Un microscope électronique à balayage a été utilisé pour observer la rupture par fatigue et analyser le mécanisme de rupture ; en même temps, un essai de fatigue par flexion par rotation a été effectué sur les éprouvettes décarburées à différentes températures pour comparer la durée de vie en fatigue de l'acier d'essai avec et sans décarburation et pour analyser l'effet de la décarburation sur les performances en fatigue de l'acier d'essai. Les résultats montrent que, en raison de l'existence simultanée de l'oxydation et de la décarburation dans le processus de chauffage, l'interaction entre les deux, résultant en l'épaisseur de la couche entièrement décarburée avec l'augmentation de la température, montre une tendance à l'augmentation puis à la diminution, la l'épaisseur de la couche entièrement décarburée atteint une valeur maximale de 120 μm à 750 ℃, et l'épaisseur de la couche entièrement décarburée atteint une valeur minimale de 20 μm à 850 ℃, et la limite de fatigue de l'acier d'essai est d'environ 760 MPa, et la source des fissures de fatigue dans l'acier d'essai est principalement constituée d'inclusions non métalliques Al2O3 ; le comportement de décarburation réduit considérablement la durée de vie en fatigue de l'acier d'essai, affectant les performances en fatigue de l'acier d'essai, plus la couche de décarburation est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est faible. Afin de réduire l'impact de la couche de décarburation sur les performances en fatigue de l'acier d'essai, la température optimale de traitement thermique de l'acier d'essai doit être réglée à 850 ℃.
L'équipement est un élément important de l'automobile, en raison du fonctionnement à grande vitesse, la partie engrenée de la surface de l'engrenage doit avoir une résistance élevée et une résistance à l'abrasion, et la racine de la dent doit avoir de bonnes performances de fatigue en flexion en raison de la charge répétée constante, afin d'éviter les fissures qui conduisent au matériau fracture. La recherche montre que la décarburation est un facteur important affectant les performances en fatigue par flexion par rotation des matériaux métalliques et que les performances en fatigue par flexion par rotation sont un indicateur important de la qualité du produit. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement de décarburation et les performances en fatigue par flexion par rotation du matériau d'essai.
Dans cet article, le four de traitement thermique sur le test de décarburation de la surface en acier pour engrenages 20CrMnTi, analyse différentes températures de chauffage sur la profondeur de la couche de décarburation en acier d'essai de la loi changeante ; utilisation de la machine d'essai de fatigue à poutre simple QBWP-6000J sur l'essai de fatigue par flexion rotative de l'acier d'essai, détermination des performances de fatigue de l'acier d'essai et en même temps pour analyser l'impact de la décarburation sur les performances de fatigue de l'acier d'essai pour améliorer la production réelle Le processus de production, améliore la qualité des produits et fournit une référence raisonnable. Les performances d'essai en fatigue de l'acier sont déterminées par la machine d'essai de fatigue par flexion par rotation.
1. Matériels et méthodes de test
Matériau d'essai pour une unité visant à fournir de l'acier pour engrenages 20CrMnTi, dont la composition chimique principale est indiquée dans le tableau 1. Test de décarburation : le matériau d'essai est transformé en éprouvette cylindrique Ф8 mm × 12 mm, la surface doit être brillante sans taches. Le four de traitement thermique a été chauffé à 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1 000 ℃, dans l'échantillon et maintenu 1 h, puis refroidi à l'air à température ambiante. Après traitement thermique de l'échantillon par réglage, meulage et polissage, avec 4 % d'érosion de la solution d'alcool d'acide nitrique, utilisation de la microscopie métallurgique pour observer la couche de décarburation de l'acier d'essai, mesurant la profondeur de la couche de décarburation à différentes températures. Essai de fatigue par flexion par rotation : le matériau d'essai selon les exigences du traitement de deux groupes d'éprouvettes de fatigue par flexion par rotation, le premier groupe n'effectue pas d'essai de décarburation, le deuxième groupe d'essai de décarburation à différentes températures. À l'aide de la machine d'essai de fatigue par flexion par rotation, les deux groupes d'acier d'essai pour les essais de fatigue par flexion par rotation, détermination de la limite de fatigue des deux groupes d'acier d'essai, comparaison de la durée de vie en fatigue des deux groupes d'acier d'essai, utilisation du balayage observation de fracture par fatigue au microscope électronique, analyser les raisons de la rupture de l'éprouvette, pour explorer l'effet de la décarburation des propriétés de fatigue de l'acier d'essai.
