Skenuojančiu elektroniniu mikroskopu buvo stebimas nuovargio įtrūkis ir analizuojamas lūžio mechanizmas; tuo pačiu metu skirtingose temperatūrose buvo atliktas dekarbizuotų bandinių sukimosi lenkimo nuovargio bandymas, siekiant palyginti bandomojo plieno nuovargio laiką su dekarbizacija ir be jos, ir išanalizuoti dekarbizacijos poveikį bandomojo plieno nuovargio charakteristikoms. Rezultatai rodo, kad dėl oksidacijos ir dekarbizacijos vienu metu vykstančių kaitinimo procesų, šių dviejų procesų sąveika, lemianti visiškai dekarbiizuoto sluoksnio storį, kylant temperatūrai, rodo tendenciją tai didėti, tai mažėti. Visiškai dekarbiizuoto sluoksnio storis pasiekia maksimalią 120 μm vertę esant 750 ℃ temperatūrai, o visiškai dekarbiizuoto sluoksnio storis pasiekia minimalią 20 μm vertę esant 850 ℃ temperatūrai. Bandomojo plieno nuovargio riba yra apie 760 MPa, o nuovargio įtrūkimų bandomajame pliene šaltinis daugiausia yra nemetaliniai Al2O3 intarpai. Dekarbiarizacijos elgsena labai sumažina bandomojo plieno nuovargio laiką, o tai turi įtakos bandomojo plieno nuovargio savybėms. Kuo storesnis dekarbiarizacijos sluoksnis, tuo trumpesnis nuovargio laikas. Siekiant sumažinti dekarbiarizacijos sluoksnio poveikį bandomojo plieno nuovargio savybėms, optimali bandomojo plieno terminio apdorojimo temperatūra turėtų būti 850 ℃.
Pavarų dėžė yra svarbi automobilio dalisDėl didelio greičio veikimo krumpliaračio paviršiaus sujungimo dalis turi būti labai stipri ir atspari dilimui, o danties šaknis turi būti gerai atspari lenkimo nuovargiui dėl nuolatinės pasikartojančios apkrovos, kad būtų išvengta įtrūkimų, dėl kurių medžiaga lūžta. Tyrimai rodo, kad dekarbiarizacijos elgsena yra svarbus veiksnys, turintis įtakos metalinių medžiagų sukimosi lenkimo nuovargio charakteristikoms, o sukimosi lenkimo nuovargio charakteristikos yra svarbus gaminio kokybės rodiklis, todėl būtina ištirti bandomosios medžiagos dekarbiarizacijos elgseną ir sukimosi lenkimo nuovargio charakteristikas.
Šiame darbe atliekamas terminio apdorojimo krosnies 20CrMnTi krumpliaračio plieno paviršiaus dekarbiarizacijos bandymas, analizuojamas skirtingų kaitinimo temperatūrų poveikis bandomojo plieno dekarbiarizacijos sluoksnio gyliui; naudojant QBWP-6000J paprastą sijos nuovargio bandymo mašiną, atliekamas bandomojo plieno sukamojo lenkimo nuovargio bandymas, nustatomos bandomojo plieno nuovargio charakteristikos ir tuo pačiu metu analizuojamas dekarbiarizacijos poveikis bandomojo plieno nuovargio charakteristikoms realioje gamyboje, siekiant pagerinti gamybos procesą, pagerinti gaminių kokybę ir pateikti pagrįstą atskaitos tašką. Bandomojo plieno nuovargio charakteristikos nustatomos sukamojo lenkimo nuovargio bandymo mašina.
