Zur Beobachtung des Ermüdungsbruchs und zur Analyse des Bruchmechanismus wurde ein Rasterelektronenmikroskop verwendet. Gleichzeitig wurde ein Rotationsbiegeermüdungstest an den entkohlten Proben bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um die Ermüdungslebensdauer des Teststahls mit und ohne Entkohlung zu vergleichen und die Auswirkung der Entkohlung auf die Ermüdungsleistung des Teststahls zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Oxidation und Entkohlung im Erhitzungsprozess die Wechselwirkung zwischen beiden dazu führt, dass die Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit zunehmender Temperatur zunimmt und dann abnimmt Die Dicke der vollständig entkohlten Schicht erreicht einen Maximalwert von 120 μm bei 750 °C und die Dicke der vollständig entkohlten Schicht erreicht einen Minimalwert von 20 μm bei 850 °C. Die Ermüdungsgrenze des Teststahls beträgt etwa 760 MPa Die Ursache für Ermüdungsrisse im Teststahl sind hauptsächlich nichtmetallische Al2O3-Einschlüsse; Das Entkohlungsverhalten verringert die Ermüdungslebensdauer des Teststahls erheblich und beeinträchtigt die Ermüdungsleistung des Teststahls. Je dicker die Entkohlungsschicht, desto geringer die Ermüdungslebensdauer. Um den Einfluss der Entkohlungsschicht auf die Ermüdungsleistung des Teststahls zu verringern, sollte die optimale Wärmebehandlungstemperatur des Teststahls auf 850 °C eingestellt werden.
Getriebe ist ein wichtiger Bestandteil des AutomobilsAufgrund des Betriebs bei hoher Geschwindigkeit muss der kämmende Teil der Zahnradoberfläche eine hohe Festigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen und der Zahnfuß muss aufgrund der ständig wiederholten Belastung eine gute Biegeermüdungsleistung aufweisen, um Risse zu vermeiden, die zu Material führen Bruch. Untersuchungen zeigen, dass die Entkohlung ein wichtiger Faktor ist, der die Ermüdungsleistung bei Metallwerkstoffen durch Rotationsbiegen beeinflusst, und dass die Ermüdungsleistung bei Rotationsbiegen ein wichtiger Indikator für die Produktqualität ist. Daher ist es notwendig, das Entkohlungsverhalten und die Ermüdungsleistung bei Rotationsbiegen des Testmaterials zu untersuchen.
In diesem Artikel wird der Wärmebehandlungsofen auf dem 20CrMnTi-Getriebestahloberflächen-Entkohlungstest analysiert und unterschiedliche Erwärmungstemperaturen auf der Teststahl-Entkohlungsschichttiefe des sich ändernden Gesetzes analysiert; Verwenden Sie die einfache Strahlermüdungsprüfmaschine QBWP-6000J für den rotierenden Biegeermüdungstest von Teststahl, um die Ermüdungsleistung des Teststahls zu bestimmen und gleichzeitig den Einfluss der Entkohlung auf die Ermüdungsleistung des Teststahls zu analysieren, um die tatsächliche Produktion zu verbessern den Produktionsprozess, verbessern die Qualität der Produkte und bieten eine angemessene Referenz. Die Ermüdungsleistung des Teststahls wird mit der Rotations-Biege-Ermüdungstestmaschine bestimmt.
