स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग थकान फ्रैक्चर का अवलोकन करने और फ्रैक्चर तंत्र का विश्लेषण करने के लिए किया गया था; साथ ही, डीकार्ब्यूराइज्ड नमूनों पर विभिन्न तापमानों पर स्पिन बेंडिंग थकान परीक्षण किया गया ताकि डीकार्ब्यूराइजेशन के साथ और बिना डीकार्ब्यूराइजेशन के परीक्षण स्टील के थकान जीवन की तुलना की जा सके और परीक्षण स्टील के थकान प्रदर्शन पर डीकार्ब्यूराइजेशन के प्रभाव का विश्लेषण किया जा सके। परिणामों से पता चलता है कि, तापन प्रक्रिया में ऑक्सीकरण और डीकार्ब्यूराइजेशन के एक साथ अस्तित्व के कारण, इन दोनों के बीच परस्पर क्रिया होती है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान में वृद्धि के साथ पूर्णतः डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई पहले बढ़ती है और फिर घटती है, पूर्णतः डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई 750 ℃ पर 120 μm के अधिकतम मान तक पहुँचती है, और पूर्णतः डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई 850 ℃ पर 20 μm के न्यूनतम मान तक पहुँचती है, और परीक्षण स्टील की थकान सीमा लगभग 760 MPa है, और परीक्षण स्टील में थकान दरारों का मुख्य स्रोत Al2O3 अधात्विक समावेशन है। डीकार्ब्यूराइजेशन प्रक्रिया परीक्षण इस्पात के थकान प्रतिरोध को काफी हद तक कम कर देती है, जिससे परीक्षण इस्पात का थकान प्रदर्शन प्रभावित होता है। डीकार्ब्यूराइजेशन परत जितनी मोटी होगी, थकान प्रतिरोध उतना ही कम होगा। परीक्षण इस्पात के थकान प्रदर्शन पर डीकार्ब्यूराइजेशन परत के प्रभाव को कम करने के लिए, परीक्षण इस्पात का इष्टतम ताप उपचार तापमान 850℃ निर्धारित किया जाना चाहिए।
गियर ऑटोमोबाइल का एक महत्वपूर्ण घटक है।उच्च गति पर संचालन के कारण, गियर की सतह के आपस में जुड़ने वाले भाग में उच्च शक्ति और घर्षण प्रतिरोध होना आवश्यक है, और निरंतर बार-बार लगने वाले भार के कारण दांत की जड़ में अच्छी बेंडिंग फटीग क्षमता होनी चाहिए, ताकि दरारों से बचा जा सके जो सामग्री के टूटने का कारण बन सकती हैं। शोध से पता चलता है कि डीकार्ब्यूराइजेशन धातु सामग्री के स्पिन बेंडिंग फटीग प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है, और स्पिन बेंडिंग फटीग प्रदर्शन उत्पाद की गुणवत्ता का एक महत्वपूर्ण सूचक है, इसलिए परीक्षण सामग्री के डीकार्ब्यूराइजेशन व्यवहार और स्पिन बेंडिंग फटीग प्रदर्शन का अध्ययन करना आवश्यक है।
इस शोधपत्र में, 20CrMnTi गियर स्टील की सतह पर ऊष्मा उपचार भट्टी में विकार्बनीकरण परीक्षण किया गया है, और विभिन्न ताप तापमानों पर परीक्षण स्टील की विकार्बनीकरण परत की गहराई में परिवर्तन के नियम का विश्लेषण किया गया है; QBWP-6000J सरल बीम थकान परीक्षण मशीन का उपयोग करके परीक्षण स्टील पर घूर्णी झुकाव थकान परीक्षण किया गया है, जिससे परीक्षण स्टील के थकान प्रदर्शन का निर्धारण किया गया है, और साथ ही वास्तविक उत्पादन के लिए विकार्बनीकरण के प्रभाव का विश्लेषण किया गया है ताकि उत्पादन प्रक्रिया में सुधार, उत्पादों की गुणवत्ता में वृद्धि और उचित संदर्भ प्रदान किया जा सके। परीक्षण स्टील के थकान प्रदर्शन का निर्धारण स्पिन झुकाव थकान परीक्षण मशीन द्वारा किया गया है।
