a espessura da camada de descarbonetação total do aço de teste continua a diminuir, a espessura da meia camada de descarbonetação começou a aumentar gradualmente até que toda a morfologia da camada de descarbonetação desapareceu, a morfologia da meia camada de descarbonetação gradualmente desapareceu. Pode-se observar que a espessura da camada totalmente descarbonetada com o aumento da temperatura foi primeiro aumentada e depois reduzida, a razão para este fenômeno é devido à amostra no processo de aquecimento ao mesmo tempo o comportamento de oxidação e descarbonetação, somente quando a taxa de descarbonetação é mais rápida do que a velocidade de oxidação aparecerá fenômeno de descarbonetação. No início do aquecimento, a espessura da camada totalmente descarbonetada aumenta gradualmente com o aumento da temperatura até que a espessura da camada totalmente descarbonetada atinja o valor máximo, neste momento para continuar a aumentar a temperatura, a taxa de oxidação da amostra é mais rápida do que a taxa de descarbonetação, que inibe o aumento da camada totalmente descarbonetada, resultando em uma tendência de queda. Pode-se observar que, na faixa de 675 ~ 950 ℃, o valor da espessura da camada totalmente descarbonetada a 750 ℃ é o maior, e o valor da espessura da camada totalmente descarbonetada a 850 ℃ é o menor, portanto, recomenda-se que a temperatura de aquecimento do aço de teste seja de 850°C.
Fig.1 Histomorfologia da camada descarbonetada do aço de teste mantida em diferentes temperaturas de aquecimento por 1h
Em comparação com a camada semidescarbonetada, a espessura da camada totalmente descarbonetada tem um impacto negativo mais sério nas propriedades do material, reduzirá bastante as propriedades mecânicas do material, como redução da resistência, dureza, resistência ao desgaste e limite de fadiga , etc., e também aumentar a sensibilidade a trincas, afetando a qualidade da soldagem e assim por diante. Portanto, controlar a espessura da camada totalmente descarbonetada é de grande importância para melhorar o desempenho do produto. A Figura 2 apresenta a curva de variação da espessura da camada totalmente descarbonetada com a temperatura, que mostra de forma mais nítida a variação da espessura da camada totalmente descarbonetada. Pode-se observar na figura que a espessura da camada totalmente descarbonetada é de apenas cerca de 34μm a 700°C; com a temperatura subindo para 725 ℃, a espessura da camada totalmente descarbonetada aumenta significativamente para 86 μm, que é mais de duas vezes a espessura da camada totalmente descarbonetada a 700 ℃; quando a temperatura sobe para 750 ℃, a espessura da camada totalmente descarbonetada Quando a temperatura sobe para 750 ℃, a espessura da camada totalmente descarbonetada atinge o valor máximo de 120 μm; à medida que a temperatura continua a subir, a espessura da camada totalmente descarbonetada começa a diminuir acentuadamente, para 70 μm a 800°C, e depois para o valor mínimo de cerca de 20μm a 850°C.
Fig.2 Espessura da camada totalmente descarbonetada em diferentes temperaturas
Efeito da descarbonetação no desempenho à fadiga na flexão por rotação
A fim de estudar o efeito da descarbonetação nas propriedades de fadiga do aço para molas, foram realizados dois grupos de testes de fadiga por flexão por rotação, o primeiro grupo foi o teste de fadiga diretamente sem descarbonetação, e o segundo grupo foi o teste de fadiga após a descarbonetação na mesma tensão. nível (810 MPa), e o processo de descarbonetação foi mantido a 700-850 ℃ por 1 h. O primeiro grupo de corpos de prova é mostrado na Tabela 2, que é a vida à fadiga do aço da mola.
A vida à fadiga do primeiro grupo de corpos de prova é mostrada na Tabela 2. Como pode ser visto na Tabela 2, sem descarbonetação, o aço de teste foi submetido apenas a 107 ciclos a 810 MPa, e nenhuma fratura ocorreu; quando o nível de tensão ultrapassou 830 MPa, algumas amostras começaram a fraturar; quando o nível de tensão excedeu 850 MPa, todas as amostras de fadiga foram fraturadas.