1. Testmaterialien und -methoden
Testmaterial für eine Einheit zur Bereitstellung von 20CrMnTi-Getriebestahl, die chemische Hauptzusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Entkohlungstest: Das Testmaterial wird zu einer zylindrischen Probe mit den Abmessungen Ф8 mm × 12 mm verarbeitet. Die Oberfläche sollte hell und ohne Flecken sein. Der Wärmebehandlungsofen wurde auf 675 °C, 700 °C, 725 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C und 1.000 °C erhitzt, in die Probe eingebracht und 1 Stunde lang gehalten und dann auf Raumtemperatur luftgekühlt. Nach der Wärmebehandlung der Probe durch Abbinden, Schleifen und Polieren mit 4 % Salpetersäure-Alkohollösung zur Erosion wird die Entkohlungsschicht des Teststahls mithilfe eines metallurgischen Mikroskops beobachtet und die Tiefe der Entkohlungsschicht bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Rotationsbiege-Ermüdungstest: Das Testmaterial entspricht den Anforderungen der Verarbeitung von zwei Gruppen von Rotationsbiege-Ermüdungsproben. Die erste Gruppe führt keinen Entkohlungstest durch, die zweite Gruppe führt einen Entkohlungstest bei unterschiedlichen Temperaturen durch. Unter Verwendung der Rotationsbiege-Ermüdungsprüfmaschine werden die beiden Gruppen von Teststählen für die Rotationsbiege-Ermüdungsprüfung untersucht, die Ermüdungsgrenze der beiden Gruppen von Teststählen bestimmt, die Ermüdungslebensdauer der beiden Gruppen von Teststählen verglichen und das Scannen verwendet Elektronenmikroskopische Ermüdungsbruchbeobachtung, Analyse der Gründe für den Bruch der Probe, um die Auswirkung der Entkohlung auf die Ermüdungseigenschaften des Teststahls zu untersuchen.
Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung (Massenanteil) des Teststahls in Gew.-%
Einfluss der Heiztemperatur auf die Entkohlung
Die Morphologie der Entkohlungsorganisation bei verschiedenen Erwärmungstemperaturen ist in Abb. 1 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, erscheint bei einer Temperatur von 675 °C auf der Probenoberfläche keine Entkohlungsschicht; Wenn die Temperatur auf 700 °C ansteigt, beginnt die Entkohlungsschicht auf der Probenoberfläche zu erscheinen, für die dünne Ferrit-Entkohlungsschicht; Mit einem Temperaturanstieg auf 725 °C nahm die Dicke der Entkohlungsschicht auf der Probenoberfläche deutlich zu. Bei 750 °C erreicht die Entkohlungsschichtdicke ihren Maximalwert, zu diesem Zeitpunkt ist das Ferritkorn klarer und grober; Wenn die Temperatur auf 800 °C ansteigt, beginnt die Dicke der Entkohlungsschicht deutlich abzunehmen, ihre Dicke fällt auf die Hälfte von 750 °C; Wenn die Temperatur weiter auf 850 °C ansteigt und die Dicke der Entkohlungsschicht in Abb. 1 dargestellt ist, beginnt die Dicke der vollständigen Entkohlungsschicht bei 800 °C deutlich abzunehmen, und bei 750 °C sinkt ihre Dicke auf die Hälfte; Wenn die Temperatur weiter auf 850 °C und darüber ansteigt, nimmt die Dicke der vollständigen Entkohlungsschicht des Teststahls weiter ab, die Dicke der halben Entkohlungsschicht begann allmählich zuzunehmen, bis die Morphologie der vollständigen Entkohlungsschicht vollständig verschwand und die Morphologie der halben Entkohlungsschicht allmählich klarer wurde. Es ist ersichtlich, dass die Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit zunehmender Temperatur zunächst zunimmt und dann abnimmt. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass die Probe beim Erhitzen gleichzeitig das Oxidations- und Entkohlungsverhalten aufweist, erst wenn Die Entkohlungsgeschwindigkeit ist schneller als die Oxidationsgeschwindigkeit, wodurch ein Entkohlungsphänomen auftritt. Zu Beginn des Erhitzens nimmt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit zunehmender Temperatur allmählich zu, bis die Dicke der vollständig entkohlten Schicht den Maximalwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Temperatur weiter und die Oxidationsrate der Probe ist schneller als die Entkohlungsrate, die den Anstieg der vollständig entkohlten Schicht hemmt, was zu einem Abwärtstrend führt. Es ist ersichtlich, dass im Bereich von 675 bis 950 °C der Wert der Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 750 °C am größten und der Wert der Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 850 °C am kleinsten ist. Daher wird eine Erwärmungstemperatur des Teststahls von 850 °C empfohlen.
