تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لملاحظة كسر التعب وتحليل آلية الكسر؛ في الوقت نفسه، تم إجراء اختبار إجهاد الانحناء الدوراني على العينات منزوعة الكربنة في درجات حرارة مختلفة لمقارنة عمر كلال فولاذ الاختبار مع إزالة الكربنة وبدونها، ولتحليل تأثير إزالة الكربنة على أداء الكلال في فولاذ الاختبار. أظهرت النتائج أنه بسبب وجود الأكسدة ونزع الكربنة بشكل متزامن في عملية التسخين، فإن التفاعل بين الاثنين، مما يؤدي إلى سماكة الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل مع نمو درجة الحرارة يظهر اتجاهاً للزيادة ثم التناقص، تصل سماكة الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل إلى قيمة قصوى تبلغ 120 ميكرومتر عند 750 درجة مئوية، ويصل سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل إلى قيمة دنيا قدرها 20 ميكرومتر عند 850 درجة مئوية، ويبلغ حد التعب للصلب الاختباري حوالي 760 ميجا باسكال، و مصدر شقوق التعب في فولاذ الاختبار هو في الأساس شوائب غير معدنية من Al2O3؛ يقلل سلوك إزالة الكربنة بشكل كبير من عمر الكلال لفولاذ الاختبار، مما يؤثر على أداء الكلال لفولاذ الاختبار، وكلما زادت سماكة طبقة إزالة الكربنة، انخفض عمر الكلال. من أجل تقليل تأثير طبقة إزالة الكربنة على أداء الكلال لفولاذ الاختبار، يجب ضبط درجة حرارة المعالجة الحرارية المثالية لفولاذ الاختبار على 850 درجة مئوية.
يعتبر العتاد عنصرًا مهمًا في السيارة، نظرًا للتشغيل بسرعة عالية، يجب أن يتمتع الجزء الشبكي من سطح الترس بقوة عالية ومقاومة للتآكل، ويجب أن يتمتع جذر السن بأداء جيد لإجهاد الانحناء بسبب الحمل المتكرر المستمر، وذلك لتجنب التشققات التي تؤدي إلى تآكل المواد. كسر. تظهر الأبحاث أن إزالة الكربنة عامل مهم يؤثر على أداء إجهاد انحناء الدوران للمواد المعدنية، وأداء إجهاد انحناء الدوران هو مؤشر مهم لجودة المنتج، لذلك من الضروري دراسة سلوك إزالة الكربنة وأداء إجهاد انحناء الدوران لمواد الاختبار.
في هذا البحث، يقوم فرن المعالجة الحرارية في اختبار إزالة الكربنة لسطح الفولاذ ذو التروس 20CrMnTi، بتحليل درجات حرارة التسخين المختلفة على عمق طبقة إزالة الكربنة الفولاذية للاختبار للقانون المتغير؛ باستخدام آلة اختبار تعب الشعاع البسيطة QBWP-6000J في اختبار إجهاد الانحناء الدوار للفولاذ، وتحديد أداء إجهاد فولاذ الاختبار، وفي نفس الوقت لتحليل تأثير إزالة الكربنة على أداء الكلال لفولاذ الاختبار لتحسين الإنتاج الفعلي عملية الإنتاج، وتعزيز جودة المنتجات وتوفير مرجع معقول. يتم تحديد أداء اختبار إجهاد الفولاذ بواسطة آلة اختبار إجهاد الانحناء الدوراني.
