Kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để quan sát vết nứt mỏi và phân tích cơ chế đứt gãy; đồng thời, thử nghiệm độ mỏi uốn quay được thực hiện trên các mẫu đã được khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau để so sánh tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm có và không có quá trình khử cacbon, đồng thời để phân tích ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm. Kết quả cho thấy, do tồn tại đồng thời quá trình oxy hóa và khử cacbon trong quá trình gia nhiệt nên sự tương tác giữa hai quá trình này dẫn đến độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn theo sự tăng trưởng của nhiệt độ có xu hướng tăng rồi giảm, độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn đạt giá trị tối đa là 120 μm ở 750oC và độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn đạt giá trị tối thiểu là 20 μm ở 850oC và giới hạn mỏi của thép thử nghiệm là khoảng 760 MPa, và nguồn gốc gây ra vết nứt mỏi trong thép thử nghiệm chủ yếu là các tạp chất phi kim loại Al2O3; Hành vi khử cacbon làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm, ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của thép thử nghiệm, lớp khử cacbon càng dày thì tuổi thọ mỏi càng thấp. Để giảm tác động của lớp khử cacbon đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm, nhiệt độ xử lý nhiệt tối ưu của thép thử nghiệm phải được đặt ở 850oC.
Hộp số là bộ phận quan trọng của ô tô,do hoạt động ở tốc độ cao nên phần ăn khớp của bề mặt bánh răng phải có độ bền và khả năng chống mài mòn cao, chân răng phải có khả năng chịu mỏi uốn tốt do tải trọng lặp lại không đổi, nhằm tránh các vết nứt dẫn đến vật liệu gãy xương. Nghiên cứu cho thấy quá trình khử cacbon là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi khi uốn quay của vật liệu kim loại và hiệu suất mỏi khi uốn quay là một chỉ số quan trọng về chất lượng sản phẩm, do đó cần nghiên cứu hành vi khử cacbon và hiệu suất mỏi khi uốn quay của vật liệu thử.
Trong bài báo này, lò xử lý nhiệt trong thử nghiệm khử cacbon bề mặt thép bánh răng 20CrMnTi, phân tích các nhiệt độ gia nhiệt khác nhau trên độ sâu lớp khử cacbon của thép thử nghiệm theo quy luật thay đổi; sử dụng máy kiểm tra độ mỏi dầm đơn giản QBWP-6000J trong bài kiểm tra độ mỏi uốn quay của thép thử nghiệm, xác định hiệu suất độ mỏi của thép thử nghiệm, đồng thời phân tích tác động của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm để cải thiện quá trình sản xuất thực tế quá trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và đưa ra sự tham khảo hợp lý. Hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm được xác định bằng máy thử độ mỏi uốn quay.
1. Vật liệu và phương pháp thử nghiệm
Vật liệu thử cho một đơn vị cung cấp thép bánh răng 20CrMnTi, thành phần hóa học chính như trong Bảng 1. Thử nghiệm khử cacbon: vật liệu thử được xử lý thành mẫu hình trụ Ф8 mm × 12 mm, bề mặt phải sáng bóng không có vết bẩn. Lò xử lý nhiệt được làm nóng đến 675oC, 700oC, 725oC, 750oC, 800oC, 850oC, 900oC, 950oC, 1.000oC, vào mẫu và giữ trong 1 giờ, sau đó làm mát bằng không khí đến nhiệt độ phòng. Sau khi xử lý nhiệt mẫu bằng cách thiết lập, mài và đánh bóng, với 4% dung dịch cồn axit nitric ăn mòn, sử dụng kính hiển vi luyện kim để quan sát lớp khử cacbon của thép thử nghiệm, đo độ sâu của lớp khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau. Kiểm tra độ mỏi uốn cong: vật liệu thử theo yêu cầu xử lý của hai nhóm mẫu mỏi uốn quay, nhóm thứ nhất không thực hiện thử nghiệm khử cacbon, nhóm thứ hai là thử nghiệm khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau. Sử dụng máy thử độ mỏi uốn quay, hai nhóm thép thử độ mỏi uốn quay, xác định giới hạn mỏi của hai nhóm thép thử, so sánh tuổi thọ mỏi của hai nhóm thép thử, sử dụng phương pháp quét quan sát vết nứt do mỏi bằng kính hiển vi điện tử, phân tích nguyên nhân gây ra vết nứt của mẫu, để khám phá ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đối với đặc tính mỏi của thép thử nghiệm.