Abb. 1 Histomorphologie der entkohlten Schicht aus Teststahl, die 1 Stunde lang bei unterschiedlichen Erwärmungstemperaturen gehalten wurde
Im Vergleich zur halbentkohlten Schicht hat die Dicke der vollständig entkohlten Schicht einen schwerwiegenderen negativen Einfluss auf die Materialeigenschaften und führt zu einer erheblichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials, wie z. B. einer Verringerung der Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Ermüdungsgrenze usw. und erhöhen auch die Empfindlichkeit gegenüber Rissen, was sich auf die Qualität des Schweißens usw. auswirkt. Daher ist die Kontrolle der Dicke der vollständig entkohlten Schicht für die Verbesserung der Produktleistung von großer Bedeutung. Abbildung 2 zeigt die Variationskurve der Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit der Temperatur, die die Variation der Dicke der vollständig entkohlten Schicht deutlicher zeigt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 700 °C nur etwa 34 μm beträgt; Wenn die Temperatur auf 725 °C ansteigt, erhöht sich die Dicke der vollständig entkohlten Schicht deutlich auf 86 μm, was mehr als dem Doppelten der Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 700 °C entspricht; Wenn die Temperatur auf 750 °C erhöht wird, erreicht die Dicke der vollständig entkohlten Schicht den Maximalwert von 120 μm. Wenn die Temperatur auf 750 °C ansteigt, erreicht die Dicke der vollständig entkohlten Schicht den Maximalwert von 120 μm; Wenn die Temperatur weiter ansteigt, beginnt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht stark abzunehmen, auf 70 μm bei 800 °C und dann auf den Minimalwert von etwa 20 μm bei 850 °C.
Abb.2 Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei verschiedenen Temperaturen
Einfluss der Entkohlung auf die Ermüdungsleistung beim Rotationsbiegen
Um den Einfluss der Entkohlung auf die Ermüdungseigenschaften von Federstahl zu untersuchen, wurden zwei Gruppen von Rotationsbiege-Ermüdungstests durchgeführt: Die erste Gruppe bestand aus Ermüdungstests direkt ohne Entkohlung und die zweite Gruppe aus Ermüdungstests nach Entkohlung bei derselben Belastung Niveau (810 MPa) und der Entkohlungsprozess wurde 1 Stunde lang bei 700–850 °C gehalten. Die erste Probengruppe ist in Tabelle 2 dargestellt und zeigt die Ermüdungslebensdauer des Federstahls.
Die Ermüdungslebensdauer der ersten Probengruppe ist in Tabelle 2 dargestellt. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wurde der Teststahl ohne Entkohlung nur 107 Zyklen bei 810 MPa ausgesetzt, und es trat kein Bruch auf; Als die Spannung 830 MPa überstieg, begannen einige Proben zu brechen; Als das Spannungsniveau 850 MPa überstieg, brachen alle Ermüdungsproben.
Tabelle 2 Ermüdungslebensdauer bei verschiedenen Belastungsniveaus (ohne Entkohlung)
Um die Ermüdungsgrenze zu bestimmen, wird die Gruppenmethode verwendet, um die Ermüdungsgrenze des Teststahls zu bestimmen, und nach statistischer Analyse der Daten beträgt die Ermüdungsgrenze des Teststahls etwa 760 MPa; Um die Ermüdungslebensdauer des Teststahls unter verschiedenen Belastungen zu charakterisieren, wird die SN-Kurve aufgetragen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich ist, entsprechen unterschiedliche Spannungsniveaus unterschiedlichen Ermüdungslebensdauern, wenn die Ermüdungslebensdauer 7 beträgt , entsprechend der Anzahl der Zyklen für 107, was bedeutet, dass die Probe unter diesen Bedingungen den Zustand durchläuft, kann der entsprechende Spannungswert als Ermüdungsfestigkeitswert, also 760 MPa, angenähert werden. Es ist ersichtlich, dass die S-N-Kurve für die Bestimmung der Ermüdungslebensdauer des Materials einen wichtigen Referenzwert darstellt.