1. مواد وطرق الاختبار
مادة اختبار للوحدة توفر فولاذ تروس 20CrMnTi، التركيب الكيميائي الرئيسي كما هو موضح في الجدول 1. اختبار إزالة الكربنة: تتم معالجة مادة الاختبار إلى عينة أسطوانية مقاس Ф8 مم × 12 مم، ويجب أن يكون السطح لامعًا بدون بقع. تم تسخين فرن المعالجة الحرارية إلى 675 درجة مئوية، 700 درجة مئوية، 725 درجة مئوية، 750 درجة مئوية، 800 درجة مئوية، 850 درجة مئوية، 900 درجة مئوية، 950 درجة مئوية، 1000 درجة مئوية، في العينة وعقد لمدة ساعة واحدة، ثم تبريده بالهواء إلى درجة حرارة الغرفة. بعد المعالجة الحرارية للعينة عن طريق الإعداد والطحن والتلميع، مع تآكل محلول كحول حمض النيتريك بنسبة 4٪، واستخدام المجهر المعدني لمراقبة طبقة إزالة الكربنة الفولاذية الاختبارية، وقياس عمق طبقة إزالة الكربنة عند درجات حرارة مختلفة. اختبار تعب انحناء الدوران: مادة الاختبار وفقًا لمتطلبات معالجة مجموعتين من عينات إجهاد انحناء الدوران، المجموعة الأولى لا تنفذ اختبار إزالة الكربنة، المجموعة الثانية لاختبار إزالة الكربنة في درجات حرارة مختلفة. باستخدام آلة اختبار إجهاد الانحناء الدوراني، مجموعتي اختبار الفولاذ لاختبار إجهاد الانحناء الدوراني، تحديد حد التعب لمجموعتي اختبار الفولاذ، مقارنة عمر التعب لمجموعتي اختبار الفولاذ، استخدام المسح الضوئي مراقبة كسر التعب بالمجهر الإلكتروني، وتحليل أسباب كسر العينة، لاستكشاف تأثير إزالة الكربنة من خصائص التعب في فولاذ الاختبار.
الجدول 1: التركيب الكيميائي (الجزء الكتلي) من نسبة الفولاذ الاختباري بالوزن
تأثير درجة حرارة التسخين على إزالة الكربنة
يظهر الشكل 1 مورفولوجية تنظيم إزالة الكربنة تحت درجات حرارة تسخين مختلفة. كما يتبين من الشكل، عندما تكون درجة الحرارة 675 درجة مئوية، لا يظهر سطح العينة طبقة إزالة الكربنة؛ عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 700 درجة مئوية، بدأت طبقة إزالة الكربنة لسطح العينة في الظهور، لطبقة إزالة الكربنة الرقيقة من الفريت؛ مع ارتفاع درجة الحرارة إلى 725 درجة مئوية، زاد سمك طبقة إزالة الكربنة لسطح العينة بشكل ملحوظ؛ يصل سمك طبقة إزالة الكربنة إلى 750 درجة مئوية إلى أقصى قيمة له، وفي هذا الوقت، تكون حبيبات الفريت أكثر وضوحًا وخشنة؛ عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 800 درجة مئوية، بدأ سمك طبقة إزالة الكربنة في الانخفاض بشكل ملحوظ، وانخفض سمكها إلى نصف 750 درجة مئوية؛ عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 850 درجة مئوية ويظهر سمك إزالة الكربنة في الشكل 1. 800 درجة مئوية، بدأ سمك طبقة إزالة الكربنة الكاملة في الانخفاض بشكل ملحوظ، وانخفض سمكها إلى 750 درجة مئوية عند النصف؛ عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 850 درجة مئوية وما فوق، يستمر سمك طبقة إزالة الكربنة الكاملة للفولاذ في الانخفاض، ويبدأ نصف سمك طبقة إزالة الكربنة في الزيادة تدريجيًا حتى تختفي مورفولوجيا طبقة إزالة الكربنة الكاملة بالكامل، ويصبح نصف طبقة إزالة الكربنة واضحًا تدريجيًا. يمكن ملاحظة أن سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل مع زيادة درجة الحرارة تم زيادته أولاً ثم تقليله، ويعود سبب هذه الظاهرة إلى العينة في عملية التسخين في نفس الوقت سلوك الأكسدة ونزع الكربنة، فقط عندما معدل إزالة الكربنة أسرع من سرعة الأكسدة ستظهر ظاهرة إزالة الكربنة. في بداية التسخين، يزداد سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة حتى يصل سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل إلى القيمة القصوى، في هذا الوقت لمواصلة رفع درجة الحرارة، يكون معدل أكسدة العينة أسرع من معدل إزالة الكربنة، الذي يمنع زيادة الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل، مما يؤدي إلى اتجاه هبوطي. يمكن أن نرى أنه في نطاق 675 ～ 950 ℃، تكون قيمة سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل عند 750 درجة مئوية هي الأكبر، وقيمة سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل عند 850 درجة مئوية هي الأصغر، لذلك، يوصى بأن تكون درجة حرارة تسخين فولاذ الاختبار 850 درجة مئوية.
