ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนในการสังเกตการแตกหักจากความล้าและวิเคราะห์กลไกการแตกหัก ในขณะเดียวกันก็ทำการทดสอบความล้าแบบดัดหมุนบนชิ้นงานที่ผ่านการลดคาร์บอนที่อุณหภูมิต่างๆ เพื่อเปรียบเทียบอายุความล้าของเหล็กทดสอบที่มีและไม่มีการลดคาร์บอน และเพื่อวิเคราะห์ผลของการลดคาร์บอนต่อประสิทธิภาพความล้าของเหล็กทดสอบ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันและการลดคาร์บอนพร้อมกันในกระบวนการให้ความร้อน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองส่งผลให้ความหนาของชั้นที่ลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นแล้วลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาของชั้นที่ลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์มีค่าสูงสุด 120 ไมโครเมตรที่ 750 องศาเซลเซียส และความหนาของชั้นที่ลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์มีค่าต่ำสุด 20 ไมโครเมตรที่ 850 องศาเซลเซียส และขีดจำกัดความล้าของเหล็กทดสอบอยู่ที่ประมาณ 760 เมกะปาสคาล และแหล่งที่มาของรอยแตกจากความล้าในเหล็กทดสอบส่วนใหญ่คือสารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ Al2O3 พฤติกรรมการลดปริมาณคาร์บอนส่งผลให้ลดอายุการใช้งานของเหล็กทดสอบลงอย่างมาก ส่งผลต่อสมรรถนะความล้าของเหล็กทดสอบ ยิ่งชั้นการลดปริมาณคาร์บอนหนามากเท่าใด อายุการใช้งานก็จะยิ่งสั้นลงเท่านั้น เพื่อลดผลกระทบของชั้นการลดปริมาณคาร์บอนต่อสมรรถนะความล้าของเหล็กทดสอบ อุณหภูมิการอบชุบความร้อนที่เหมาะสมที่สุดของเหล็กทดสอบควรตั้งไว้ที่ 850℃
เกียร์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของรถยนต์เนื่องจากการทำงานที่ความเร็วสูง บริเวณที่ฟันเฟืองสัมผัสกันต้องมีความแข็งแรงและทนต่อการสึกหรอสูง และโคนฟันเฟืองต้องมีประสิทธิภาพในการทนต่อความล้าจากการดัดงอที่ดี เนื่องจากการรับแรงซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวที่นำไปสู่การแตกหักของวัสดุ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการลดปริมาณคาร์บอนเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทนต่อความล้าจากการดัดงอของวัสดุโลหะ และประสิทธิภาพการทนต่อความล้าจากการดัดงอเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สำคัญ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาพฤติกรรมการลดปริมาณคาร์บอนและประสิทธิภาพการทนต่อความล้าจากการดัดงอของวัสดุที่ใช้ทดสอบ
ในบทความนี้ ได้ทำการทดสอบการลดคาร์บอนที่ผิวหน้าของเหล็กกล้าเฟือง 20CrMnTi โดยใช้เตาอบความร้อน เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิความร้อนที่แตกต่างกันกับการเปลี่ยนแปลงความลึกของชั้นลดคาร์บอนบนเหล็กกล้าทดสอบ และใช้เครื่องทดสอบความล้าแบบคานเดี่ยว QBWP-6000J ในการทดสอบความล้าจากการดัดหมุนของเหล็กกล้าทดสอบ เพื่อหาค่าสมรรถนะความล้าของเหล็กกล้าทดสอบ พร้อมทั้งวิเคราะห์ผลกระทบของการลดคาร์บอนต่อสมรรถนะความล้าของเหล็กกล้าทดสอบ เพื่อนำไปปรับปรุงกระบวนการผลิต เพิ่มคุณภาพของผลิตภัณฑ์ และเป็นข้อมูลอ้างอิงที่เหมาะสมสำหรับการผลิตจริง โดยสมรรถนะความล้าของเหล็กกล้าทดสอบจะถูกกำหนดโดยเครื่องทดสอบความล้าจากการดัดหมุน
1. วัสดุและวิธีการทดสอบ