Bảng 1 Thành phần hóa học (phần khối lượng) của thép thử wt%
Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt đến quá trình khử cacbon
Hình thái của tổ chức khử cacbon dưới các nhiệt độ gia nhiệt khác nhau được thể hiện trong Hình 1. Như có thể thấy trên hình, khi nhiệt độ là 675oC, bề mặt mẫu không xuất hiện lớp khử cacbon; khi nhiệt độ tăng lên 700oC, lớp khử cacbon trên bề mặt mẫu bắt đầu xuất hiện, đối với lớp khử cacbon ferit mỏng; khi nhiệt độ tăng lên 725oC, độ dày lớp khử cacbon trên bề mặt mẫu tăng lên đáng kể; Độ dày lớp khử cacbon 750oC đạt giá trị tối đa, lúc này hạt ferit trong hơn, thô hơn; khi nhiệt độ tăng lên 800oC, độ dày lớp khử cacbon bắt đầu giảm đáng kể, độ dày của nó giảm xuống một nửa so với 750oC; khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên 850oC và độ dày của quá trình khử cacbon được thể hiện trong Hình 1. 800oC, độ dày lớp khử cacbon hoàn toàn bắt đầu giảm đáng kể, độ dày của nó giảm xuống còn một nửa; Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên 850oC trở lên, độ dày lớp khử cacbon hoàn toàn của thép thử nghiệm tiếp tục giảm, độ dày lớp khử cacbon một nửa bắt đầu tăng dần cho đến khi hình thái lớp khử cacbon hoàn toàn biến mất, hình thái lớp khử cacbon một nửa dần dần rõ ràng. Có thể thấy, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn khi tăng nhiệt độ lúc đầu tăng lên sau đó giảm xuống, nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do mẫu trong quá trình gia nhiệt đồng thời diễn ra quá trình oxy hóa và khử cacbon, chỉ khi tốc độ khử cacbon nhanh hơn tốc độ oxy hóa sẽ xuất hiện hiện tượng khử cacbon. Khi bắt đầu gia nhiệt, độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn tăng dần theo sự tăng nhiệt độ cho đến khi độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn đạt giá trị tối đa, lúc này để tiếp tục tăng nhiệt độ, tốc độ oxy hóa của mẫu thử nhanh hơn tốc độ khử cacbon, ngăn cản sự gia tăng của lớp được khử cacbon hoàn toàn, dẫn đến xu hướng giảm. Có thể thấy rằng, trong phạm vi 675 ～950oC, giá trị độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn ở 750oC là lớn nhất và giá trị độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn ở 850oC là nhỏ nhất, do đó, nhiệt độ gia nhiệt của thép thử nghiệm được khuyến nghị là 850oC.
Hình 1 Mô hình học của lớp thép thử đã được khử cacbon được giữ ở các nhiệt độ gia nhiệt khác nhau trong 1h
So với lớp bán khử cacbon, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn có tác động tiêu cực nghiêm trọng hơn đến tính chất vật liệu, nó sẽ làm giảm đáng kể các tính chất cơ học của vật liệu, như giảm độ bền, độ cứng, khả năng chống mài mòn và giới hạn mỏi , v.v., đồng thời làm tăng độ nhạy cảm với các vết nứt, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, v.v. Vì vậy, việc kiểm soát độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn có ý nghĩa rất lớn để cải thiện hiệu suất của sản phẩm. Hình 2 thể hiện đường cong biến đổi độ dày của lớp được giải cacbon hoàn toàn theo nhiệt độ, cho thấy sự thay đổi độ dày của lớp được giải cacbon hoàn toàn rõ ràng hơn. Từ hình vẽ có thể thấy rằng độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn chỉ khoảng 34μm ở 700oC; khi nhiệt độ tăng lên 725oC, độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn tăng đáng kể lên 86 μm, gấp hơn hai lần độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn ở 700oC; khi nhiệt độ tăng lên 750oC, độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn. Khi nhiệt độ tăng lên 750oC, độ dày của lớp được giải mã hoàn toàn đạt giá trị tối đa là 120 μm; khi nhiệt độ tiếp tục tăng, độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn bắt đầu giảm mạnh, xuống còn 70 μm ở 800oC, sau đó xuống giá trị tối thiểu khoảng 20μm ở 850oC.
Hình 2 Độ dày của lớp được khử cacbon hoàn toàn ở các nhiệt độ khác nhau
Ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi khi uốn quay
Để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến đặc tính mỏi của thép lò xo, hai nhóm thử nghiệm độ mỏi uốn quay đã được thực hiện, nhóm thứ nhất là thử mỏi trực tiếp mà không cần khử cacbon, và nhóm thứ hai là thử độ mỏi sau khi khử cacbon ở cùng một ứng suất mức (810 MPa) và quá trình khử cacbon được giữ ở 700-850oC trong 1 giờ. Nhóm mẫu thử đầu tiên được trình bày trong Bảng 2, đó là tuổi thọ mỏi của thép lò xo.