1. परीक्षण सामग्री और विधियाँ
परीक्षण सामग्री के रूप में 20CrMnTi गियर स्टील का उपयोग किया जाता है, जिसका मुख्य रासायनिक संघटन तालिका 1 में दर्शाया गया है। कार्बन विशोधन परीक्षण: परीक्षण सामग्री को 8 मिमी × 12 मिमी बेलनाकार नमूने में संसाधित किया जाता है, जिसकी सतह चमकदार और दाग रहित होनी चाहिए। ऊष्मा उपचार भट्टी को 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ और 1,000 ℃ तापमान पर गर्म किया जाता है, नमूने को उसमें 1 घंटे के लिए रखा जाता है, और फिर कमरे के तापमान तक हवा से ठंडा किया जाता है। ऊष्मा उपचार के बाद, नमूने को सेटिंग, ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग द्वारा 4% नाइट्रिक एसिड अल्कोहल घोल से अपचयित किया जाता है। धातुकर्म सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके परीक्षण स्टील की कार्बन विशोधन परत का अवलोकन किया जाता है और विभिन्न तापमानों पर कार्बन विशोधन परत की गहराई को मापा जाता है। स्पिन बेंडिंग थकान परीक्षण: परीक्षण सामग्री को प्रसंस्करण आवश्यकताओं के अनुसार दो समूहों में स्पिन बेंडिंग थकान नमूनों के लिए तैयार किया जाता है। पहले समूह के नमूनों पर डीकार्ब्यूराइजेशन परीक्षण नहीं किया जाता है, जबकि दूसरे समूह के नमूनों पर अलग-अलग तापमानों पर डीकार्ब्यूराइजेशन परीक्षण किया जाता है। स्पिन बेंडिंग थकान परीक्षण मशीन का उपयोग करके, परीक्षण स्टील के दोनों समूहों का स्पिन बेंडिंग थकान परीक्षण किया जाता है। इन नमूनों की थकान सीमा निर्धारित की जाती है, उनकी थकान जीवन की तुलना की जाती है, और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके थकान फ्रैक्चर का अवलोकन किया जाता है। इससे नमूने के फ्रैक्चर के कारणों का विश्लेषण किया जाता है और परीक्षण स्टील के थकान गुणों पर डीकार्ब्यूराइजेशन के प्रभाव का पता लगाया जाता है।
तालिका 1 परीक्षण इस्पात की रासायनिक संरचना (द्रव्यमान अंश) (वजन प्रतिशत)
ऊष्मायन तापमान का कार्बनशोधन पर प्रभाव
विभिन्न ताप तापमानों के तहत डीकार्ब्यूराइजेशन संगठन की आकृति विज्ञान को चित्र 1 में दर्शाया गया है। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, जब तापमान 675 ℃ होता है, तो नमूने की सतह पर डीकार्ब्यूराइजेशन परत दिखाई नहीं देती है; जब तापमान 700 ℃ तक बढ़ता है, तो नमूने की सतह पर डीकार्ब्यूराइजेशन परत दिखाई देने लगती है, जो पतली फेराइट डीकार्ब्यूराइजेशन परत होती है; तापमान 725 ℃ तक बढ़ने पर, नमूने की सतह पर डीकार्ब्यूराइजेशन परत की मोटाई में उल्लेखनीय वृद्धि होती है; 750 ℃ पर डीकार्ब्यूराइजेशन परत की मोटाई अपने अधिकतम मान तक पहुँच जाती है, इस समय, फेराइट कण अधिक स्पष्ट और मोटे होते हैं; जब तापमान 800 ℃ तक बढ़ता है, तो डीकार्ब्यूराइजेशन परत की मोटाई में उल्लेखनीय कमी आने लगती है, और इसकी मोटाई 750 ℃ की तुलना में आधी हो जाती है। जब तापमान 850 ℃ तक बढ़ता है, तो विकार्बनीकरण की मोटाई चित्र 1 में दर्शाई गई है। 