الشكل 1: التشريح النسيجي للطبقة منزوعة الكربنة من فولاذ الاختبار التي يتم الاحتفاظ بها عند درجات حرارة تسخين مختلفة لمدة ساعة واحدة
بالمقارنة مع الطبقة شبه منزوعة الكربنة، فإن سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل له تأثير سلبي أكثر خطورة على خصائص المواد، وسوف يقلل بشكل كبير من الخواص الميكانيكية للمادة، مثل تقليل القوة والصلابة ومقاومة التآكل والحد من التعب وما إلى ذلك، وكذلك زيادة الحساسية للشقوق مما يؤثر على جودة اللحام وما إلى ذلك. ولذلك، فإن التحكم في سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل له أهمية كبيرة لتحسين أداء المنتج. ويبين الشكل 2 منحنى التباين لسمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل مع درجة الحرارة، مما يوضح تباين سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل بشكل أكثر وضوحًا. يمكن أن نرى من الشكل أن سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل يبلغ حوالي 34μm فقط عند 700 درجة مئوية؛ مع ارتفاع درجة الحرارة إلى 725 درجة مئوية، يزيد سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل بشكل كبير إلى 86 ميكرومتر، وهو أكثر من ضعف سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل عند 700 درجة مئوية؛ عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 750 درجة مئوية، سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 750 درجة مئوية، يصل سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل إلى الحد الأقصى لقيمة 120 ميكرومتر؛ مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، يبدأ سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل في الانخفاض بشكل حاد، إلى 70 ميكرومتر عند 800 درجة مئوية، ثم إلى الحد الأدنى للقيمة حوالي 20 ميكرومتر عند 850 درجة مئوية.
الشكل 2: سمك الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل عند درجات حرارة مختلفة
تأثير إزالة الكربنة على أداء التعب في الانحناء الدوراني
من أجل دراسة تأثير إزالة الكربنة على خصائص الكلال للفولاذ الزنبركي، تم إجراء مجموعتين من اختبارات كلال الانحناء الدوراني، كانت المجموعة الأولى عبارة عن اختبار الكلال مباشرة دون إزالة الكربنة، وكانت المجموعة الثانية عبارة عن اختبار الكلال بعد إزالة الكربنة عند نفس الإجهاد المستوى (810 ميجا باسكال)، وتم إجراء عملية إزالة الكربنة عند 700-850 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. يتم عرض المجموعة الأولى من العينات في الجدول 2، وهي عمر الكلال للفولاذ الزنبركي.
يظهر الجدول 2 عمر الكلال للمجموعة الأولى من العينات. وكما يتبين من الجدول 2، بدون إزالة الكربنة، تعرض فولاذ الاختبار فقط إلى 107 دورات عند 810 ميجا باسكال، ولم يحدث أي كسر؛ وعندما تجاوز مستوى الإجهاد 830 ميجا باسكال، بدأت بعض العينات في الكسر؛ وعندما تجاوز مستوى الإجهاد 850 ميجا باسكال، تعرضت جميع عينات التعب للكسر.
الجدول 2: عمر التعب في ظل مستويات الإجهاد المختلفة (بدون إزالة الكربنة)
من أجل تحديد حد الكلال، يتم استخدام طريقة المجموعة لتحديد حد الكلال لفولاذ الاختبار، وبعد التحليل الإحصائي للبيانات، يبلغ حد الكلال لفولاذ الاختبار حوالي 760 ميجا باسكال؛ من أجل وصف عمر الكلال للفولاذ الاختباري تحت ضغوط مختلفة، يتم رسم منحنى SN، كما هو موضح في الشكل 3. كما يتبين من الشكل 3، تتوافق مستويات الإجهاد المختلفة مع عمر الكلال المختلف، عندما يكون عمر الكلال 7 ، الموافق لعدد الدورات لـ 107، مما يعني أن العينة في ظل هذه الظروف تمر عبر الحالة، ويمكن تقريب قيمة الإجهاد المقابلة كقيمة قوة التعب، أي 760 ميجا باسكال. يمكن ملاحظة أن منحنى S - N مهم لتحديد عمر الكلال للمادة وله قيمة مرجعية مهمة.