Tabela 2 Vida em fadiga sob diferentes níveis de estresse (sem descarbonetação)
Para determinar o limite de fadiga, o método de grupo é utilizado para determinar o limite de fadiga do aço de teste e, após análise estatística dos dados, o limite de fadiga do aço de teste é de cerca de 760 MPa; para caracterizar a vida em fadiga do aço de teste sob diferentes tensões, a curva SN é traçada, conforme mostrado na Figura 3. Como pode ser visto na Figura 3, diferentes níveis de tensão correspondem a diferentes vidas em fadiga, quando a vida em fadiga de 7 , correspondendo ao número de ciclos para 107, o que significa que a amostra nessas condições passa pelo estado, o valor de tensão correspondente pode ser aproximado como o valor da resistência à fadiga, ou seja, 760 MPa. Pode-se observar que a curva S - N é importante para a determinação da vida à fadiga do material e possui um importante valor de referência.
Figura 3 Curva SN do teste experimental de fadiga por flexão rotativa de aço
A vida à fadiga do segundo grupo de amostras é mostrada na Tabela 3. Como pode ser visto na Tabela 3, após o aço de teste ser descarbonetado em diferentes temperaturas, o número de ciclos é obviamente reduzido, e são mais de 107, e todos as amostras de fadiga são fraturadas e a vida útil da fadiga é bastante reduzida. Combinado com a espessura da camada descarbonetada acima com a curva de mudança de temperatura pode ser vista, a espessura da camada descarbonetada de 750 ℃ é a maior, correspondendo ao menor valor de vida à fadiga. A espessura da camada descarbonetada de 850 ℃ é a menor, correspondendo ao valor de vida à fadiga é relativamente alto. Pode-se observar que o comportamento de descarbonetação reduz bastante o desempenho em fadiga do material, e quanto mais espessa a camada descarbonetada, menor será a vida em fadiga.
Tabela 3 Vida útil à fadiga em diferentes temperaturas de descarbonetação (560 MPa)
A morfologia da fratura por fadiga da amostra foi observada por microscópio eletrônico de varredura, conforme mostrado na Fig. 4. Figura 4 (a) para a área de origem da trinca, a figura pode ser vista no arco de fadiga óbvio, de acordo com o arco de fadiga para encontrar a fonte de fadiga, pode ser visto, a fonte de trincas para as inclusões não metálicas "olho de peixe", inclusões fáceis de causar concentração de tensão, resultando em trincas por fadiga; 4 (b) para a morfologia da área de extensão da fissura, podem ser vistas listras de fadiga óbvias, distribuição semelhante a um rio, pertence à fratura quase dissociativa, com fissuras se expandindo, eventualmente levando à fratura. A Figura 4 (b) mostra a morfologia da área de expansão da fissura, podendo ser observadas faixas óbvias de fadiga, na forma de distribuição semelhante a um rio, que pertence à fratura quase dissociativa, e com a expansão contínua das fissuras, levando finalmente à fratura .
Análise de fratura por fadiga
Fig.4 Morfologia SEM da superfície de fratura por fadiga do aço experimental
Para determinar o tipo de inclusões na Figura 4, foi realizada análise da composição do espectro de energia, e os resultados são mostrados na Figura 5. Pode-se observar que as inclusões não metálicas são principalmente inclusões de Al2O3, indicando que as inclusões são a principal fonte de fissuras causadas por fissuras de inclusões.
Figura 5 Espectroscopia de Energia de Inclusões Não Metálicas
Concluir
(1) Posicionar a temperatura de aquecimento em 850 ℃ minimizará a espessura da camada descarbonetada para reduzir o efeito no desempenho de fadiga.
(2) O limite de fadiga da flexão por rotação do aço de teste é de 760 MPa.
(3) O teste de fissuração do aço em inclusões não metálicas, principalmente mistura de Al2O3.
(4) a descarbonetação reduz seriamente a vida útil em fadiga do aço de teste; quanto mais espessa for a camada de descarbonetação, menor será a vida útil em fadiga.
Horário da postagem: 21 de junho de 2024