Yorulma kırığını gözlemlemek ve kırılma mekanizmasını analiz etmek için taramalı elektron mikroskobu kullanıldı; aynı zamanda, dekarbürize edilmiş numuneler üzerinde farklı sıcaklıklarda dönme bükme yorulma testi yapılarak, dekarbürizasyonlu ve dekarbürizasyonsuz test çeliğinin yorulma ömrü karşılaştırıldı ve dekarbürizasyonun test çeliğinin yorulma performansı üzerindeki etkisi analiz edildi. Sonuçlar, ısıtma işleminde oksidasyon ve dekarbürizasyonun eş zamanlı varlığı nedeniyle, ikisi arasındaki etkileşimin, sıcaklığın artmasıyla birlikte tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığının önce artma sonra azalma eğilimi gösterdiğini, tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığının 750 ℃'de 120 μm'lik maksimum değere, 850 ℃'de ise 20 μm'lik minimum değere ulaştığını ve test çeliğinin yorulma sınırının yaklaşık 760 MPa olduğunu ve test çeliğindeki yorulma çatlaklarının kaynağının esas olarak Al2O3 metalik olmayan inklüzyonlar olduğunu göstermektedir. Karbonsuzlaştırma davranışı, test çeliğinin yorulma ömrünü önemli ölçüde azaltır ve test çeliğinin yorulma performansını etkiler; karbonsuzlaştırma tabakası ne kadar kalın olursa, yorulma ömrü o kadar düşük olur. Karbonsuzlaştırma tabakasının test çeliğinin yorulma performansı üzerindeki etkisini azaltmak için, test çeliğinin optimum ısıl işlem sıcaklığı 850℃ olarak ayarlanmalıdır.
Vites, otomobilin önemli bir bileşenidir.Yüksek hızda çalışma nedeniyle, dişli yüzeyinin temas eden kısmının yüksek mukavemete ve aşınma direncine sahip olması ve diş kökünün sürekli tekrarlanan yük nedeniyle iyi bir eğilme yorulma performansına sahip olması gerekir; aksi takdirde malzeme kırılmasına yol açan çatlaklar oluşabilir. Araştırmalar, dekarbürizasyonun metal malzemelerin dönme eğilme yorulma performansını etkileyen önemli bir faktör olduğunu ve dönme eğilme yorulma performansının ürün kalitesinin önemli bir göstergesi olduğunu göstermektedir; bu nedenle test malzemesinin dekarbürizasyon davranışı ve dönme eğilme yorulma performansının incelenmesi gereklidir.
Bu çalışmada, 20CrMnTi dişli çeliği yüzeyindeki dekarbürizasyon testi için ısıl işlem fırını kullanılmış, farklı ısıtma sıcaklıklarının test çeliğinin dekarbürizasyon tabakası derinliği üzerindeki değişim yasası analiz edilmiştir; test çeliği üzerinde QBWP-6000J basit kiriş yorulma test cihazı kullanılarak döner bükme yorulma testi yapılmış, test çeliğinin yorulma performansı belirlenmiş ve aynı zamanda dekarbürizasyonun test çeliğinin yorulma performansı üzerindeki etkisi analiz edilerek üretim sürecinin iyileştirilmesi, ürün kalitesinin artırılması ve makul bir referans sağlanması amaçlanmıştır. Test çeliğinin yorulma performansı, döner bükme yorulma test cihazı ile belirlenmiştir.