800 ℃ पर, पूर्ण विकार्बनीकरण परत की मोटाई में उल्लेखनीय कमी आने लगती है, और 750 ℃ पर यह आधी हो जाती है। जब तापमान 850 ℃ और उससे अधिक तक बढ़ता है, तो परीक्षण इस्पात की पूर्ण विकार्बनीकरण परत की मोटाई लगातार घटती रहती है, और आधी विकार्बनीकरण परत की मोटाई धीरे-धीरे बढ़ने लगती है, जब तक कि पूर्ण विकार्बनीकरण परत की आकृति पूरी तरह से गायब नहीं हो जाती, और आधी विकार्बनीकरण परत की आकृति धीरे-धीरे स्पष्ट होने लगती है। यह देखा जा सकता है कि तापमान में वृद्धि के साथ पूर्ण विकार्बनीकरण परत की मोटाई पहले बढ़ती है और फिर घटती है। इस घटना का कारण यह है कि तापन प्रक्रिया के दौरान नमूने में एक साथ ऑक्सीकरण और विकार्बनीकरण दोनों क्रियाएं होती हैं, और विकार्बनीकरण की घटना तभी प्रकट होती है जब विकार्बनीकरण की दर ऑक्सीकरण की गति से अधिक होती है। तापन की शुरुआत में, पूर्णतः विकार्बनीकृत परत की मोटाई तापमान में वृद्धि के साथ धीरे-धीरे बढ़ती है जब तक कि यह अधिकतम मान तक नहीं पहुँच जाती। इस समय, तापमान को और बढ़ाने पर, नमूने की ऑक्सीकरण दर विकार्बनीकरण दर से अधिक हो जाती है, जो पूर्णतः विकार्बनीकृत परत की वृद्धि को रोकती है, जिसके परिणामस्वरूप इसमें गिरावट आती है। यह देखा जा सकता है कि 675 से 950 ℃ की सीमा में, 750 ℃ पर पूर्णतः विकार्बनीकृत परत की मोटाई का मान सबसे अधिक है, और 850 ℃ पर पूर्णतः विकार्बनीकृत परत की मोटाई का मान सबसे कम है। अतः, परीक्षण इस्पात के लिए तापन तापमान 850 ℃ रखने की अनुशंसा की जाती है।
चित्र 1. विभिन्न ताप तापमानों पर 1 घंटे तक रखे गए परीक्षण इस्पात की कार्बन-मुक्त परत की ऊतक-आकृति विज्ञान।
आंशिक रूप से कार्बन-मुक्त परत की तुलना में, पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई सामग्री के गुणों पर अधिक गंभीर नकारात्मक प्रभाव डालती है। यह सामग्री के यांत्रिक गुणों को काफी हद तक कम कर देती है, जैसे कि मजबूती, कठोरता, घिसाव प्रतिरोध और थकान सीमा आदि को कम करना, और दरारों के प्रति संवेदनशीलता को भी बढ़ाना, जिससे वेल्डिंग की गुणवत्ता प्रभावित होती है। इसलिए, उत्पाद के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई को नियंत्रित करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। चित्र 2 तापमान के साथ पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई के परिवर्तन वक्र को दर्शाता है, जो पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई में परिवर्तन को अधिक स्पष्ट रूप से दिखाता है। चित्र से देखा जा सकता है कि 700 ℃ पर पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई लगभग 34 μm है; तापमान 725 ℃ तक बढ़ने