1. Bandymo medžiagos ir metodai
Bandomoji medžiaga, skirta 20CrMnTi krumpliaračių plieno gamybai, kurios pagrindinė cheminė sudėtis parodyta 1 lentelėje. Dekarburacijos bandymas: bandomoji medžiaga apdorojama į Ф8 mm × 12 mm cilindrinį bandinį, kurio paviršius turi būti blizgus, be dėmių. Terminio apdorojimo krosnys įkaitinamos iki 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃ temperatūros, į bandinį įdedamas ir laikomas 1 valandą, o tada atvėsinamas iki kambario temperatūros. Po terminio apdorojimo, šlifavimo ir poliravimo, naudojant 4 % azoto rūgšties alkoholio tirpalą, metalurginės mikroskopijos būdu stebimas bandomojo plieno dekarburacijos sluoksnis ir matuojamas dekarburacijos sluoksnio gylis skirtingose temperatūrose. Sukamojo lenkimo nuovargio bandymas: bandomoji medžiaga apdorojama pagal dviejų grupių sukamojo lenkimo nuovargio bandinių apdorojimo reikalavimus. Pirmoji grupė neatlieka dekarbiarizacijos bandymo, o antroji grupė dekarbiarizacijos bandymą atlieka skirtingose temperatūrose. Naudojant sukamojo lenkimo nuovargio bandymo mašiną, atliekami dviejų bandomojo plieno grupių sukamojo lenkimo nuovargio bandymai, nustatoma dviejų bandomojo plieno grupių nuovargio riba, palyginamas dviejų bandomojo plieno grupių nuovargio tarnavimo laikas, stebimi nuovargio lūžiai skenuojančiu elektroniniu mikroskopu, analizuojamos bandinio lūžio priežastys ir ištiriamas dekarbiarizacijos poveikis bandomojo plieno nuovargio savybėms.
1 lentelė. Bandomojo plieno cheminė sudėtis (masės dalis) (wt%)
Šildymo temperatūros įtaka dekarburizacijai
Dekarbiarizacijos organizacijos morfologija esant skirtingoms kaitinimo temperatūroms parodyta 1 paveiksle. Kaip matyti iš paveikslo, kai temperatūra siekia 675 ℃, mėginio paviršiuje neatsiranda dekarbiarizacijos sluoksnio; kai temperatūra pakyla iki 700 ℃, pradeda matytis mėginio paviršiaus dekarbiarizacijos sluoksnis, plonas ferito dekarbiarizacijos sluoksnis; kai temperatūra pakyla iki 725 ℃, mėginio paviršiaus dekarbiarizacijos sluoksnio storis žymiai padidėja; kai temperatūra pakyla iki 750 ℃, dekarbiarizacijos sluoksnio storis pasiekia maksimalią vertę, šiuo metu ferito grūdeliai tampa skaidresni ir šiurkštesni; kai temperatūra pakyla iki 800 ℃, dekarbiarizacijos sluoksnio storis pradeda žymiai mažėti, jo storis sumažėja iki pusės nuo 750 ℃. Kai temperatūra toliau kyla iki 850 ℃, o dekarbiarizacijos storis parodytas 1 paveiksle. Esant 800 ℃, pilno dekarbiarizacijos sluoksnio storis pradėjo reikšmingai mažėti, o jo storis sumažėjo iki 750 ℃ perpus; kai temperatūra toliau kyla iki 850 ℃ ir daugiau, bandomojo plieno pilno dekarbiarizacijos sluoksnio storis toliau mažėjo, pusės dekarbiarizacijos sluoksnio storis pradėjo palaipsniui didėti, kol visiškai išnyko visos dekarbiarizacijos sluoksnio morfologija, o pusės dekarbiarizacijos sluoksnio morfologija palaipsniui išryškėjo. Matyti, kad visiškai dekarbiarizacijos sluoksnio storis, kylant temperatūrai, pirmiausia padidėjo, o paskui sumažėjo. Šio reiškinio priežastis yra mėginio oksidacijos ir dekarbiarizacijos elgsena kaitinimo procese. Dekarbiarizacijos reiškinys pasireiškia tik tada, kai dekarbiarizacijos greitis yra didesnis nei oksidacijos greitis. Kaitinimo pradžioje visiškai dekarbilizuoto sluoksnio storis palaipsniui didėja kylant temperatūrai, kol pasiekia maksimalią vertę. Šiuo metu, norint toliau kelti temperatūrą, bandinio oksidacijos greitis yra greitesnis nei dekarbilizavimo greitis, o tai slopina visiškai dekarbilizuoto sluoksnio storio didėjimą, todėl atsiranda mažėjimo tendencija. Matyti, kad 675–950 ℃ diapazone visiškai dekarbilizuoto sluoksnio storis esant 750 ℃ temperatūrai yra didžiausias, o esant 850 ℃ temperatūrai – mažiausias, todėl rekomenduojama bandomojo plieno kaitinimo temperatūra yra 850 ℃.
