स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपचा वापर थकवा फ्रॅक्चरचे निरीक्षण करण्यासाठी आणि फ्रॅक्चर यंत्रणेचे विश्लेषण करण्यासाठी केला गेला; त्याच वेळी, डीकार्ब्युरायझेशनसह आणि त्याशिवाय चाचणी स्टीलच्या थकवा आयुष्याची तुलना करण्यासाठी आणि चाचणी स्टीलच्या थकवा कामगिरीवर डीकार्ब्युरायझेशनच्या परिणामाचे विश्लेषण करण्यासाठी वेगवेगळ्या तापमानांवर डीकार्ब्युरायझेशन केलेल्या नमुन्यांवर स्पिन बेंडिंग थकवा चाचणी केली गेली. परिणाम दर्शवतात की, उष्णता प्रक्रियेमध्ये ऑक्सिडेशन आणि डीकार्ब्युरायझेशनच्या एकाच वेळी अस्तित्वामुळे, त्या दोन्हींमधील परस्परक्रियेमुळे, तापमानाच्या वाढीसह पूर्णपणे डीकार्ब्युरायझेशन झालेल्या थराची जाडी वाढण्याचा आणि नंतर कमी होण्याचा कल दर्शवते, पूर्णपणे डीकार्ब्युरायझेशन झालेल्या थराची जाडी 750 ℃ वर 120 μm च्या कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचते आणि 850 ℃ वर 20 μm च्या किमान मूल्यापर्यंत पोहोचते, आणि चाचणी स्टीलची थकवा मर्यादा सुमारे 760 MPa आहे, आणि चाचणी स्टीलमध्ये थकवा तडांचा स्रोत प्रामुख्याने Al2O3 अधातू समावेशन आहे; डीकार्ब्युरायझेशन प्रक्रियेमुळे चाचणी स्टीलचे फटीग आयुष्य मोठ्या प्रमाणात कमी होते, ज्यामुळे त्याच्या फटीग कार्यक्षमतेवर परिणाम होतो. डीकार्ब्युरायझेशनचा थर जेवढा जाड असतो, तेवढे फटीग आयुष्य कमी होते. चाचणी स्टीलच्या फटीग कार्यक्षमतेवरील डीकार्ब्युरायझेशन थराचा प्रभाव कमी करण्यासाठी, चाचणी स्टीलचे इष्टतम उष्णता उपचार तापमान ८५०℃ निश्चित केले पाहिजे.
गिअर हा ऑटोमोबाईलचा एक महत्त्वाचा घटक आहेउच्च वेगाने कार्य करत असल्यामुळे, गियरच्या पृष्ठभागाच्या जुळणाऱ्या भागामध्ये उच्च मजबुती आणि घर्षण प्रतिरोधकता असणे आवश्यक आहे, आणि सततच्या पुनरावृत्त भारामुळे दाताच्या मुळामध्ये चांगली बेंडिंग फटीग कामगिरी असणे आवश्यक आहे, जेणेकरून पदार्थाच्या तुटण्यास कारणीभूत ठरणारे तडे टाळता येतील. संशोधनातून असे दिसून आले आहे की डीकार्ब्युरायझेशन हा धातूच्या पदार्थांच्या स्पिन बेंडिंग फटीग कामगिरीवर परिणाम करणारा एक महत्त्वाचा घटक आहे, आणि स्पिन बेंडिंग फटीग कामगिरी हे उत्पादनाच्या गुणवत्तेचे एक महत्त्वाचे सूचक आहे, म्हणून चाचणी पदार्थाच्या डीकार्ब्युरायझेशन वर्तनाचा आणि स्पिन बेंडिंग फटीग कामगिरीचा अभ्यास करणे आवश्यक आहे.
या शोधनिबंधात, 20CrMnTi गिअर स्टीलच्या पृष्ठभागावरील डीकार्ब्युरायझेशनसाठी उष्णता प्रक्रिया भट्टीचा वापर करून केलेल्या चाचणी स्टीलच्या डीकार्ब्युरायझेशन थराच्या खोलीवर वेगवेगळ्या तापमानांचा होणारा बदल अभ्यासला आहे; QBWP-6000J या साध्या बीम फटीग चाचणी यंत्राचा वापर करून चाचणी स्टीलवर रोटरी बेंडिंग फटीग चाचणी केली आहे, ज्यामुळे चाचणी स्टीलच्या फटीग कामगिरीचे निर्धारण होते, आणि त्याच वेळी प्रत्यक्ष उत्पादनासाठी डीकार्ब्युरायझेशनचा चाचणी स्टीलच्या फटीग कामगिरीवर होणाऱ्या परिणामाचे विश्लेषण केले आहे, जेणेकरून उत्पादन प्रक्रिया सुधारता येईल, उत्पादनांची गुणवत्ता वाढवता येईल आणि एक योग्य संदर्भ प्रदान करता येईल. चाचणी स्टीलची फटीग कामगिरी स्पिन बेंडिंग फटीग चाचणी यंत्राद्वारे निर्धारित केली जाते.
