Kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để quan sát vết nứt mỏi và phân tích cơ chế nứt; đồng thời, thử nghiệm mỏi uốn quay được thực hiện trên các mẫu đã khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau để so sánh tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm có và không khử cacbon, và để phân tích ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm. Kết quả cho thấy, do sự tồn tại đồng thời của quá trình oxy hóa và khử cacbon trong quá trình nung nóng, sự tương tác giữa hai quá trình này dẫn đến độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn có xu hướng tăng rồi giảm khi nhiệt độ tăng, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn đạt giá trị cực đại là 120 μm ở 750 ℃, và độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn đạt giá trị cực tiểu là 20 μm ở 850 ℃, và giới hạn mỏi của thép thử nghiệm là khoảng 760 MPa, và nguồn gốc của các vết nứt mỏi trong thép thử nghiệm chủ yếu là các tạp chất phi kim loại Al2O3; Hiện tượng khử cacbon làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm, ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm; lớp khử cacbon càng dày thì tuổi thọ mỏi càng thấp. Để giảm thiểu 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 nên được đặt ở mức 850℃.
Hộp số là một bộ phận quan trọng của ô tô.Do hoạt động ở tốc độ cao, phần ăn khớp của bề mặt bánh răng phải có độ bền và khả năng chống mài mòn cao, và chân răng phải có khả năng chịu mỏi uốn tốt do tải trọng lặp đi lặp lại liên tục, để tránh nứt dẫn đến gãy vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng sự khử cacbon là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chịu mỏi uốn quay của vật liệu kim loại, và khả năng chịu mỏi uốn quay là một chỉ số quan trọng về chất lượng sản phẩm, vì vậy cần thiết phải nghiên cứu hành vi khử cacbon và khả năng chịu mỏi uốn quay của vật liệu thử nghiệm.
Bài báo này trình bày kết quả thử nghiệm khử cacbon bề mặt thép bánh răng 20CrMnTi trong lò xử lý nhiệt, phân tích quy luật thay đổi độ sâu lớp khử cacbon của thép thử nghiệm ở các nhiệt độ nung khác nhau; sử dụng máy thử mỏi uốn xoay QBWP-6000J để xác định hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm, đồng thời phân tích tác động của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm nhằm cải thiện quy trình sản xuất thực tế, nâng cao chất lượng sản phẩm và cung cấp tài liệu tham khảo hợp lý. Hiệu suất mỏi của thép thử nghiệm được xác định bằng máy thử mỏi uốn xoay.
1. Vật liệu và phương pháp thử nghiệm
Vật liệu thử nghiệm dùng cho một bộ phận cung cấp thép bánh răng 20CrMnTi, thành phần hóa học chính được thể hiện trong Bảng 1. Thử nghiệm khử cacbon: Vật liệu thử nghiệm được gia công thành mẫu hình trụ Ф8 mm × 12 mm, bề mặt phải sáng bóng và không có vết bẩn. Mẫu được nung nóng trong lò xử lý nhiệt đến các nhiệt độ 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃, sau đó cho vào lò và giữ trong 1 giờ, rồi làm nguội bằng không khí đến nhiệt độ phòng. Sau khi xử lý nhiệt, mẫu được định hình, mài và đánh bóng, sau đó được ăn mòn bằng dung dịch cồn axit nitric 4%, 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. Thử nghiệm mỏi uốn quay: Theo yêu cầu, vật liệu thử nghiệm được chế tạo thành hai nhóm mẫu thử mỏi uốn quay. Nhóm thứ nhất không tiến hành thử nghiệm khử cacbon, nhóm thứ hai tiến hành thử nghiệm khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau. Sử dụng máy thử mỏi uốn quay, tiến hành thử nghiệm mỏi uốn quay trên hai nhóm thép thử nghiệm, xác định giới hạn mỏi của hai nhóm thép thử nghiệm, so sánh tuổi thọ mỏi của hai nhóm thép thử nghiệm, quan sát vết nứt mỏi bằng kính hiển vi điện tử quét, phân tích nguyên nhân gây nứt của mẫu thử nghiệm, và tìm hiểu ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến tính chất mỏi của thép thử nghiệm.