Tableau 1 Composition chimique (fraction massique) de l'acier d'essai % en poids
Effet de la température de chauffage sur la décarburation
La morphologie de l'organisation de la décarburation sous différentes températures de chauffage est représentée sur la figure 1. Comme le montre la figure, lorsque la température est de 675 ℃, la surface de l'échantillon n'apparaît pas de couche de décarburation ; lorsque la température atteint 700 ℃, la couche de décarburation de la surface de l'échantillon a commencé à apparaître, pour la fine couche de décarburation en ferrite ; avec la température s'élevant à 725 ℃, l'épaisseur de la couche de décarburation de la surface de l'échantillon a augmenté de manière significative ; L'épaisseur de la couche de décarburation de 750 ℃ atteint sa valeur maximale, à ce moment, le grain de ferrite est plus clair, plus grossier ; lorsque la température atteint 800 ℃, l'épaisseur de la couche de décarburation a commencé à diminuer de manière significative, son épaisseur est tombée à la moitié des 750 ℃ ; lorsque la température continue d'augmenter jusqu'à 850 ℃ et que l'épaisseur de décarburation est représentée sur la figure 1. À 800 ℃, l'épaisseur totale de la couche de décarburation a commencé à diminuer de manière significative, son épaisseur est tombée à 750 ℃ lorsqu'elle est de moitié ; lorsque la température continue d'augmenter jusqu'à 850 ℃ et plus, l'épaisseur de la couche de décarburation complète de l'acier d'essai continue de diminuer, l'épaisseur de la couche de décarburation à moitié a commencé à augmenter progressivement jusqu'à ce que la morphologie de la couche de décarburation complète disparaisse, la morphologie de la couche de décarburation à moitié s'éclaircit progressivement. On peut voir que l'épaisseur de la couche entièrement décarburée avec l'augmentation de la température a d'abord augmenté puis réduite, la raison de ce phénomène est due à l'échantillon dans le processus de chauffage en même temps au comportement d'oxydation et de décarburation, uniquement lorsque le taux de décarburation est plus rapide que la vitesse d'oxydation apparaîtra un phénomène de décarburation. Au début du chauffage, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée augmente progressivement avec l'augmentation de la température jusqu'à ce que l'épaisseur de la couche entièrement décarburée atteigne la valeur maximale, à ce moment pour continuer à augmenter la température, le taux d'oxydation de l'échantillon est plus rapide que le taux de décarburation, qui inhibe l'augmentation de la couche entièrement décarburée, entraînant une tendance à la baisse. On peut voir que, dans la plage de 675 ～ 950 ℃, la valeur de l'épaisseur de la couche entièrement décarburée à 750 ℃ est la plus grande, et la valeur de l'épaisseur de la couche entièrement décarburée à 850 ℃ est la plus petite, par conséquent, il est recommandé que la température de chauffage de l'acier d'essai soit de 850 ℃.
Fig.1 Histomorphologie d'une couche décarburée d'acier d'essai maintenue à différentes températures de chauffage pendant 1 h
Par rapport à la couche semi-décarburée, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée a un impact négatif plus grave sur les propriétés du matériau, elle réduira considérablement les propriétés mécaniques du matériau, telles que la réduction de la résistance, de la dureté, de la résistance à l'usure et de la limite de fatigue. , etc., et augmentent également la sensibilité aux fissures, affectant la qualité du soudage, etc. Par conséquent, le contrôle de l’épaisseur de la couche entièrement décarburée est d’une grande importance pour améliorer les performances du produit. La figure 2 montre la courbe de variation de l'épaisseur de la couche entièrement décarburée avec la température, qui montre plus clairement la variation de l'épaisseur de la couche entièrement décarburée. On peut voir sur la figure que l'épaisseur de la couche entièrement décarburée n'est qu'environ 34 µm à 700 ℃ ; lorsque la température s'élève jusqu'à 725 ℃, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée augmente considérablement jusqu'à 86 μm, soit plus de deux fois l'épaisseur de la couche entièrement décarburée à 700 ℃ ; lorsque la température s'élève à 750 ℃, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée. Lorsque la température s'élève à 750 ℃, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée atteint la valeur maximale de 120 μm ; à mesure que la température continue d'augmenter, l'épaisseur de la couche entièrement décarburée commence à diminuer fortement, jusqu'à 70 μm à 800 ℃, puis jusqu'à la valeur minimale d'environ 20 μm à 850 ℃.
Fig.2 Épaisseur de la couche entièrement décarburée à différentes températures
Effet de la décarburation sur les performances en fatigue en flexion par rotation
Afin d'étudier l'effet de la décarburation sur les propriétés de fatigue de l'acier à ressort, deux groupes d'essais de fatigue par flexion par rotation ont été réalisés, le premier groupe était un essai de fatigue directement sans décarburation et le deuxième groupe était un essai de fatigue après décarburation à la même contrainte. (810 MPa) et le processus de décarburation a été maintenu à 700-850 ℃ pendant 1 h. Le premier groupe d'échantillons est présenté dans le tableau 2, qui correspond à la durée de vie en fatigue de l'acier à ressort.