วัสดุที่ใช้ทดสอบคือเหล็กกล้าเกียร์ 20CrMnTi ซึ่งมีส่วนประกอบทางเคมีหลักดังแสดงในตารางที่ 1 การทดสอบการลดคาร์บอน: นำวัสดุที่ใช้ทดสอบมาแปรรูปเป็นชิ้นงานทรงกระบอกขนาด Ф8 มม. × 12 มม. พื้นผิวควรเรียบปราศจากคราบ นำชิ้นงานเข้าอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃, 1,000 ℃ และคงอุณหภูมิไว้ 1 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวลงจนถึงอุณหภูมิห้อง หลังจากอบชุบด้วยความร้อนแล้ว ทำการขึ้นรูป ขัด และขัดเงาชิ้นงาน จากนั้นใช้สารละลายกรดไนตริก 4% ในแอลกอฮอล์กัดกร่อน ใช้กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยาตรวจสอบชั้นการลดคาร์บอนของเหล็กกล้าที่ใช้ทดสอบ และวัดความลึกของชั้นการลดคาร์บอนที่อุณหภูมิต่างๆ การทดสอบความล้าจากการดัดหมุน: ทำการเตรียมชิ้นงานทดสอบความล้าจากการดัดหมุนสองกลุ่มตามข้อกำหนด กลุ่มแรกไม่ทำการทดสอบการลดคาร์บอน กลุ่มที่สองทำการทดสอบการลดคาร์บอนที่อุณหภูมิต่างกัน โดยใช้เครื่องทดสอบความล้าจากการดัดหมุน ทำการทดสอบความล้าของเหล็กทั้งสองกลุ่ม เพื่อหาค่าขีดจำกัดความล้าของเหล็กทั้งสองกลุ่ม เปรียบเทียบอายุความล้าของเหล็กทั้งสองกลุ่ม และใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนในการสังเกตการแตกหักจากความล้า วิเคราะห์สาเหตุของการแตกหักของชิ้นงาน และศึกษาผลของการลดคาร์บอนต่อคุณสมบัติความล้าของเหล็กทดสอบ
ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมี (เศษส่วนมวล) ของเหล็กทดสอบ (ร้อยละโดยน้ำหนัก)
ผลของอุณหภูมิความร้อนต่อการลดคาร์บอน
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของโครงสร้างการลดคาร์บอนภายใต้อุณหภูมิความร้อนที่แตกต่างกันแสดงในรูปที่ 1 จากรูปจะเห็นได้ว่า เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 675 ℃ พื้นผิวของตัวอย่างจะไม่ปรากฏชั้นการลดคาร์บอน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 700 ℃ ชั้นการลดคาร์บอนบนพื้นผิวของตัวอย่างเริ่มปรากฏขึ้น โดยเป็นชั้นการลดคาร์บอนของเฟอร์ไรต์ที่บาง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 725 ℃ ความหนาของชั้นการลดคาร์บอนบนพื้นผิวของตัวอย่างเพิ่มขึ้นอย่างมาก ที่ 750 ℃ ความหนาของชั้นการลดคาร์บอนถึงค่าสูงสุด ในขณะนี้ เม็ดเฟอร์ไรต์มีความชัดเจนและหยาบมากขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 800 ℃ ความหนาของชั้นการลดคาร์บอนเริ่มลดลงอย่างมาก ความหนาลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของที่ 750 ℃ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 850 ℃ และความหนาของชั้นลดคาร์บอนแสดงในรูปที่ 1 ที่ 800 ℃ ความหนาของชั้นลดคาร์บอนเต็มที่เริ่มลดลงอย่างเห็นได้ชัด โดยลดลงเหลือครึ่งหนึ่งที่ 750 ℃ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 850 ℃ ขึ้นไป ความหนาของชั้นลดคาร์บอนเต็มที่ของเหล็กทดสอบจะลดลงอย่างต่อเนื่อง ความหนาของชั้นลดคาร์บอนครึ่งหนึ่งจะเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป จนกระทั่งชั้นลดคาร์บอนเต็มที่หายไปทั้งหมด และชั้นลดคาร์บอนครึ่งหนึ่งค่อยๆ ปรากฏชัดเจนขึ้น จะเห็นได้ว่าความหนาของชั้นลดคาร์บอนเต็มที่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นนั้น จะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง สาเหตุของปรากฏการณ์นี้เกิดจากในกระบวนการให้ความร้อน ตัวอย่างจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและลดคาร์บอนพร้อมกัน โดยปรากฏการณ์การลดคาร์บอนจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออัตราการลดคาร์บอนเร็วกว่าอัตราการออกซิเดชันเท่านั้น ในช่วงเริ่มต้นของการให้ความร้อน ความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น จนกระทั่งความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์ถึงค่าสูงสุด ในขณะนี้ หากยังคงเพิ่มอุณหภูมิต่อไป อัตราการเกิดออกซิเดชันของชิ้นงานจะเร็วกว่าอัตราการปราศจากคาร์บอน ซึ่งจะยับยั้งการเพิ่มขึ้นของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์ ส่งผลให้มีแนวโน้มลดลง จะเห็นได้ว่า ในช่วงอุณหภูมิ 675 ～950 ℃ ค่าความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์ที่ 750 ℃ มีค่ามากที่สุด และค่าความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์ที่ 850 ℃ มีค่าน้อยที่สุด ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้อุณหภูมิในการให้ความร้อนของเหล็กทดสอบที่ 850 ℃