Bảng 1 Thành phần hóa học (phần trăm khối lượng) của thép thử nghiệm (wt%)
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình khử cacbon
Hình thái của quá trình khử cacbon dưới các nhiệt độ nung khác nhau được thể hiện trong Hình 1. Như có thể thấy từ hình, khi nhiệt độ là 675 ℃, bề mặt mẫu không xuất hiện lớp khử cacbon; khi nhiệt độ tăng lên 700 ℃, lớp khử cacbon trên bề mặt mẫu bắt đầu xuất hiện, đó là lớp khử cacbon ferit mỏng; khi nhiệt độ tăng lên 725 ℃, độ dày lớp khử cacbon trên bề mặt mẫu tăng lên đáng kể; ở 750 ℃, độ dày lớp khử cacbon đạt giá trị tối đa, lúc này, các hạt ferit rõ ràng và thô hơn; khi nhiệt độ tăng lên 800 ℃, độ dày lớp khử cacbon bắt đầu giảm đáng kể, độ dày giảm xuống còn một nửa so với ở 750 ℃; Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên đến 850 ℃ và độ dày của lớp khử cacbon được thể hiện trong Hình 1. Ở 800 ℃, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn bắt đầu giảm đáng kể, độ dày giảm xuống còn một nửa khi ở 750 ℃; khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên đến 850 ℃ trở lên, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn của thép thử nghiệm tiếp tục giảm, độ dày của lớp khử cacbon một nửa bắt đầu tăng dần cho đến khi toàn bộ cấu trúc lớp khử cacbon hoàn toàn biến mất, cấu trúc lớp khử cacbon một nửa dần dần hiện rõ. Có thể thấy rằng độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn tăng lên rồi giảm xuống khi nhiệt độ tăng, nguyên nhân của hiện tượng này là do mẫu trong quá trình nung nóng đồng thời trải qua quá trình oxy hóa và khử cacbon, chỉ khi tốc độ khử cacbon nhanh hơn tốc độ oxy hóa thì hiện tượng khử cacbon mới xuất hiện. Khi bắt đầu nung nóng, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn tăng dần theo nhiệt độ cho đến khi đạt giá trị cực đại. Tại thời điểm này, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, tốc độ oxy hóa của mẫu nhanh hơn tốc độ khử cacbon, điều này ức chế sự gia tăng của lớp khử cacbon hoàn toàn, dẫn đến xu hướng giảm. Có thể thấy rằng, trong khoảng nhiệt độ 675 ～950 ℃, giá trị độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn ở 750 ℃ là lớn nhất, và giá trị độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn ở 850 ℃ là nhỏ nhất. Do đó, nhiệt độ nung nóng thép thử nghiệm được khuyến nghị là 850℃.
Hình 1. Mô học của lớp khử cacbon trên thép thử nghiệm được giữ ở các nhiệt độ nung khác nhau trong 1 giờ.
So với lớp khử cacbon một phần, 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, chẳng hạn 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 vết nứt, ảnh hưởng đến chất lượng hàn, v.v. Do đó, việc kiểm soát độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn có ý nghĩa rất quan trọng để nâng cao hiệu suất sản phẩm. Hình 2 thể hiện đường cong biến thiên độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn theo nhiệt độ, cho thấy rõ hơn sự biến thiên độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn. Có thể thấy từ hình vẽ rằng độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn chỉ khoảng 34μm ở 700℃; khi nhiệt độ tăng lên 725℃, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn tăng lên đáng kể đến 86μm, gấp hơn hai lần độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn ở 700℃; Khi nhiệt độ tăng lên đến 750 ℃, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn đạt giá trị cực đại là 120 μm; khi nhiệt độ tiếp tục tăng, độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn bắt đầu giảm mạnh, xuống còn 70 μm ở 800℃, và sau đó xuống giá trị cực tiểu khoảng 20 μm ở 850℃.
Hình 2. Độ dày của lớp khử cacbon hoàn toàn ở các nhiệt độ khác nhau.
Ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến hiệu suất mỏi trong uốn xoắn
Để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình khử cacbon đến tính chất mỏi của thép lò xo, hai nhóm thử nghiệm mỏi uốn quay đã được thực hiện. Nhóm thứ nhất là thử nghiệm mỏi trực tiếp không khử cacbon, và nhóm thứ hai là thử nghiệm mỏi sau khi khử cacbon ở cùng mức ứng suất (810 MPa), và quá trình khử cacbon được thực hiện ở nhiệt độ 700-850 ℃ trong 1 giờ. Kết quả của nhóm mẫu thứ nhất được thể hiện trong Bảng 2, cho thấy tuổi thọ mỏi của thép lò xo.