La durée de vie en fatigue du premier groupe d'éprouvettes est présentée dans le tableau 2. Comme le montre le tableau 2, sans décarburation, l'acier d'essai n'a été soumis qu'à 107 cycles à 810 MPa, et aucune fracture ne s'est produite ; lorsque le niveau de contrainte dépassait 830 MPa, certains spécimens commençaient à se fracturer ; lorsque le niveau de contrainte dépassait 850 MPa, les éprouvettes de fatigue étaient toutes fracturées.
Tableau 2 Durée de vie sous différents niveaux de contrainte (sans décarburation)
Afin de déterminer la limite de fatigue, la méthode de groupe est utilisée pour déterminer la limite de fatigue de l'acier d'essai, et après analyse statistique des données, la limite de fatigue de l'acier d'essai est d'environ 760 MPa ; afin de caractériser la durée de vie en fatigue de l'acier d'essai sous différentes contraintes, la courbe SN est tracée, comme le montre la figure 3. Comme le montre la figure 3, différents niveaux de contrainte correspondent à différentes durées de vie, lorsque la durée de vie en fatigue de 7 , correspondant au nombre de cycles pour 107, ce qui signifie que l'éprouvette dans ces conditions est dans cet état, la valeur de contrainte correspondante peut être approchée comme la valeur de résistance à la fatigue, c'est-à-dire 760 MPa. On voit que la courbe S - N est importante pour la détermination de la durée de vie en fatigue du matériau et qu'elle a une valeur de référence importante.
Figure 3 Courbe SN de l'essai expérimental de fatigue par flexion rotative en acier
La durée de vie en fatigue du deuxième groupe d'éprouvettes est indiquée dans le tableau 3. Comme le montre le tableau 3, une fois l'acier d'essai décarburé à différentes températures, le nombre de cycles est évidemment réduit et il est supérieur à 107, et tous les éprouvettes de fatigue sont fracturées et la durée de vie en fatigue est considérablement réduite. En combinaison avec l'épaisseur de la couche décarburée ci-dessus et la courbe de changement de température visible, l'épaisseur de la couche décarburée de 750 ℃ est la plus grande, correspondant à la valeur la plus faible de la durée de vie en fatigue. L'épaisseur de la couche décarburée de 850 ℃ est la plus petite, ce qui correspond à la valeur de durée de vie en fatigue est relativement élevée. On peut voir que le comportement de décarburation réduit considérablement les performances en fatigue du matériau, et plus la couche décarburée est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est faible.
Tableau 3 Durée de vie à différentes températures de décarburation (560 MPa)
La morphologie de rupture de fatigue de l'échantillon a été observée au microscope électronique à balayage, comme le montre la figure 4. Figure 4 (a) pour la zone source de fissure, la figure peut être vue sous un arc de fatigue évident, selon l'arc de fatigue pour trouver la source. de fatigue, on peut voir, la source de fissure pour les inclusions non métalliques « fish-eye », inclusions à la concentration de contraintes facile à provoquer, entraînant des fissures de fatigue ; La figure 4 (b), pour la morphologie de la zone d'extension des fissures, montre des bandes de fatigue évidentes, une distribution semblable à une rivière, appartient à une fracture quasi-dissociative, avec des fissures en expansion, conduisant finalement à une fracture. La figure 4 (b) montre la morphologie de la zone d'expansion des fissures. Des stries de fatigue évidentes peuvent être observées, sous la forme d'une distribution en forme de rivière, qui appartient à une fracture quasi-dissociative, et avec l'expansion continue des fissures, conduisant finalement à la fracture. .
Analyse des fractures de fatigue
Fig.4 Morphologie SEM de la surface de rupture par fatigue de l'acier expérimental
Afin de déterminer le type d'inclusions sur la figure 4, une analyse de la composition du spectre énergétique a été effectuée et les résultats sont présentés sur la figure 5. On peut voir que les inclusions non métalliques sont principalement des inclusions d'Al2O3, ce qui indique que les inclusions sont la principale source de fissures causées par la fissuration des inclusions.
Figure 5 Spectroscopie énergétique des inclusions non métalliques
Conclure
(1) Le positionnement de la température de chauffage à 850 ℃ minimisera l'épaisseur de la couche décarburée afin de réduire l'effet sur les performances en fatigue.
(2) La limite de fatigue de l'essai de flexion par rotation de l'acier est de 760 MPa.
( 3) Test de fissuration de l'acier dans des inclusions non métalliques, principalement un mélange Al2O3.
(4) la décarburation réduit considérablement la durée de vie en fatigue de l'acier d'essai, plus la couche de décarburation est épaisse, plus la durée de vie en fatigue est faible.
Heure de publication : 21 juin 2024