รูปที่ 1 ลักษณะทางเนื้อเยื่อวิทยาของชั้นคาร์บอนที่ลดลงของเหล็กทดสอบที่ถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง
เมื่อเปรียบเทียบกับชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนบางส่วน ความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์จะส่งผลเสียต่อคุณสมบัติของวัสดุอย่างมาก จะลดคุณสมบัติทางกลของวัสดุลงอย่างมาก เช่น ลดความแข็งแรง ความแข็ง ความต้านทานการสึกหรอ และขีดจำกัดความล้า เป็นต้น และยังเพิ่มความไวต่อการแตกร้าว ส่งผลต่อคุณภาพของการเชื่อม และอื่นๆ ดังนั้น การควบคุมความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ รูปที่ 2 แสดงเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงของความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์ตามอุณหภูมิ ซึ่งแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น จากรูปจะเห็นได้ว่าความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์อยู่ที่ประมาณ 34 ไมโครเมตรที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 725 องศาเซลเซียส ความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเป็น 86 ไมโครเมตร ซึ่งมากกว่าสองเท่าของความหนาของชั้นที่เกิดการลดคาร์บอนอย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 750 ℃ ความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์จะถึงค่าสูงสุดที่ 120 μm และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นต่อไป ความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์จะเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว เหลือ 70 μm ที่ 800℃ จากนั้นลดลงเหลือค่าต่ำสุดประมาณ 20 μm ที่ 850℃
รูปที่ 2 ความหนาของชั้นที่ปราศจากคาร์บอนโดยสมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่างๆ
ผลกระทบของการลดคาร์บอนต่อประสิทธิภาพความล้าในการดัดขึ้นรูปด้วยการหมุน
เพื่อศึกษาผลของการลดปริมาณคาร์บอนต่อคุณสมบัติความล้าของเหล็กสปริง จึงได้ทำการทดสอบความล้าแบบดัดหมุนสองกลุ่ม กลุ่มแรกคือการทดสอบความล้าโดยตรงโดยไม่ลดปริมาณคาร์บอน และกลุ่มที่สองคือการทดสอบความล้าหลังจากลดปริมาณคาร์บอนที่ระดับความเค้นเดียวกัน (810 MPa) โดยกระบวนการลดปริมาณคาร์บอนดำเนินการที่อุณหภูมิ 700-850 ℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ตัวอย่างกลุ่มแรกแสดงอายุความล้าของเหล็กสปริงในตารางที่ 2
อายุการใช้งานจากการล้าของชิ้นงานทดสอบกลุ่มแรกแสดงอยู่ในตารางที่ 2 ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 2 ว่า เหล็กทดสอบที่ไม่ได้ผ่านกระบวนการลดคาร์บอนนั้น สามารถรับแรงได้เพียง 107 รอบที่ระดับความเค้น 810 MPa โดยไม่เกิดการแตกหัก เมื่อระดับความเค้นเกิน 830 MPa ชิ้นงานทดสอบบางส่วนเริ่มแตกหัก และเมื่อระดับความเค้นเกิน 850 MPa ชิ้นงานทดสอบการล้าทั้งหมดก็แตกหัก
ตารางที่ 2 อายุการใช้งานจากการล้าภายใต้ระดับความเค้นต่างๆ (โดยไม่ผ่านกระบวนการลดคาร์บอน)
เพื่อกำหนดขีดจำกัดความล้า จึงใช้วิธีการจัดกลุ่มเพื่อกำหนดขีดจำกัดความล้าของเหล็กทดสอบ และหลังจากการวิเคราะห์ทางสถิติของข้อมูล พบว่าขีดจำกัดความล้าของเหล็กทดสอบอยู่ที่ประมาณ 760 MPa เพื่อแสดงลักษณะอายุความล้าของเหล็กทดสอบภายใต้ความเค้นที่แตกต่างกัน จึงได้ทำการเขียนกราฟ S-N ดังแสดงในรูปที่ 3 จากรูปที่ 3 จะเห็นได้ว่าระดับความเค้นที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับอายุความล้าที่แตกต่างกัน เมื่ออายุความล้าเท่ากับ 7 ซึ่งสอดคล้องกับจำนวนรอบ 107 รอบ หมายความว่าชิ้นงานภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้อยู่ในสภาวะที่ผ่านจุดแตกหักแล้ว ค่าความเค้นที่สอดคล้องกันสามารถประมาณได้เป็นค่าความแข็งแรงความล้า นั่นคือ 760 MPa จะเห็นได้ว่ากราฟ S-N มีความสำคัญในการกำหนดอายุความล้าของวัสดุและมีค่าอ้างอิงที่สำคัญ