Tuổi thọ mỏi của nhóm mẫu đầu tiên được thể hiện trong Bảng 2. Như có thể thấy từ Bảng 2, nếu không khử cacbon, thép thử nghiệm chỉ chịu được 107 chu kỳ ở mức ứng suất 810 MPa và không xảy ra hiện tượng gãy; khi mức ứng suất vượt quá 830 MPa, một số mẫu bắt đầu bị gãy; khi mức ứng suất vượt quá 850 MPa, tất cả các mẫu thử mỏi đều bị gãy.
Bảng 2. Tuổi thọ mỏi dưới các mức ứng suất khác nhau (không tính đến quá trình 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 đặc trưng cho tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm dưới các mức ứng suất khác nhau, đường cong SN được vẽ, như thể hiện trong Hình 3. Như có thể thấy từ Hình 3, các mức ứng suất khác nhau tương ứng với tuổi thọ mỏi khác nhau, khi tuổi thọ mỏi là 7, tương ứng với số chu kỳ là 107, có nghĩa là mẫu vật trong điều kiện này đã đạt trạng thái mỏi, giá trị ứng suất tương ứng có thể được xấp xỉ bằng giá trị cường độ mỏi, tức là 760 MPa. Có thể thấy rằng đường cong S-N rất quan trọng trong việc xác định tuổi thọ mỏi của vật liệu và có giá trị tham khảo quan trọng.
Hình 3. Đường cong SN của thí nghiệm mỏi uốn xoay thép.
Bảng 3 thể hiện tuổi thọ mỏi của nhóm mẫu thứ hai. Như có thể thấy từ Bảng 3, sau khi thép thử nghiệm được khử cacbon ở các nhiệt độ khác nhau, số chu kỳ giảm rõ rệt, và chúng lớn hơn 107, tất cả các mẫu thử mỏi đều bị gãy, và tuổi thọ mỏi giảm đáng kể. Kết hợp với đường cong thay đổi độ dày lớp khử cacbon theo nhiệt độ ở trên, có thể thấy độ dày lớp khử cacbon ở 750 ℃ là lớn nhất, tương ứng với giá trị tuổi thọ mỏi thấp nhất. Độ dày lớp khử cacbon ở 850 ℃ là nhỏ nhất, tương ứng với giá trị tuổi thọ mỏi tương đối cao. Có thể thấy rằng quá trình 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 gãy do mỏi của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét, như thể hiện trong Hình 4. Hình 4(a) thể hiện vùng nguồn vết nứt, có thể thấy rõ cung mỏi, dựa vào cung mỏi để tìm nguồn gốc của vết nứt, có thể thấy nguồn gốc vết nứt là các tạp chất phi kim loại dạng "mắt cá", các tạp chất này dễ gây ra sự tập trung ứng suất, dẫn đến các vết nứt do mỏi; Hình 4(b) thể hiện hình thái vùng mở rộng vết nứt, có thể thấy rõ các vệt mỏi, phân bố dạng dòng sông, thuộc loại gãy bán phân ly, với sự mở rộng của các vết nứt, cuối cùng dẫn đến gãy vỡ. Hình 4(b) cho thấy hình thái vùng mở rộng vết nứt, có thể thấy rõ các vệt mỏi, có dạng phân bố giống dòng sông, thuộc loại gãy bán phân ly, và với sự mở rộng liên tục của các vết nứt, cuối cùng dẫn đến gãy vỡ.
Phân tích gãy do mỏi
Hình 4. Ảnh SEM về hình thái bề mặt gãy do mỏi của thép thí nghiệm.
Để xác định loại tạp chất trong Hình 4, phân tích thành phần phổ năng lượng đã được thực hiện và kết quả được thể hiện trong Hình 5. Có thể thấy rằng các tạp chất phi kim loại chủ yếu là tạp chất Al2O3, cho thấy các tạp chất này là nguồn chính gây ra các vết nứt do tạp chất.
Hình 5. Phổ năng lượng của các tạp chất phi kim loại.
Kết luận
( 1) Việc đặt nhiệt độ nung ở mức 850 ℃ sẽ giảm thiểu độ dày của lớp khử cacbon để giảm ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi.
( 2) Giới hạn mỏi của thép thử nghiệm uốn xoay là 760 MPa.
( 3) Thép thử nghiệm bị nứt trong các tạp chất phi kim loại, chủ yếu là hỗn hợp Al2O3.
( 4) quá trình khử cacbon làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của thép thử nghiệm, lớp khử cacbon càng dày thì tuổi thọ mỏi càng thấp.
Thời gian đăng bài: 21/06/2024