1. Test malzemeleri ve yöntemleri
Ünite için test malzemesi olarak 20CrMnTi dişli çeliği kullanılacak olup, ana kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmiştir. Dekarbürizasyon testi: Test malzemesi Ф8 mm × 12 mm silindirik numune haline getirilir, yüzey parlak ve lekesiz olmalıdır. Isıl işlem fırını 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1000 ℃'ye ısıtılır, numune 1 saat süreyle bu sıcaklıklarda tutulur ve ardından oda sıcaklığına kadar hava ile soğutulur. Isıl işlemden sonra numune, %4'lük nitrik asit alkol çözeltisi ile aşındırılır ve metalurjik mikroskop kullanılarak test çeliğinin dekarbürizasyon tabakası gözlemlenir, farklı sıcaklıklardaki dekarbürizasyon tabakasının derinliği ölçülür. Dönme bükme yorulma testi: Test malzemesi, iki grup dönme bükme yorulma numunesinin işlenmesi gerekliliklerine göre hazırlanmıştır; birinci grup dekarbürizasyon testine tabi tutulmamış, ikinci grup ise farklı sıcaklıklarda dekarbürizasyon testine tabi tutulmuştur. Dönme bükme yorulma test makinesi kullanılarak, iki grup test çeliği dönme bükme yorulma testine tabi tutulmuş, iki grup test çeliğinin yorulma limiti belirlenmiş, iki grup test çeliğinin yorulma ömrü karşılaştırılmış, taramalı elektron mikroskobu ile yorulma kırılması gözlemi yapılmış, numunenin kırılma nedenleri analiz edilmiş ve dekarbürizasyonun test çeliğinin yorulma özelliklerine etkisi araştırılmıştır.
Tablo 1 Test çeliğinin kimyasal bileşimi (kütle oranı) ağırlıkça %
Isıtma sıcaklığının dekarbürizasyona etkisi
Farklı ısıtma sıcaklıklarında dekarbürizasyon organizasyonunun morfolojisi Şekil 1'de gösterilmiştir. Şekilden de görülebileceği gibi, sıcaklık 675 ℃ olduğunda numune yüzeyinde dekarbürizasyon tabakası görünmemektedir; sıcaklık 700 ℃'ye yükseldiğinde, ince ferrit dekarbürizasyon tabakası için numune yüzeyinde dekarbürizasyon tabakası görünmeye başlamıştır; sıcaklık 725 ℃'ye yükseldiğinde, numune yüzeyindeki dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı önemli ölçüde artmıştır; 750 ℃'de dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı maksimum değerine ulaşmıştır, bu sırada ferrit taneleri daha belirgin ve iridir; sıcaklık 800 ℃'ye yükseldiğinde, dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı önemli ölçüde azalmaya başlamış ve kalınlığı 750 ℃'deki değerin yarısına düşmüştür; Sıcaklık 850 ℃'ye yükselmeye devam ettiğinde ve dekarbürizasyon kalınlığı Şekil 1'de gösterildiği gibi 800 ℃'de tam dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı önemli ölçüde azalmaya başlar ve 750 ℃'de yarıya iner; sıcaklık 850 ℃ ve üzerine çıkmaya devam ettiğinde, test çeliğinin tam dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı azalmaya devam eder, yarı dekarbürizasyon tabakasının kalınlığı kademeli olarak artmaya başlar ve sonunda tam dekarbürizasyon tabakası morfolojisi tamamen kaybolur, yarı dekarbürizasyon tabakası morfolojisi giderek belirginleşir. Görüldüğü gibi, sıcaklığın artmasıyla tam dekarbürize tabakanın kalınlığı önce artar sonra azalır; bu olayın nedeni, numunenin ısıtma işlemi sırasında aynı anda oksidasyon ve dekarbürizasyon davranışı göstermesidir; dekarbürizasyon hızı oksidasyon hızından daha hızlı olduğunda dekarbürizasyon olayı ortaya çıkar. Isıtmanın başlangıcında, tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığı, sıcaklığın artmasıyla kademeli olarak artar ve maksimum değere ulaşana kadar bu şekilde devam eder. Bu noktada, sıcaklığın daha da yükseltilmesi durumunda, numunenin oksidasyon hızı dekarbürizasyon hızından daha hızlı olur, bu da tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığının artmasını engeller ve aşağı doğru bir eğilime neden olur. 675 ～950 ℃ aralığında, 750 ℃'de tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığının en büyük, 850 ℃'de ise en küçük olduğu görülmektedir; bu nedenle, test çeliğinin ısıtma sıcaklığının 850 ℃ olması önerilir.