1 pav. Dekarbizuoto bandomojo plieno sluoksnio, 1 val. palaikyto skirtingose kaitinimo temperatūrose, histomorfologija
Palyginti su pusiau dekarbiuruotu sluoksniu, visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storis daro didesnį neigiamą poveikį medžiagos savybėms, labai sumažina medžiagos mechanines savybes, tokias kaip stiprumas, kietumas, atsparumas dilimui ir nuovargio riba ir kt., taip pat padidina jautrumą įtrūkimams, o tai turi įtakos suvirinimo kokybei ir pan. Todėl visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storio kontrolė yra labai svarbi siekiant pagerinti gaminio eksploatacines savybes. 2 paveiksle parodyta visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storio kitimo kreivė priklausomai nuo temperatūros, kurioje aiškiau parodytas visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storio kitimas. Iš paveikslo matyti, kad visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storis esant 700 ℃ temperatūrai yra tik apie 34 μm; temperatūrai pakilus iki 725 ℃, visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storis žymiai padidėja iki 86 μm, tai yra daugiau nei dvigubai didesnis nei visiškai dekarbiuruoto sluoksnio storis esant 700 ℃ temperatūrai; Kai temperatūra pakyla iki 750 ℃, visiškai dekarbirizuoto sluoksnio storis sumažėja. Kai temperatūra pakyla iki 750 ℃, visiškai dekarbirizuoto sluoksnio storis pasiekia maksimalią 120 μm vertę; toliau kylant temperatūrai, visiškai dekarbirizuoto sluoksnio storis pradeda staigiai mažėti – iki 70 μm esant 800 ℃, o tada iki minimalios maždaug 20 μm vertės esant 850 ℃.
2 pav. Visiškai dekarbizuoto sluoksnio storis skirtingose temperatūrose
Dekarburacijos poveikis nuovargio charakteristikoms sukimosi lenkimo metu
Siekiant ištirti dekarburacijos poveikį spyruoklinio plieno nuovargio savybėms, buvo atliktos dvi sukimosi lenkimo nuovargio bandymų grupės: pirmoji grupė buvo nuovargio bandymas tiesiogiai be dekarburacijos, o antroji grupė – nuovargio bandymas po dekarburacijos esant tam pačiam įtempio lygiui (810 MPa), o dekarburacijos procesas buvo laikomas 700–850 ℃ temperatūroje 1 val. Pirmoji bandinių grupė parodyta 2 lentelėje, kurioje pateikiamas spyruoklinio plieno nuovargio tarnavimo laikas.
Pirmosios bandinių grupės nuovargio atsparumas parodytas 2 lentelėje. Kaip matyti iš 2 lentelės, be dekarbiarizacijos bandomasis plienas buvo veikiamas tik 107 ciklų esant 810 MPa slėgiui ir lūžių neįvyko; kai įtempių lygis viršijo 830 MPa, kai kurie bandiniai pradėjo lūžinėti; kai įtempių lygis viršijo 850 MPa, visi nuovargio bandiniai lūžo.
2 lentelė. Nuovargio trukmė esant skirtingiems įtempių lygiams (be dekarbiuracijos)
Norint nustatyti nuovargio ribą, naudojamas grupinis metodas bandomojo plieno nuovargio ribai nustatyti, o atlikus statistinę duomenų analizę, bandomojo plieno nuovargio riba yra apie 760 MPa; norint apibūdinti bandomojo plieno nuovargio trukmę esant skirtingiems įtempiams, nubraižoma SN kreivė, kaip parodyta 3 paveiksle. Kaip matyti iš 3 paveikslo, skirtingi įtempių lygiai atitinka skirtingą nuovargio trukmę, kai nuovargio trukmė yra 7, tai atitinka 107 ciklų skaičių, o tai reiškia, kad bandinys tokiomis sąlygomis yra tokioje būsenoje, atitinkamą įtempio vertę galima apytiksliai prilyginti nuovargio stiprio vertei, t. y. 760 MPa. Matyti, kad S-N kreivė yra svarbi nustatant medžiagos nuovargio trukmę, turinti svarbią atskaitos vertę.