Tuổi thọ mỏi của nhóm mẫu thử đầu tiên được thể hiện trong Bảng 2. Như có thể thấy trong Bảng 2, khi không khử cacbon, thép thử nghiệm chỉ chịu 107 chu kỳ ở 810 MPa và không xảy ra hiện tượng gãy xương; khi mức ứng suất vượt quá 830 MPa, một số mẫu bắt đầu bị gãy; khi mức ứng suất vượt quá 850 MPa, các mẫu mỏi đều bị gãy.
Bảng 2 Tuổi thọ mỏi dưới các mức ứng suất khác nhau (không khử cacbon)
Để xác định giới hạn mỏi, phương pháp nhóm được sử dụng để xác định giới hạn mỏi của thép thử nghiệm và sau khi phân tích thống kê dữ liệu, giới hạn mỏi của thép thử nghiệm là khoảng 760 MPa; Để mô tả tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm dưới các ứng suất khác nhau, đường cong SN được vẽ như trên Hình 3. Như có thể thấy trên Hình 3, các mức ứng suất khác nhau tương ứng với tuổi thọ mỏi khác nhau, khi tuổi thọ mỏi bằng 7 , tương ứng với số chu kỳ của 107, có nghĩa là mẫu trong các điều kiện này ở trạng thái thông qua, giá trị ứng suất tương ứng có thể xấp xỉ bằng giá trị độ bền mỏi, nghĩa là 760 MPa. Có thể thấy, đường cong S - N quan trọng trong việc xác định tuổi thọ mỏi của vật liệu có giá trị tham chiếu quan trọng.
Hình 3 Đường cong SN của thí nghiệm mỏi uốn quay thép thực nghiệm
Tuổi thọ mỏi của nhóm mẫu thứ hai được thể hiện trong Bảng 3. Như có thể thấy trong Bảng 3, sau khi thép thử được khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau, số chu kỳ giảm rõ ràng và chúng lớn hơn 107, và tất cả các mẫu mỏi bị gãy và tuổi thọ mỏi giảm đi rất nhiều. Kết hợp với độ dày lớp khử cacbon ở trên với đường cong thay đổi nhiệt độ có thể thấy, độ dày lớp khử cacbon 750oC là lớn nhất, tương ứng với giá trị tuổi thọ mỏi thấp nhất. Độ dày lớp khử cacbon 850oC là nhỏ nhất, tương ứng với giá trị tuổi thọ mỏi tương đối cao. Có thể thấy rằng hành vi khử cacbon làm giảm đáng kể hiệu suất mỏi của vật liệu, và lớp khử cacbon càng dày thì tuổi thọ mỏi càng thấp.
Bảng 3 Tuổi thọ mỏi ở các nhiệt độ khử cacbon khác nhau (560 MPa)
Hình thái vết nứt mỏi của mẫu vật được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét, như trong Hình 4. Hình 4 (a) đối với khu vực nguồn vết nứt, hình ảnh có thể nhìn thấy vòng cung mỏi rõ ràng, theo vòng cung mỏi để tìm nguồn của sự mỏi, có thể thấy, nguồn gốc vết nứt của các tạp chất phi kim loại "mắt cá", các tạp chất dễ gây ra sự tập trung ứng suất, dẫn đến các vết nứt do mỏi; Hình 4(b) về hình thái vùng mở rộng vết nứt, có thể thấy rõ các sọc mỏi, phân bố giống như dòng sông, thuộc loại gãy gần phân ly, với các vết nứt mở rộng, cuối cùng dẫn đến đứt gãy. Hình 4(b) cho thấy hình thái của khu vực giãn nở vết nứt, có thể nhìn thấy các vệt mỏi rõ ràng, dưới dạng phân bố giống sông, thuộc loại gãy gần phân ly và với sự mở rộng liên tục của vết nứt, cuối cùng dẫn đến gãy xương .
Phân tích gãy xương mỏi
Hình 4. Hình thái SEM bề mặt đứt gãy mỏi của thép thí nghiệm
Để xác định loại tạp chất trong Hình 4, người ta tiến hành phân tích thành phần phổ năng lượng và kết quả được thể hiện trong Hình 5. Có thể thấy rằng các tạp chất phi kim loại chủ yếu là các tạp chất Al2O3, cho thấy rằng các tạp chất này là nguồn gốc chính của các vết nứt do vết nứt vùi.
Hình 5 Quang phổ năng lượng của các tạp chất phi kim loại
Kết luận
(1) Việc đặt nhiệt độ gia nhiệt ở 850oC sẽ giảm thiểu độ dày của lớp được khử cacbon để giảm ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi.
(2) Giới hạn mỏi của thép thử uốn quay là 760 MPa.
(3) Thí nghiệm nứt thép trong các tạp chất phi kim loại, chủ yếu là hỗn hợp Al2O3.
(4) quá trình khử cacbon làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm, lớp khử cacbon càng dày thì tuổi thọ mỏi càng thấp.
Thời gian đăng: 21-06-2024