Mikroskop elektron pemindaian digunakan untuk mengamati patahan kelelahan dan menganalisis mekanisme patahan; pada saat yang sama, uji kelelahan lentur putar dilakukan pada spesimen yang telah didekarburisasi pada suhu yang berbeda untuk membandingkan umur kelelahan baja uji dengan dan tanpa dekarburisasi, dan untuk menganalisis pengaruh dekarburisasi terhadap kinerja kelelahan baja uji. Hasil menunjukkan bahwa, karena adanya oksidasi dan dekarburisasi secara bersamaan dalam proses pemanasan, interaksi antara keduanya mengakibatkan ketebalan lapisan yang sepenuhnya terdekarburisasi seiring dengan peningkatan suhu menunjukkan tren meningkat kemudian menurun, ketebalan lapisan yang sepenuhnya terdekarburisasi mencapai nilai maksimum 120 μm pada 750 ℃, dan ketebalan lapisan yang sepenuhnya terdekarburisasi mencapai nilai minimum 20 μm pada 850 ℃, dan batas kelelahan baja uji sekitar 760 MPa, dan sumber retakan kelelahan pada baja uji terutama adalah inklusi non-logam Al2O3; Perilaku dekarburisasi sangat mengurangi umur kelelahan baja uji, memengaruhi kinerja kelelahan baja uji; semakin tebal lapisan dekarburisasi, semakin rendah umur kelelahannya. Untuk mengurangi dampak lapisan dekarburisasi pada kinerja kelelahan baja uji, suhu perlakuan panas optimal baja uji harus ditetapkan pada 850℃.
Gigi transmisi merupakan komponen penting pada mobil.Karena pengoperasian pada kecepatan tinggi, bagian yang saling bersentuhan pada permukaan roda gigi harus memiliki kekuatan dan ketahanan abrasi yang tinggi, dan akar gigi harus memiliki kinerja kelelahan lentur yang baik karena beban berulang yang konstan, untuk menghindari retakan yang menyebabkan patahan material. Penelitian menunjukkan bahwa dekarburisasi merupakan faktor penting yang memengaruhi kinerja kelelahan lentur putar pada material logam, dan kinerja kelelahan lentur putar merupakan indikator penting kualitas produk, sehingga perlu untuk mempelajari perilaku dekarburisasi dan kinerja kelelahan lentur putar pada material uji.
Dalam makalah ini, dilakukan pengujian dekarburisasi permukaan baja roda gigi 20CrMnTi menggunakan tungku perlakuan panas, menganalisis perubahan kedalaman lapisan dekarburisasi baja uji pada suhu pemanasan yang berbeda; menggunakan mesin uji kelelahan balok sederhana QBWP-6000J untuk pengujian kelelahan lentur putar pada baja uji, menentukan kinerja kelelahan baja uji, dan pada saat yang sama menganalisis dampak dekarburisasi pada kinerja kelelahan baja uji untuk produksi aktual guna meningkatkan proses produksi, meningkatkan kualitas produk, dan memberikan referensi yang wajar. Kinerja kelelahan baja uji ditentukan dengan menggunakan mesin uji kelelahan lentur putar.
1. Bahan dan metode pengujian
Bahan uji untuk unit yang akan disediakan adalah baja roda gigi 20CrMnTi, komposisi kimia utamanya seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Uji dekarburisasi: bahan uji diproses menjadi spesimen silinder Ф8 mm × 12 mm, permukaannya harus cerah tanpa noda. Tungku perlakuan panas dipanaskan hingga 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1.000 ℃, spesimen dimasukkan dan ditahan selama 1 jam, kemudian didinginkan di udara hingga suhu kamar. Setelah perlakuan panas spesimen dengan pengaturan, penggerindaan dan pemolesan, dengan erosi larutan alkohol asam nitrat 4%, digunakan mikroskop metalurgi untuk mengamati lapisan dekarburisasi baja uji, mengukur kedalaman lapisan dekarburisasi pada suhu yang berbeda. Uji kelelahan lentur putar: bahan uji sesuai dengan persyaratan pemrosesan dua kelompok spesimen kelelahan lentur putar, kelompok pertama tidak melakukan uji dekarburisasi, kelompok kedua melakukan uji dekarburisasi pada suhu yang berbeda. Dengan menggunakan mesin uji kelelahan lentur putar, kedua kelompok baja uji diuji kelelahan lentur putar, ditentukan batas kelelahan kedua kelompok baja uji, dibandingkan umur kelelahan kedua kelompok baja uji, menggunakan mikroskop elektron pemindai untuk pengamatan patahan kelelahan, menganalisis penyebab patahan spesimen, untuk mengeksplorasi pengaruh dekarburisasi terhadap sifat kelelahan baja uji.