รูปที่ 3 เส้นโค้ง SN ของการทดสอบความล้าจากการดัดหมุนของเหล็กกล้าทดลอง
อายุการใช้งานจากการล้าของชิ้นงานทดสอบกลุ่มที่สองแสดงอยู่ในตารางที่ 3 จากตารางที่ 3 จะเห็นได้ว่าหลังจากเหล็กทดสอบถูกลดคาร์บอนที่อุณหภูมิต่างๆ จำนวนรอบลดลงอย่างเห็นได้ชัด โดยมีจำนวนมากกว่า 107 รอบ และชิ้นงานทดสอบการล้าทั้งหมดแตกหัก อายุการใช้งานจากการล้าลดลงอย่างมาก เมื่อพิจารณาร่วมกับความหนาของชั้นลดคาร์บอนข้างต้นกับเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ จะเห็นได้ว่าความหนาของชั้นลดคาร์บอนที่ 750 ℃ มีค่ามากที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับค่าอายุการใช้งานจากการล้าที่ต่ำที่สุด ในขณะที่ความหนาของชั้นลดคาร์บอนที่ 850 ℃ มีค่าน้อยที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับค่าอายุการใช้งานจากการล้าที่ค่อนข้างสูง จะเห็นได้ว่าพฤติกรรมการลดคาร์บอนลดประสิทธิภาพการล้าของวัสดุลงอย่างมาก และยิ่งชั้นลดคาร์บอนหนามากเท่าใด อายุการใช้งานจากการล้าก็ยิ่งต่ำลงเท่านั้น
ตารางที่ 3 อายุการใช้งานเมื่อเกิดความล้าที่อุณหภูมิการลดคาร์บอนต่าง ๆ (560 MPa)
ได้ทำการสังเกตลักษณะการแตกหักจากความล้าของชิ้นงานโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน ดังแสดงในรูปที่ 4 รูปที่ 4(ก) แสดงบริเวณต้นกำเนิดรอยแตก จะเห็นส่วนโค้งความล้าที่ชัดเจน จากส่วนโค้งความล้านี้ทำให้สามารถระบุต้นกำเนิดของความล้าได้ โดยพบว่าต้นกำเนิดของรอยแตกคือสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะที่มีลักษณะคล้าย "ตาปลา" ซึ่งสิ่งเจือปนเหล่านี้ทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้นได้ง่าย ส่งผลให้เกิดรอยแตกจากความล้า รูปที่ 4(ข) แสดงลักษณะบริเวณการขยายตัวของรอยแตก จะเห็นริ้วความล้าที่ชัดเจน มีลักษณะเป็นแนวยาวคล้ายแม่น้ำ ซึ่งจัดเป็นการแตกหักแบบกึ่งแยกตัว และรอยแตกจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องจนในที่สุดก็แตกหัก รูปที่ 4(ข) แสดงลักษณะบริเวณการขยายตัวของรอยแตก จะเห็นริ้วความล้าที่ชัดเจน มีลักษณะเป็นแนวยาวคล้ายแม่น้ำ ซึ่งจัดเป็นการแตกหักแบบกึ่งแยกตัว และรอยแตกจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องจนในที่สุดก็แตกหัก
การวิเคราะห์การแตกหักจากความล้า
รูปที่ 4 ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวการแตกหักจากความล้าของเหล็กกล้าทดลองที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)
เพื่อระบุชนิดของสิ่งเจือปนในรูปที่ 4 จึงได้ทำการวิเคราะห์องค์ประกอบสเปกตรัมพลังงาน และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 5 จะเห็นได้ว่าสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่เป็นสิ่งเจือปน Al2O3 ซึ่งบ่งชี้ว่าสิ่งเจือปนเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักของรอยแตกที่เกิดจากการแตกร้าวของสิ่งเจือปน
รูปที่ 5 สเปกโทรสโกปีพลังงานของสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ
สรุป
( 1) การกำหนดอุณหภูมิความร้อนที่ 850 ℃ จะช่วยลดความหนาของชั้นที่ลดคาร์บอนให้น้อยที่สุดเพื่อลดผลกระทบต่อประสิทธิภาพความล้า
( 2) ขีดจำกัดความล้าของการดัดหมุนของเหล็กทดสอบคือ 760 MPa
( 3) การทดสอบการแตกร้าวของเหล็กในสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ ส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของ Al2O3
( 4) การลดคาร์บอนทำให้อายุการใช้งานของเหล็กทดสอบลดลงอย่างมาก ยิ่งชั้นการลดคาร์บอนหนามากเท่าไร อายุการใช้งานก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น
วันที่เผยแพร่: 21 มิถุนายน 2024