पर, पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई काफी बढ़कर 86 μm हो जाती है, जो 700 ℃ पर पूर्णतः कार्बन-मुक्त परत की मोटाई से दो गुना से अधिक है। जब तापमान 750 ℃ तक बढ़ाया जाता है, तो पूरी तरह से डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई 120 μm के अधिकतम मान तक पहुँच जाती है; जैसे-जैसे तापमान बढ़ता रहता है, पूरी तरह से डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई तेजी से घटने लगती है, 800 ℃ पर 70 μm तक और फिर 850 ℃ पर लगभग 20 μm के न्यूनतम मान तक पहुँच जाती है।
चित्र 2 विभिन्न तापमानों पर पूर्णतः कार्बनरहित परत की मोटाई
स्पिन बेंडिंग में थकान प्रदर्शन पर डीकार्ब्यूराइजेशन का प्रभाव
स्प्रिंग स्टील के थकान गुणों पर डीकार्ब्यूराइजेशन के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, स्पिन बेंडिंग थकान परीक्षणों के दो समूह आयोजित किए गए। पहले समूह में डीकार्ब्यूराइजेशन के बिना सीधे थकान परीक्षण किया गया, और दूसरे समूह में समान तनाव स्तर (810 एमपीए) पर डीकार्ब्यूराइजेशन के बाद थकान परीक्षण किया गया। डीकार्ब्यूराइजेशन प्रक्रिया 700-850 ℃ तापमान पर 1 घंटे तक चली। पहले समूह के नमूनों को तालिका 2 में दर्शाया गया है, जो स्प्रिंग स्टील के थकान जीवन को दर्शाता है।
नमूनों के पहले समूह का थकान जीवन सारणी 2 में दर्शाया गया है। सारणी 2 से देखा जा सकता है कि, डीकार्ब्यूराइजेशन के बिना, परीक्षण स्टील को 810 एमपीए पर केवल 107 चक्रों के अधीन किया गया था और कोई फ्रैक्चर नहीं हुआ; जब तनाव स्तर 830 एमपीए से अधिक हो गया, तो कुछ नमूनों में फ्रैक्चर शुरू हो गया; जब तनाव स्तर 850 एमपीए से अधिक हो गया, तो थकान परीक्षण के दौरान सभी नमूने फ्रैक्चर हो गए।
तालिका 2 विभिन्न तनाव स्तरों के तहत थकान जीवन (डीकार्ब्यूराइजेशन के बिना)
थकान सीमा निर्धारित करने के लिए, समूह विधि का उपयोग परीक्षण इस्पात की थकान सीमा निर्धारित करने के लिए किया जाता है, और आंकड़ों के सांख्यिकीय विश्लेषण के बाद, परीक्षण इस्पात की थकान सीमा लगभग 760 एमपीए पाई जाती है; विभिन्न तनावों के तहत परीक्षण इस्पात के थकान जीवन को दर्शाने के लिए, एस-एन वक्र को प्लॉट किया जाता है, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। चित्र 3 से देखा जा सकता है कि विभिन्न तनाव स्तर अलग-अलग थकान जीवन के अनुरूप होते हैं, जब थकान जीवन 7 होता है, तो यह 107 चक्रों की संख्या के अनुरूप होता है, जिसका अर्थ है कि इन स्थितियों के तहत नमूना उस अवस्था से गुजर चुका है, जिसके अनुरूप तनाव मान को थकान सामर्थ्य मान, यानी 760 एमपीए के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि एस-एन वक्र सामग्री के थकान जीवन के निर्धारण के लिए एक महत्वपूर्ण संदर्भ मूल्य रखता है।
चित्र 3 प्रायोगिक इस्पात घूर्णी झुकाव थकान परीक्षण का एसएन वक्र