Tabel 1 Komposisi kimia (fraksi massa) baja uji (% berat)
Pengaruh suhu pemanasan terhadap dekarburisasi
Morfologi organisasi dekarburisasi pada suhu pemanasan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 1. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, ketika suhu 675 ℃, permukaan sampel tidak menunjukkan lapisan dekarburisasi; ketika suhu naik menjadi 700 ℃, lapisan dekarburisasi permukaan sampel mulai muncul, berupa lapisan dekarburisasi ferit tipis; dengan suhu naik menjadi 725 ℃, ketebalan lapisan dekarburisasi permukaan sampel meningkat secara signifikan; pada 750 ℃ ketebalan lapisan dekarburisasi mencapai nilai maksimumnya, pada saat ini, butiran ferit lebih jelas dan kasar; ketika suhu naik menjadi 800 ℃, ketebalan lapisan dekarburisasi mulai menurun secara signifikan, ketebalannya turun menjadi setengah dari ketebalan pada 750 ℃; Ketika suhu terus meningkat hingga 850 ℃ dan ketebalan dekarburisasi ditunjukkan pada Gambar 1. Pada suhu 800 ℃, ketebalan lapisan dekarburisasi penuh mulai menurun secara signifikan, ketebalannya turun menjadi setengahnya pada suhu 750 ℃; ketika suhu terus meningkat hingga 850 ℃ dan di atasnya, ketebalan lapisan dekarburisasi penuh baja uji terus menurun, ketebalan lapisan dekarburisasi setengahnya mulai meningkat secara bertahap hingga morfologi lapisan dekarburisasi penuh menghilang sepenuhnya, morfologi lapisan dekarburisasi setengahnya secara bertahap menjadi jelas. Dapat dilihat bahwa ketebalan lapisan dekarburisasi penuh dengan peningkatan suhu awalnya meningkat dan kemudian menurun, alasan fenomena ini adalah karena sampel dalam proses pemanasan secara bersamaan mengalami oksidasi dan dekarburisasi, hanya ketika laju dekarburisasi lebih cepat daripada kecepatan oksidasi akan muncul fenomena dekarburisasi. Pada awal pemanasan, ketebalan lapisan dekarburisasi penuh meningkat secara bertahap seiring dengan peningkatan suhu hingga mencapai nilai maksimum. Pada saat ini, jika suhu terus dinaikkan, laju oksidasi spesimen lebih cepat daripada laju dekarburisasi, yang menghambat peningkatan lapisan dekarburisasi penuh, sehingga menghasilkan tren menurun. Dapat dilihat bahwa, dalam rentang 675 ～950 ℃, nilai ketebalan lapisan dekarburisasi penuh pada 750 ℃ adalah yang terbesar, dan nilai ketebalan lapisan dekarburisasi penuh pada 850 ℃ adalah yang terkecil. Oleh karena itu, suhu pemanasan baja uji yang disarankan adalah 850 ℃.
Gambar 1. Histomorfologi lapisan dekarburisasi baja uji yang dipanaskan pada suhu berbeda selama 1 jam.
Dibandingkan dengan lapisan semi-dekarburisasi, ketebalan lapisan dekarburisasi penuh memiliki dampak negatif yang lebih serius pada sifat material, hal ini akan sangat mengurangi sifat mekanik material, seperti mengurangi kekuatan, kekerasan, ketahanan aus, dan batas kelelahan, dll., dan juga meningkatkan sensitivitas terhadap retak, memengaruhi kualitas pengelasan dan sebagainya. Oleh karena itu, mengontrol ketebalan lapisan dekarburisasi penuh sangat penting untuk meningkatkan kinerja produk. Gambar 2 menunjukkan kurva variasi ketebalan lapisan dekarburisasi penuh terhadap suhu, yang menunjukkan variasi ketebalan lapisan dekarburisasi penuh dengan lebih jelas. Dapat dilihat dari gambar bahwa ketebalan lapisan dekarburisasi penuh hanya sekitar 34μm pada 700℃; dengan kenaikan suhu hingga 725℃, ketebalan lapisan dekarburisasi penuh meningkat secara signifikan menjadi 86μm, yang lebih dari dua kali lipat ketebalan lapisan dekarburisasi penuh pada 700℃; Ketika suhu dinaikkan hingga 750 ℃, ketebalan lapisan yang mengalami dekarburisasi penuh mencapai nilai maksimum 120 μm; seiring suhu terus meningkat, ketebalan lapisan yang mengalami dekarburisasi penuh mulai menurun tajam, menjadi 70 μm pada 800 ℃, dan kemudian mencapai nilai minimum sekitar 20 μm pada 850 ℃.
Gambar 2. Ketebalan lapisan yang sepenuhnya mengalami dekarburisasi pada suhu yang berbeda.
Pengaruh dekarburisasi terhadap kinerja kelelahan pada pembengkokan putar
Untuk mempelajari pengaruh dekarburisasi terhadap sifat kelelahan baja pegas, dua kelompok uji kelelahan lentur putar dilakukan. Kelompok pertama adalah uji kelelahan langsung tanpa dekarburisasi, dan kelompok kedua adalah uji kelelahan setelah dekarburisasi pada tingkat tegangan yang sama (810 MPa), dan proses dekarburisasi dilakukan pada suhu 700-850 ℃ selama 1 jam. Spesimen kelompok pertama ditunjukkan pada Tabel 2, yang merupakan umur kelelahan baja pegas.