Şekil 1. Farklı ısıtma sıcaklıklarında 1 saat süreyle bekletilen test çeliğinin dekarbürize edilmiş tabakasının histomorfolojisi.
Yarı dekarbürize tabakaya kıyasla, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığı, malzeme özelliklerini daha ciddi şekilde olumsuz etkiler; mukavemet, sertlik, aşınma direnci ve yorulma sınırı gibi mekanik özelliklerini büyük ölçüde azaltır ve ayrıca çatlaklara karşı hassasiyeti artırarak kaynak kalitesini etkiler. Bu nedenle, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığının kontrol edilmesi, ürün performansını iyileştirmek için büyük önem taşır. Şekil 2, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığının sıcaklıkla değişim eğrisini göstermekte olup, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığındaki değişimi daha net bir şekilde ortaya koymaktadır. Şekilden görülebileceği gibi, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığı 700℃'de sadece yaklaşık 34 μm'dir; sıcaklık 725 ℃'ye yükseldiğinde, tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığı önemli ölçüde artarak 86 μm'ye ulaşır ki bu, 700 ℃'deki tamamen dekarbürize tabakanın kalınlığının iki katından fazladır. Sıcaklık 750 ℃'ye yükseltildiğinde, tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığı 120 μm'lik maksimum değere ulaşır; sıcaklık yükselmeye devam ettikçe, tamamen dekarbürize olmuş tabakanın kalınlığı keskin bir şekilde azalmaya başlar, 800℃'de 70 μm'ye ve ardından 850℃'de yaklaşık 20 μm'lik minimum değere ulaşır.
Şekil 2. Farklı sıcaklıklarda tamamen dekarbürize edilmiş tabakanın kalınlığı.
Dekarbürizasyonun dönme bükme işleminde yorulma performansına etkisi
Yay çeliğinin yorulma özelliklerine dekarbürizasyonun etkisini incelemek amacıyla iki grup dönme bükme yorulma testi yapılmıştır. Birinci grup, dekarbürizasyon yapılmadan doğrudan yorulma testi; ikinci grup ise aynı gerilim seviyesinde (810 MPa) dekarbürizasyon işleminden sonra yorulma testidir. Dekarbürizasyon işlemi 700-850 ℃ sıcaklıkta 1 saat süreyle gerçekleştirilmiştir. Birinci grup numunelerin yorulma ömrü Tablo 2'de gösterilmiştir.
Birinci grup numunenin yorulma ömrü Tablo 2'de gösterilmiştir. Tablo 2'den de görülebileceği gibi, dekarbürizasyon yapılmadan, test çeliği 810 MPa'da sadece 107 çevrime maruz kalmış ve hiçbir kırılma meydana gelmemiştir; gerilim seviyesi 830 MPa'yı aştığında, numunelerin bazılarında kırılma başlamıştır; gerilim seviyesi 850 MPa'yı aştığında ise yorulma numunelerinin tamamı kırılmıştır.
Tablo 2 Farklı gerilim seviyelerinde yorulma ömrü (dekarbürizasyon olmadan)
Yorulma sınırını belirlemek için, test çeliğinin yorulma sınırını belirlemek amacıyla grup yöntemi kullanılmış ve verilerin istatistiksel analizinden sonra, test çeliğinin yorulma sınırı yaklaşık 760 MPa olarak bulunmuştur; farklı gerilimler altında test çeliğinin yorulma ömrünü karakterize etmek için, Şekil 3'te gösterildiği gibi SN eğrisi çizilmiştir. Şekil 3'ten görülebileceği gibi, farklı gerilim seviyeleri farklı yorulma ömrüne karşılık gelmektedir; yorulma ömrü 7 olduğunda, 107 çevrim sayısına karşılık gelir, bu da bu koşullar altında numunenin yorulma durumuna geçtiği anlamına gelir; karşılık gelen gerilim değeri, yorulma dayanımı değeri olarak yaklaşık olarak kabul edilebilir, yani 760 MPa. Görüldüğü gibi, S-N eğrisi, malzemenin yorulma ömrünün belirlenmesi için önemli bir referans değerine sahiptir.