१. चाचणी साहित्य आणि पद्धती
युनिटला पुरवण्यात येणारे चाचणी साहित्य 20CrMnTi गिअर स्टील असून, त्याची मुख्य रासायनिक रचना तक्ता १ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे आहे. डीकार्ब्युरायझेशन चाचणी: चाचणी साहित्यावर प्रक्रिया करून Ф8 मिमी × 12 मिमी आकाराचा दंडगोलाकार नमुना बनवला जातो, ज्याचा पृष्ठभाग डागविरहित आणि चमकदार असावा. उष्णता उपचार भट्टीमध्ये नमुना 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1,000 ℃ या तापमानांवर गरम करून १ तास ठेवला जातो आणि नंतर खोलीच्या तापमानापर्यंत हवेत थंड केला जातो. नमुन्यावर उष्णता उपचार करून, त्याला सेटिंग, ग्राइंडिंग आणि पॉलिशिंग केल्यानंतर, ४% नायट्रिक ऍसिड अल्कोहोल द्रावणाने इरोशन केले जाते. त्यानंतर, धातूशास्त्रीय सूक्ष्मदर्शकाचा वापर करून चाचणी स्टीलच्या डीकार्ब्युरायझेशन थराचे निरीक्षण केले जाते आणि वेगवेगळ्या तापमानांवर डीकार्ब्युरायझेशन थराची खोली मोजली जाते. स्पिन बेंडिंग फटीग चाचणी: प्रक्रियेच्या आवश्यकतेनुसार चाचणी सामग्रीचे दोन गटांमध्ये स्पिन बेंडिंग फटीग नमुने तयार केले जातात. पहिल्या गटावर डीकार्ब्युरायझेशन चाचणी केली जात नाही, तर दुसऱ्या गटावर वेगवेगळ्या तापमानांवर डीकार्ब्युरायझेशन चाचणी केली जाते. स्पिन बेंडिंग फटीग चाचणी यंत्राचा वापर करून, दोन्ही गटांतील चाचणी स्टीलची स्पिन बेंडिंग फटीग चाचणी केली जाते. याद्वारे दोन्ही गटांतील चाचणी स्टीलच्या फटीग मर्यादेचे निर्धारण केले जाते, त्यांच्या फटीग आयुर्मानाची तुलना केली जाते, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपच्या साहाय्याने फटीग फ्रॅक्चरचे निरीक्षण केले जाते, नमुना तुटण्याच्या कारणांचे विश्लेषण केले जाते आणि चाचणी स्टीलच्या फटीग गुणधर्मांवर डीकार्ब्युरायझेशनच्या होणाऱ्या परिणामाचा शोध घेतला जातो.