الشكل 3: منحنى SN لاختبار التعب الانحناء الفولاذي التجريبي
يظهر الجدول 3 عمر الكلال للمجموعة الثانية من العينات. وكما يتبين من الجدول 3، بعد إزالة الكربون من فولاذ الاختبار عند درجات حرارة مختلفة، فمن الواضح أن عدد الدورات ينخفض، وهي أكثر من 107، وكلها يتم كسر عينات التعب، ويتم تقليل عمر التعب إلى حد كبير. بالاشتراك مع سماكة الطبقة منزوعة الكربنة المذكورة أعلاه مع منحنى تغير درجة الحرارة، يمكن رؤية سمك الطبقة منزوعة الكربنة بـ 750 درجة مئوية وهو الأكبر، وهو ما يتوافق مع أدنى قيمة لعمر الكلال. سمك الطبقة منزوعة الكربنة 850 درجة مئوية هو الأصغر، مما يتوافق مع قيمة عمر التعب المرتفعة نسبيًا. يمكن ملاحظة أن سلوك إزالة الكربنة يقلل بشكل كبير من أداء الكلال للمادة، وكلما زادت سماكة الطبقة منزوعة الكربنة، انخفض عمر الكلال.
الجدول 3: عمر التعب عند درجات حرارة مختلفة لإزالة الكربنة (560 ميجا باسكال)
تمت ملاحظة مورفولوجيا كسر التعب في العينة عن طريق مسح المجهر الإلكتروني، كما هو مبين في الشكل 4. الشكل 4 (أ) بالنسبة لمنطقة مصدر الشق، يمكن رؤية الشكل قوس التعب الواضح، وفقًا لقوس التعب للعثور على المصدر من التعب، يمكن رؤية مصدر الكراك للشوائب غير المعدنية "عين السمكة"، ومن السهل أن تسبب الشوائب تركيز الإجهاد، مما يؤدي إلى شقوق التعب؛ الشكل 4 (ب) بالنسبة لتشكل منطقة امتداد الكراك، يمكن رؤية خطوط التعب الواضحة، وكان التوزيع يشبه النهر، وينتمي إلى كسر شبه انفصالي، مع توسع الشقوق، مما يؤدي في النهاية إلى الكسر. يوضح الشكل 4 (ب) شكل منطقة توسع الشقوق، ويمكن رؤية خطوط التعب الواضحة، على شكل توزيع يشبه النهر، والذي ينتمي إلى الكسر شبه الانفصالي، ومع التوسع المستمر للشقوق، يؤدي في النهاية إلى الكسر .
تحليل كسر التعب
الشكل 4. مورفولوجية SEM لسطح كسر التعب للفولاذ التجريبي
من أجل تحديد نوع الشوائب في الشكل 4، تم إجراء تحليل تكوين طيف الطاقة، وتظهر النتائج في الشكل 5. ويمكن ملاحظة أن الشوائب غير المعدنية هي بشكل رئيسي شوائب Al2O3، مما يشير إلى أن الشوائب هي المصدر الرئيسي للشقوق الناجمة عن تكسير الادراج.
الشكل 5: التحليل الطيفي للطاقة للشوائب غير المعدنية
اختتم
(1) سيؤدي تحديد درجة حرارة التسخين عند 850 درجة مئوية إلى تقليل سمك الطبقة منزوعة الكربنة لتقليل التأثير على أداء الكلال.
(2) حد الكلال لثني الدوران الفولاذي الاختباري هو 760 ميجا باسكال.
(3) اختبار تكسير الصلب في الشوائب غير المعدنية، وخاصة خليط Al2O3.
(4) تقلل عملية إزالة الكربنة بشكل خطير من عمر الكلال للفولاذ الاختباري، فكلما زادت سماكة طبقة إزالة الكربنة، انخفض عمر الكلال.
وقت النشر: 21 يونيو 2024