Şekil 3. Deneysel çelik döner eğilme yorulma testinin SN eğrisi.
İkinci grup numunelerin yorulma ömrü Tablo 3'te gösterilmiştir. Tablo 3'ten de görülebileceği gibi, test çeliği farklı sıcaklıklarda dekarbürize edildikten sonra, çevrim sayısı belirgin şekilde azalmış ve 107'den fazla olmuştur; tüm yorulma numuneleri kırılmış ve yorulma ömrü büyük ölçüde azalmıştır. Yukarıdaki dekarbürize tabaka kalınlığı ile sıcaklık değişim eğrisi birlikte incelendiğinde, 750 ℃'de dekarbürize tabaka kalınlığının en büyük olduğu ve en düşük yorulma ömrü değerine karşılık geldiği görülmektedir. 850 ℃'de dekarbürize tabaka kalınlığının en küçük olduğu ve nispeten yüksek yorulma ömrü değerine karşılık geldiği görülmektedir. Dekarbürizasyon davranışının malzemenin yorulma performansını büyük ölçüde azalttığı ve dekarbürize tabaka ne kadar kalın olursa yorulma ömrünün o kadar düşük olduğu anlaşılmaktadır.
Tablo 3 Farklı dekarbürizasyon sıcaklıklarında yorulma ömrü (560 MPa)
Numunenin yorulma kırığı morfolojisi, Şekil 4'te gösterildiği gibi taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Şekil 4(a), çatlak kaynağı bölgesini göstermektedir; şekilde belirgin bir yorulma yayı görülebilir. Yorulma yayına göre yorulma kaynağı bulunabilir; çatlak kaynağının "balık gözü" metalik olmayan inklüzyonlar olduğu görülebilir. İnklüzyonlar, gerilim yoğunlaşmasına neden olarak yorulma çatlaklarına yol açar. Şekil 4(b), çatlak genişleme bölgesinin morfolojisini göstermektedir; belirgin yorulma çizgileri görülebilir, nehir benzeri bir dağılıma sahiptir ve yarı ayrışmalı kırılmaya aittir. Çatlaklar genişleyerek sonunda kırılmaya yol açar.
Yorgunluk kırığı analizi
Şekil 4. Deneysel çeliğin yorulma kırılma yüzeyinin SEM morfolojisi.
Şekil 4'teki inklüzyonların türünü belirlemek için enerji spektrumu bileşim analizi yapıldı ve sonuçlar Şekil 5'te gösterilmiştir. Metalik olmayan inklüzyonların esas olarak Al2O3 inklüzyonları olduğu görülmektedir; bu da inklüzyonların, inklüzyon çatlamasından kaynaklanan çatlakların ana kaynağı olduğunu göstermektedir.
Şekil 5 Metalik Olmayan İçeriklerin Enerji Spektroskopisi
Sonuçlandırmak
( 1) Isıtma sıcaklığının 850 ℃'ye ayarlanması, yorulma performansı üzerindeki etkiyi azaltmak için dekarbürize tabakanın kalınlığını en aza indirecektir.
( 2) Test çeliğinin dönme bükme yorulma limiti 760 MPa'dır.
( 3) Test çeliğinde metalik olmayan inklüzyonlarda, esas olarak Al2O3 karışımında çatlama.
( 4) Karbonsuzlaştırma, test çeliğinin yorulma ömrünü ciddi şekilde azaltır; karbonsuzlaştırma tabakası ne kadar kalın olursa, yorulma ömrü o kadar düşük olur.
Yayın tarihi: 21 Haz-2024