तक्ता १ चाचणी स्टीलची रासायनिक रचना (वस्तुमान अंश) वजन टक्के
डीकार्ब्युरायझेशनवर तापमानाचा परिणाम
वेगवेगळ्या तापमानांवर डीकार्ब्युरायझेशनच्या रचनेचे स्वरूप आकृती १ मध्ये दाखवले आहे. आकृतीवरून असे दिसून येते की, जेव्हा तापमान ६७५ ℃ असते, तेव्हा नमुन्याच्या पृष्ठभागावर डीकार्ब्युरायझेशनचा थर दिसत नाही; जेव्हा तापमान ७०० ℃ पर्यंत वाढते, तेव्हा नमुन्याच्या पृष्ठभागावर पातळ फेराइट डीकार्ब्युरायझेशन थर दिसू लागतो; तापमान ७२५ ℃ पर्यंत वाढल्यावर, नमुन्याच्या पृष्ठभागावरील डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी लक्षणीयरीत्या वाढते; ७५० ℃ तापमानावर डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचते, यावेळी फेराइटचे कण अधिक स्पष्ट आणि जाडसर दिसतात; जेव्हा तापमान ८०० ℃ पर्यंत वाढते, तेव्हा डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी लक्षणीयरीत्या कमी होऊ लागते, आणि तिची जाडी ७५० ℃ च्या तुलनेत निम्मी होते; जेव्हा तापमान ८५० ℃ पर्यंत वाढत जाते आणि डीकार्ब्युरायझेशनची जाडी आकृती १ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे ८०० ℃ पर्यंत पोहोचते, तेव्हा पूर्ण डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी लक्षणीयरीत्या कमी होऊ लागते, ७५० ℃ पर्यंत तिची जाडी निम्मी होते; जेव्हा तापमान ८५० ℃ आणि त्याहून अधिक वाढत जाते, तेव्हा चाचणी स्टीलच्या पूर्ण डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी कमी होत राहते, अर्ध्या डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी हळूहळू वाढू लागते, जोपर्यंत पूर्ण डीकार्ब्युरायझेशन थराचे स्वरूप पूर्णपणे नाहीसे होत नाही आणि अर्ध्या डीकार्ब्युरायझेशन थराचे स्वरूप हळूहळू स्पष्ट होत नाही. यावरून असे दिसून येते की, तापमान वाढीबरोबर पूर्ण डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी प्रथम वाढली आणि नंतर कमी झाली. या घटनेचे कारण असे आहे की, तापवण्याच्या प्रक्रियेत नमुन्यामध्ये एकाच वेळी ऑक्सिडेशन आणि डीकार्ब्युरायझेशनची क्रिया घडते, आणि जेव्हा डीकार्ब्युरायझेशनचा दर ऑक्सिडेशनच्या वेगापेक्षा जास्त असतो, तेव्हाच डीकार्ब्युरायझेशनची घटना दिसून येते. तापवण्याच्या सुरुवातीला, पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराची जाडी तापमानाच्या वाढीबरोबर हळूहळू वाढते, जोपर्यंत ती जाडी कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचत नाही. यावेळी, तापमान पुढे वाढवल्यास, नमुन्याचा ऑक्सिडेशनचा दर डीकार्ब्युरायझेशनच्या दरापेक्षा जास्त असतो, ज्यामुळे पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराच्या वाढीस अडथळा येतो आणि परिणामी घट होण्याचा कल दिसून येतो. यावरून असे दिसून येते की, ६७५ ते ९५० अंश सेल्सिअसच्या तापमानाच्या मर्यादेत, ७५० अंश सेल्सिअस तापमानावर पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराची जाडी सर्वाधिक असते आणि ८५० अंश सेल्सिअस तापमानावर ती सर्वात कमी असते. म्हणूनच, चाचणी स्टीलसाठी तापवण्याचे तापमान ८५० अंश सेल्सिअस ठेवण्याची शिफारस केली जाते.
आकृती १. १ तास वेगवेगळ्या तापमानांवर ठेवलेल्या चाचणी पोलादाच्या डीकार्ब्युराइज्ड थराचे हिस्टोमॉर्फोलॉजी.
अर्ध-डीकार्ब्युराइज्ड थराच्या तुलनेत, पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराच्या जाडीचा पदार्थाच्या गुणधर्मांवर अधिक गंभीर नकारात्मक परिणाम होतो, त्यामुळे पदार्थाचे यांत्रिक गुणधर्म, जसे की ताकद, कडकपणा, झीज-प्रतिरोध आणि थकवा मर्यादा इत्यादी मोठ्या प्रमाणात कमी होतात, तसेच तडे जाण्याची संवेदनशीलता वाढते, ज्यामुळे वेल्डिंगच्या गुणवत्तेवर परिणाम होतो. म्हणून, उत्पादनाची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराची जाडी नियंत्रित करणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. आकृती २ मध्ये तापमानानुसार पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराच्या जाडीतील बदलाचा वक्र दर्शविला आहे, ज्यामुळे थराच्या जाडीतील बदल अधिक स्पष्टपणे दिसून येतो. आकृतीवरून असे दिसून येते की, ७००℃ तापमानावर पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराची जाडी केवळ सुमारे ३४μm असते; तापमान ७२५℃ पर्यंत वाढल्यावर, पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराची जाडी लक्षणीयरीत्या वाढून ८६ μm होते, जी ७००℃ तापमानावरील पूर्ण डीकार्ब्युराइज्ड थराच्या जाडीच्या दुप्पटीपेक्षा जास्त आहे; जेव्हा तापमान 750 ℃ पर्यंत वाढवले जाते, तेव्हा पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराची जाडी 120 μm या कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचते; जसजसे तापमान वाढत जाते, तसतशी पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराची जाडी झपाट्याने कमी होऊ लागते, 800℃ ला ती 70 μm होते आणि नंतर 850℃ ला सुमारे 20 μm या किमान मूल्यापर्यंत पोहोचते.