नमूनों के दूसरे समूह की थकान क्षमता तालिका 3 में दर्शाई गई है। तालिका 3 से देखा जा सकता है कि विभिन्न तापमानों पर परीक्षण इस्पात के विकार्बनीकरण के बाद, चक्रों की संख्या स्पष्ट रूप से कम हो जाती है, और जब यह संख्या 107 से अधिक हो जाती है, तो सभी थकान परीक्षण नमूनों में दरार आ जाती है, जिससे थकान क्षमता में काफी कमी आती है। उपरोक्त विकार्बनीकरण परत की मोटाई और तापमान परिवर्तन वक्र के संयोजन से यह देखा जा सकता है कि 750 ℃ पर विकार्बनीकरण परत की मोटाई सबसे अधिक है, जो थकान क्षमता के सबसे कम मान को दर्शाती है। 850 ℃ पर विकार्बनीकरण परत की मोटाई सबसे कम है, जो थकान क्षमता के अपेक्षाकृत उच्च मान को दर्शाती है। इससे यह स्पष्ट होता है कि विकार्बनीकरण प्रक्रिया सामग्री के थकान प्रदर्शन को काफी हद तक कम कर देती है, और विकार्बनीकरण परत जितनी मोटी होती है, थकान क्षमता उतनी ही कम होती है।
तालिका 3 विभिन्न डीकार्ब्यूराइजेशन तापमानों (560 एमपीए) पर थकान जीवन
नमूने की थकान फ्रैक्चर आकृति का अवलोकन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप द्वारा किया गया, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। चित्र 4(a) में दरार स्रोत क्षेत्र को दर्शाया गया है, जिसमें स्पष्ट थकान चाप दिखाई देता है। थकान चाप के आधार पर थकान के स्रोत का पता लगाया जा सकता है। दरार का स्रोत "फिश-आई" आकार के गैर-धात्विक समावेशन हैं, जो तनाव संकेंद्रण का कारण बनते हैं और परिणामस्वरूप थकान दरारें उत्पन्न करते हैं। चित्र 4(b) में दरार विस्तार क्षेत्र की आकृति को दर्शाया गया है, जिसमें स्पष्ट थकान धारियाँ दिखाई देती हैं, जो नदी-जैसी वितरण में हैं और अर्ध-विघटनकारी फ्रैक्चर की श्रेणी में आती हैं। दरारों के विस्तार के साथ अंततः फ्रैक्चर होता है। चित्र 4(b) में दरार विस्तार क्षेत्र की आकृति को दर्शाया गया है, जिसमें स्पष्ट थकान लकीरें दिखाई देती हैं, जो नदी-जैसी वितरण में हैं और अर्ध-विघटनकारी फ्रैक्चर की श्रेणी में आती हैं। दरारों के निरंतर विस्तार के साथ अंततः फ्रैक्चर होता है।
थकान फ्रैक्चर विश्लेषण
चित्र 4 प्रायोगिक स्टील की थकान फ्रैक्चर सतह की एसईएम आकृति विज्ञान
चित्र 4 में मौजूद समावेशन के प्रकार का निर्धारण करने के लिए, ऊर्जा स्पेक्ट्रम संरचना विश्लेषण किया गया, और परिणाम चित्र 5 में दिखाए गए हैं। यह देखा जा सकता है कि अधात्विक समावेशन मुख्य रूप से Al2O3 समावेशन हैं, जो यह दर्शाता है कि समावेशन दरार के कारण होने वाली दरारों का मुख्य स्रोत हैं।
चित्र 5 अधात्विक समावेशन का ऊर्जा स्पेक्ट्रोस्कोपी
निष्कर्ष निकालना
(1) हीटिंग तापमान को 850 ℃ पर रखने से डीकार्ब्यूराइज्ड परत की मोटाई कम हो जाएगी जिससे थकान प्रदर्शन पर प्रभाव कम होगा।
(2) परीक्षण इस्पात स्पिन बेंडिंग की थकान सीमा 760 एमपीए है।
(3) परीक्षण इस्पात में अधात्विक समावेशन, मुख्यतः Al2O3 मिश्रण में दरारें।
(4) डीकार्ब्यूराइजेशन परीक्षण स्टील के थकान जीवन को गंभीर रूप से कम करता है, डीकार्ब्यूराइजेशन परत जितनी मोटी होगी, थकान जीवन उतना ही कम होगा।
पोस्ट करने का समय: 21 जून 2024