Umur kelelahan kelompok spesimen pertama ditunjukkan pada Tabel 2. Seperti yang terlihat pada Tabel 2, tanpa dekarburisasi, baja uji hanya mengalami 107 siklus pada 810 MPa, dan tidak terjadi patahan; ketika tingkat tegangan melebihi 830 MPa, beberapa spesimen mulai patah; ketika tingkat tegangan melebihi 850 MPa, semua spesimen kelelahan mengalami patahan.
Tabel 2 Umur kelelahan pada berbagai tingkat tegangan (tanpa dekarburisasi)
Untuk menentukan batas kelelahan, metode kelompok digunakan untuk menentukan batas kelelahan baja uji, dan setelah analisis statistik data, batas kelelahan baja uji adalah sekitar 760 MPa; untuk mengkarakterisasi umur kelelahan baja uji di bawah tegangan yang berbeda, kurva SN diplot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 3, tingkat tegangan yang berbeda sesuai dengan umur kelelahan yang berbeda, ketika umur kelelahan 7, sesuai dengan jumlah siklus untuk 107, yang berarti bahwa spesimen di bawah kondisi ini telah melewati keadaan tersebut, nilai tegangan yang sesuai dapat didekati sebagai nilai kekuatan kelelahan, yaitu 760 MPa. Dapat dilihat bahwa kurva S-N penting untuk penentuan umur kelelahan material dan memiliki nilai referensi yang penting.
Gambar 3 Kurva SN dari uji kelelahan lentur putar baja eksperimental
Umur kelelahan kelompok spesimen kedua ditunjukkan pada Tabel 3. Seperti yang terlihat pada Tabel 3, setelah baja uji didekarburisasi pada suhu yang berbeda, jumlah siklus jelas berkurang, dan lebih dari 107, dan semua spesimen kelelahan mengalami patahan, dan umur kelelahan sangat berkurang. Dikombinasikan dengan ketebalan lapisan dekarburisasi di atas dengan kurva perubahan suhu, dapat dilihat bahwa ketebalan lapisan dekarburisasi pada 750 ℃ adalah yang terbesar, yang sesuai dengan nilai umur kelelahan terendah. Ketebalan lapisan dekarburisasi pada 850 ℃ adalah yang terkecil, yang sesuai dengan nilai umur kelelahan yang relatif tinggi. Dapat dilihat bahwa perilaku dekarburisasi sangat mengurangi kinerja kelelahan material, dan semakin tebal lapisan dekarburisasi, semakin rendah umur kelelahannya.
Tabel 3 Umur kelelahan pada suhu dekarburisasi yang berbeda (560 MPa)
Morfologi patahan kelelahan spesimen diamati dengan mikroskop elektron pemindai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4(a) untuk area sumber retakan, terlihat jelas busur kelelahan, berdasarkan busur kelelahan untuk menemukan sumber kelelahan, terlihat bahwa sumber retakan adalah inklusi non-logam "mata ikan", inklusi tersebut mudah menyebabkan konsentrasi tegangan, sehingga mengakibatkan retakan kelelahan; Gambar 4(b) untuk morfologi area perluasan retakan, terlihat jelas garis-garis kelelahan, dengan distribusi seperti sungai, termasuk patahan kuasi-disosiatif, dengan retakan yang meluas, akhirnya menyebabkan patahan. Gambar 4(b) menunjukkan morfologi area perluasan retakan, terlihat jelas garis-garis kelelahan, dalam bentuk distribusi seperti sungai, yang termasuk patahan kuasi-disosiatif, dan dengan perluasan retakan yang berkelanjutan, akhirnya menyebabkan patahan.
Analisis fraktur kelelahan
Gambar 4. Morfologi SEM permukaan patahan kelelahan baja eksperimental.
Untuk menentukan jenis inklusi pada Gambar 4, dilakukan analisis komposisi spektrum energi, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 5. Dapat dilihat bahwa inklusi non-logam terutama adalah inklusi Al2O3, yang menunjukkan bahwa inklusi tersebut merupakan sumber utama retakan yang disebabkan oleh keretakan inklusi.
Gambar 5 Spektroskopi Energi Inklusi Non-logam
Menyimpulkan
( 1) Pengaturan suhu pemanasan pada 850 ℃ akan meminimalkan ketebalan lapisan dekarburisasi untuk mengurangi pengaruh pada kinerja kelelahan.
( 2) Batas kelelahan baja uji lentur putar adalah 760 MPa.
( 3) Uji retak baja pada inklusi non-logam, terutama campuran Al2O3.
( 4) Dekarburisasi secara serius mengurangi umur kelelahan baja uji, semakin tebal lapisan dekarburisasi, semakin rendah umur kelelahannya.
Waktu posting: 21 Juni 2024