3 pav. Eksperimentinio plieno sukamojo lenkimo nuovargio bandymo SN kreivė
Antrosios bandinių grupės nuovargio atsparumas parodytas 3 lentelėje. Kaip matyti iš 3 lentelės, po to, kai bandomasis plienas dekarbiuruojamas skirtingose temperatūrose, ciklų skaičius akivaizdžiai sumažėja ir viršija 107, o visi nuovargio bandiniai suyra, o nuovargio atsparumas labai sumažėja. Kartu su aukščiau nurodytu dekarbiuruoto sluoksnio storiu ir temperatūros pokyčio kreive matyti, kad 750 ℃ dekarbiuruoto sluoksnio storis yra didžiausias, o tai atitinka mažiausią nuovargio atsparumo vertę. 850 ℃ dekarbiuruoto sluoksnio storis yra mažiausias, o tai atitinka santykinai didelę nuovargio atsparumo vertę. Matyti, kad dekarbiuracijos elgsena labai sumažina medžiagos nuovargio charakteristikas, o kuo storesnis dekarbiuruotas sluoksnis, tuo trumpesnis nuovargio atsparumas.
3 lentelė. Nuovargio trukmė esant skirtingoms dekarbiuravimo temperatūroms (560 MPa).
Bandinio nuovargio lūžio morfologija buvo stebima skenuojančiu elektroniniu mikroskopu, kaip parodyta 4 pav. 4(a) paveiksle, kuriame pavaizduota įtrūkimo šaltinio sritis, matyti akivaizdus nuovargio lankas. Pagal nuovargio lanką, norint rasti nuovargio šaltinį, galima matyti įtrūkimo šaltinį, esant „žuvies akies“ tipo nemetaliniams intarpams, kurių koncentracija lengvai sukelia įtempius, dėl kurių atsiranda nuovargio įtrūkimai. 4(b) paveiksle, kuriame pavaizduota įtrūkimo plėtimosi srities morfologija, matyti akivaizdžios nuovargio juostos, išsidėsčiusios upės pavidalu, kas priklauso kvazi-disociaciniam lūžiui, o įtrūkimai plečiasi ir galiausiai sukelia lūžį. 4(b) paveiksle parodyta įtrūkimo plėtimosi srities morfologija, matyti akivaizdžios nuovargio juostos, išsidėsčiusios upės pavidalu, kas priklauso kvazi-disociaciniam lūžiui, o įtrūkimams nuolat plečiantis, galiausiai atsiranda lūžis.
Nuovargio lūžio analizė
4 pav. Eksperimentinio plieno nuovargio lūžio paviršiaus SEM morfologija
Siekiant nustatyti 4 pav. pavaizduotų intarpų tipą, buvo atlikta energijos spektro sudėties analizė, kurios rezultatai pateikti 5 pav. Matyti, kad nemetaliniai intarpai daugiausia yra Al2O3, o tai rodo, kad intarpai yra pagrindinis įtrūkimų, kuriuos sukelia intarpų trūkinėjimas, šaltinis.
5 pav. Nemetalinių intarpų energijos spektroskopija
Baigti
(1) Kaitinimo temperatūra nustatyta ties 850 ℃, dekarbizuoto sluoksnio storis sumažės, o tai sumažins poveikį nuovargio savybėms.
(2) Bandomojo plieno sukimosi lenkimo nuovargio riba yra 760 MPa.
(3) Bandomasis plieno įtrūkimas nemetaliniuose intarpuose, daugiausia Al₂O₃ mišinyje.
(4) Dekarbiuracija smarkiai sumažina bandomojo plieno nuovargio tarnavimo laiką: kuo storesnis dekarbiuracijos sluoksnis, tuo trumpesnis nuovargio tarnavimo laikas.
Įrašo laikas: 2024 m. birželio 21 d.