आकृती २. वेगवेगळ्या तापमानांवर पूर्णपणे डीकार्ब्युराइज्ड झालेल्या थराची जाडी
स्पिन बेंडिंगमधील थकवा कामगिरीवर डीकार्ब्युरायझेशनचा परिणाम
स्प्रिंग स्टीलच्या थकवा गुणधर्मांवर डीकार्ब्युरायझेशनच्या परिणामाचा अभ्यास करण्यासाठी, स्पिन बेंडिंग थकवा चाचण्यांचे दोन गट घेण्यात आले. पहिला गट डीकार्ब्युरायझेशनशिवाय थेट थकवा चाचणीचा होता, आणि दुसरा गट त्याच ताण पातळीवर (810 MPa) डीकार्ब्युरायझेशननंतर थकवा चाचणीचा होता. डीकार्ब्युरायझेशन प्रक्रिया 700-850 ℃ तापमानावर 1 तास चालली. पहिल्या गटातील नमुने तक्ता 2 मध्ये दर्शविले आहेत, ज्यात स्प्रिंग स्टीलचे थकवा आयुष्य आहे.
नमुन्यांच्या पहिल्या गटाचे थकवा आयुष्य तक्ता २ मध्ये दाखवले आहे. तक्ता २ वरून असे दिसून येते की, डीकार्ब्युरायझेशनशिवाय, चाचणी स्टीलला ८१० MPa वर फक्त १०७ आवर्तनांना सामोरे जावे लागले आणि कोणतेही फ्रॅक्चर झाले नाही; जेव्हा ताणाची पातळी ८३० MPa पेक्षा जास्त झाली, तेव्हा काही नमुने तुटू लागले; जेव्हा ताणाची पातळी ८५० MPa पेक्षा जास्त झाली, तेव्हा थकव्याचे सर्व नमुने तुटले.
तक्ता २ वेगवेगळ्या ताण पातळ्यांखालील थकवा आयुष्य (डीकार्ब्युरायझेशनशिवाय)
थकवा मर्यादा निश्चित करण्यासाठी, चाचणी स्टीलची थकवा मर्यादा निश्चित करण्याकरिता समूह पद्धतीचा वापर केला जातो आणि डेटाच्या सांख्यिकीय विश्लेषणानंतर, चाचणी स्टीलची थकवा मर्यादा सुमारे 760 MPa आहे; वेगवेगळ्या ताणांखाली चाचणी स्टीलच्या थकवा आयुष्याचे वैशिष्ट्य दर्शवण्यासाठी, SN वक्र काढला जातो, जो आकृती 3 मध्ये दर्शविला आहे. आकृती 3 वरून असे दिसून येते की, वेगवेगळ्या ताण पातळ्या वेगवेगळ्या थकवा आयुष्याशी संबंधित आहेत, जेव्हा थकवा आयुष्य 7 असते, तेव्हा ते 107 चक्रांच्या संख्येशी संबंधित असते, याचा अर्थ असा की या परिस्थितीत नमुना एका विशिष्ट अवस्थेतून जातो, संबंधित ताण मूल्याला थकवा शक्ती मूल्य म्हणून अंदाजे मानले जाऊ शकते, म्हणजेच 760 MPa. यावरून असे दिसून येते की, पदार्थाचे थकवा आयुष्य निश्चित करण्यासाठी S-N वक्राचे एक महत्त्वाचे संदर्भ मूल्य आहे.
आकृती ३ प्रायोगिक स्टील रोटरी बेंडिंग फटीग चाचणीचा SN वक्र
नमुन्यांच्या दुसऱ्या गटाचे थकवा आयुष्य तक्ता ३ मध्ये दर्शविले आहे. तक्ता ३ वरून असे दिसून येते की, चाचणी स्टीलचे वेगवेगळ्या तापमानांवर डीकार्ब्युरायझेशन केल्यानंतर, चक्रांची संख्या स्पष्टपणे कमी होते आणि ती १०७ पेक्षा जास्त असते, आणि सर्व थकवा नमुने तुटतात, ज्यामुळे थकवा आयुष्य मोठ्या प्रमाणात कमी होते. वरील डीकार्ब्युरायझेशन थराच्या जाडीचा तापमान बदलाच्या वक्राशी संबंध जोडल्यास असे दिसून येते की, ७५० ℃ तापमानावर डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी सर्वात जास्त आहे, ज्यामुळे थकवा आयुष्याचे मूल्य सर्वात कमी असते. ८५० ℃ तापमानावर डीकार्ब्युरायझेशन थराची जाडी सर्वात कमी आहे, ज्यामुळे थकवा आयुष्याचे मूल्य तुलनेने जास्त असते. यावरून असे दिसून येते की, डीकार्ब्युरायझेशन प्रक्रियेमुळे पदार्थाची थकवा कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी होते आणि डीकार्ब्युरायझेशन थर जितका जाड असतो, तितके थकवा आयुष्य कमी असते.