Abbildung 3 SN-Kurve des experimentellen Stahldrehbiegeermüdungstests
Die Ermüdungslebensdauer der zweiten Probengruppe ist in Tabelle 3 dargestellt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, ist die Anzahl der Zyklen nach der Entkohlung des Teststahls bei verschiedenen Temperaturen offensichtlich verringert und beträgt insgesamt mehr als 107 die Ermüdungsproben brechen und die Ermüdungslebensdauer wird stark verkürzt. In Kombination mit der oben genannten Dicke der entkohlten Schicht und der Temperaturänderungskurve ist ersichtlich, dass die Dicke der entkohlten Schicht bei 750 °C am größten ist, was dem niedrigsten Wert der Ermüdungslebensdauer entspricht. 850 ℃ entkohlte Schichtdicke ist die kleinste, entsprechend ist der Ermüdungslebensdauerwert relativ hoch. Es ist ersichtlich, dass das Entkohlungsverhalten die Ermüdungsleistung des Materials stark verringert und je dicker die entkohlte Schicht ist, desto geringer ist die Ermüdungslebensdauer.
Tabelle 3 Ermüdungslebensdauer bei unterschiedlichen Entkohlungstemperaturen (560 MPa)
Die Ermüdungsbruchmorphologie der Probe wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet, wie in Abb. 4 dargestellt. In Abbildung 4(a) ist für den Bereich der Rissquelle ein offensichtlicher Ermüdungsbogen zu sehen, entsprechend dem Ermüdungsbogen, um die Quelle zu finden Ermüdungserscheinungen zeigen, dass die Rissquelle nichtmetallische „Fischaugen“-Einschlüsse ist, bei denen es leicht zu Spannungskonzentrationen kommt, die zu Ermüdungsrissen führen. In Abb. 4(b) für die Morphologie des Rissausdehnungsbereichs sind deutliche Ermüdungsstreifen zu erkennen, die eine flussartige Verteilung aufwiesen und zu quasi-dissoziativem Bruch gehören, wobei sich die Risse ausdehnten und schließlich zum Bruch führten. Abbildung 4(b) zeigt die Morphologie des Rissausdehnungsbereichs. Es sind offensichtliche Ermüdungsstreifen in Form einer flussähnlichen Verteilung zu erkennen, die zu einem quasi-dissoziativen Bruch gehört, und mit der kontinuierlichen Ausdehnung der Risse, die letztendlich zum Bruch führt .
Ermüdungsbruchanalyse
Abb.4 SEM-Morphologie der Ermüdungsbruchoberfläche von Versuchsstahl
Um die Art der Einschlüsse in Abb. 4 zu bestimmen, wurde eine Analyse der Zusammensetzung des Energiespektrums durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass es sich bei den nichtmetallischen Einschlüssen hauptsächlich um Al2O3-Einschlüsse handelt, was darauf hinweist, dass die Einschlüsse sind die Hauptursache für Risse, die durch die Rissbildung von Einschlüssen entstehen.
Abbildung 5 Energiespektroskopie nichtmetallischer Einschlüsse
Abschließen
(1) Durch die Einstellung der Heiztemperatur auf 850 °C wird die Dicke der entkohlten Schicht minimiert, um die Auswirkung auf die Ermüdungsleistung zu verringern.
(2) Die Ermüdungsgrenze des Prüfstahldrehbiegens beträgt 760 MPa.
(3) Der Teststahl riss in nichtmetallischen Einschlüssen, hauptsächlich Al2O3-Mischung.
(4) Die Entkohlung verringert die Ermüdungslebensdauer des Teststahls erheblich. Je dicker die Entkohlungsschicht, desto geringer die Ermüdungslebensdauer.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21. Juni 2024