तक्ता ३ वेगवेगळ्या डीकार्ब्युरायझेशन तापमानांवरील थकवा आयुष्य (५६० MPa)
नमुन्याच्या थकवा फ्रॅक्चर मॉर्फोलॉजीचे निरीक्षण स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपद्वारे केले गेले, जे आकृती ४ मध्ये दाखवले आहे. आकृती ४(अ) मध्ये तड्याच्या उगमाचे क्षेत्र दाखवले आहे, ज्यात एक स्पष्ट थकवा चाप (fatigue arc) दिसतो. या थकवा चापाच्या आधारे थकव्याचा उगम शोधता येतो, ज्यावरून असे दिसून येते की, तड्याचा उगम 'फिश-आय' (fish-eye) अधातू समावेशांमुळे (non-metallic inclusions) होतो. हे समावेश सहजपणे ताण एकाग्रता (stress concentration) निर्माण करतात, ज्यामुळे थकव्याचे तडे (fatigue cracks) तयार होतात. आकृती ४(ब) मध्ये तड्याच्या विस्ताराच्या क्षेत्राची मॉर्फोलॉजी दाखवली आहे, ज्यात स्पष्ट थकव्याच्या पट्ट्या (fatigue stripes) दिसतात. या पट्ट्या नदीसारख्या पसरलेल्या असून, त्या अर्ध-विघटनशील फ्रॅक्चर (quasi-dissociative fracture) प्रकारात मोडतात, ज्यात तडे विस्तारत जातात आणि अखेरीस फ्रॅक्चर होते. आकृती ४(ब) मध्ये तड्याच्या विस्ताराच्या क्षेत्राची मॉर्फोलॉजी दाखवली आहे, ज्यात नदीसारख्या पसरलेल्या स्वरूपात स्पष्ट थकव्याच्या रेषा (fatigue streaks) दिसतात. हे अर्ध-विघटनशील फ्रॅक्चर प्रकारात मोडते आणि तड्यांच्या सतत विस्तारामुळे अखेरीस फ्रॅक्चर होते.
थकवा फ्रॅक्चर विश्लेषण
आकृती ४ प्रायोगिक पोलादाच्या थकवा भंग पृष्ठभागाचे एसईएम आकारविज्ञान
आकृती ४ मधील अंतर्भागांचा प्रकार निश्चित करण्यासाठी, ऊर्जा स्पेक्ट्रम रचना विश्लेषण करण्यात आले आणि त्याचे परिणाम आकृती ५ मध्ये दर्शविले आहेत. यावरून असे दिसून येते की, अधातू अंतर्भाग प्रामुख्याने Al2O3 अंतर्भाग आहेत, जे दर्शवते की अंतर्भागांच्या तडकेमुळे निर्माण होणाऱ्या भेगांचे मुख्य स्रोत हे अंतर्भागच आहेत.
आकृती ५ अधातू अंतर्भागांचे ऊर्जा वर्णपटविज्ञान
निष्कर्ष काढा
(1) उष्णतेचे तापमान 850 ℃ वर ठेवल्याने डीकार्ब्युराइज्ड थराची जाडी कमी होईल आणि थकवा कामगिरीवरील परिणाम कमी होईल.
(2) चाचणी केलेल्या स्टील स्पिन बेंडिंगची थकवा मर्यादा 760 MPa आहे.
(3) चाचणी स्टीलमध्ये अधातू समावेशनांमध्ये तडे जाणे, मुख्यतः Al2O3 मिश्रण.
(4) डीकार्ब्युरायझेशनमुळे चाचणी स्टीलचे फटीग आयुष्य गंभीरपणे कमी होते, डीकार्ब्युरायझेशनचा थर जितका जाड असेल तितके फटीग आयुष्य कमी असते.
पोस्ट करण्याची वेळ: २१ जून २०२४
