Sự thay đổi cấu trúc vi mô của thép chịu lực trong quá trình mỏi tiếp xúc lăn Leave a comment

Tiếp xúc lăn trên các rãnh của ổ trục tạo ra ứng suất tuần hoàn kéo dài từ bề mặt đến các vùng bên dưới bề mặt. Nếu ứng suất vượt quá giới hạn cường độ cục bộ của vật liệu, cấu trúc vi mô sẽ bị hư hỏng hoặc thoái hóa, cuối cùng có thể dẫn đến bong tróc bề mặt rãnh do hiện tượng mỏi tiếp xúc lăn (RCF).

Trong điều kiện bôi trơn kém (tỷ lệ độ nhớt, κ  < 1), tiếp xúc kim loại với kim loại tại các điểm gồ ghề có thể tạo ra ứng suất bề mặt cao. Lực kéo bề mặt, gây ra bởi ngay cả một lượng nhỏ trượt ở các điểm tiếp xúc, cũng có thể tạo ra ứng suất bề mặt lớn. Ứng suất bề mặt cao có thể gây ra hư hỏng bề mặt do mỏi, thường biểu hiện dưới dạng các vết nứt nhỏ hoặc rỗ.

Trong các ổ trục quay hoạt động trong điều kiện bôi trơn tốt ( κ > 2), ứng suất cắt tối đa tồn tại ở độ sâu nhất định bên dưới bề mặt rãnh. Ứng suất cắt tuần hoàn do tiếp xúc lăn cuối cùng có thể gây ra hư hỏng do mỏi dẫn đến bong tróc bề mặt của đường đua (hình 1). Trong điều kiện RCF, có thể xảy ra hai loại suy thoái vật liệu. Nếu ứng suất tiếp xúc tối đa vượt quá một giới hạn nhất định, được gọi là giới hạn rung đàn hồi, vật liệu ở vùng dưới bề mặt sẽ trải qua dòng chảy dẻo dần dần dẫn đến thay đổi cấu trúc vi mô dần dần, cuối cùng dẫn đến bong tróc đường đua. Tuy nhiên, ở ứng suất tiếp xúc dưới giới hạn rung đàn hồi, hư hỏng cục bộ (tùy thuộc vào điều kiện ứng suất cục bộ) vẫn có thể phát triển do các khuyết tật vật liệu như tạp chất không phải kim loại, do tác động làm tăng ứng suất. Loại hư hỏng này được đặc trưng bởi cái gọi là hình cánh bướm, với một hoặc nhiều vết nứt bắt nguồn từ tạp chất hoặc lỗ rỗng. Sự phát triển của các vết nứt đi kèm với sự phát triển của các vùng khắc màu trắng (WEA). Trong một số điều kiện nhất định, sự phát triển của vết nứt bên dưới bề mặt cũng có thể dẫn đến bong tróc bề mặt đường đua.

Thiệt hại do mỏi cục bộ do vật liệu không hoàn hảo trong thép chịu lực đã được thảo luận trong bài viết trước [1]; Những loại hư hỏng do mỏi này đặc biệt liên quan đến các loại ổ trục lăn có kích thước trung bình và lớn. Dựa trên một bài báo tổng quan được các tác giả công bố gần đây [2], bài viết hiện tại nhằm mục đích tóm tắt các nghiên cứu đã công bố trong tài liệu về sự thay đổi cấu trúc vi mô của thép chịu lực, tức là sự phân hủy vật liệu khối dưới RCF. Kiểu suy thoái vật liệu sau đặc biệt liên quan đến các ổ trục cỡ nhỏ và vừa hoạt động dưới áp suất tiếp xúc tương đối cao.

Cấu trúc vi mô của thép chịu lực

Cacbon và crom là những nguyên tố hợp kim cơ bản của thép chịu lực được sử dụng để đạt được độ cứng cần thiết thông qua xử lý nhiệt. Cần có thêm các nguyên tố hợp kim để tăng khả năng làm cứng của thép dùng cho các bộ phận chịu lực có kích thước lớn.

Các thành phần ổ trục được tôi cứng thường được xử lý nhiệt để tạo ra cấu trúc martensitic hoặc bainitic. Bài viết này tập trung vào cấu trúc martensitic của thép chịu lực.

Quá trình tôi luyện martensitic bao gồm quá trình austenit hóa, tiếp theo là làm nguội trong dầu hoặc muối, và sau đó là quá trình ram ở nhiệt độ thấp để cân bằng các tính chất xung đột. Trong quá trình austenit hóa, một phần xêmentit hình cầu hòa tan, tạo ra hàm lượng cacbon là 0,6–0,65 wt % trong austenit. Khi tôi, martensit được hình thành với một phần austenit được giữ lại. Quá trình tôi luyện tiếp theo tạo ra sự kết tủa các cacbua chuyển tiếp và chuyển đổi tiếp theo của austenit giữ lại (RA) thành martensit, dẫn đến giảm hàm lượng RA. Hàm lượng RA giảm theo nhiệt độ tôi luyện và có thể giảm xuống bằng 0 nếu nhiệt độ tôi luyện đạt 220 °C. Hình 2 cho thấy sơ đồ biểu diễn cấu trúc martensitic sau khi xử lý nhiệt. Bên trong hạt austenite trước đó có các gói martensit, cementit còn lại và RA. Mỗi gói chứa các khối trong đó có thanh martensit được hình thành. Các cacbua chuyển tiếp kết tủa bên trong các hạt phụ martensit trong quá trình tôi luyện.

Phản ứng vật chất đối với RCF

Nếu áp suất tiếp xúc tối đa vượt quá giới hạn rung đàn hồi, thép chịu lực ở vùng dưới bề mặt sẽ trải qua quá trình thay đổi cấu trúc vi mô dần dần do sự tích tụ của tính dẻo vi mô. Quá trình phân hủy như vậy biểu hiện dưới kính hiển vi quang học quang học (LOM) dưới dạng vùng khắc tối (DER). Với sự tiến bộ của RCF, các dải khắc màu trắng (WEB) với hai hướng riêng biệt phát triển bên trong DER. Sự hình thành các dải góc thấp (LAB) có hướng khoảng 30º so với hướng lăn tiếp theo là sự phát triển của các dải góc cao (HAB), có hướng ở góc khoảng 80º so với hướng lăn. Hình 3 cho thấy ảnh chụp vi mô về sự thay đổi cấu trúc vi mô bên dưới bề mặt.

Đặc tính của DER sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy các dải vi ferit [3, 4] được hình thành bên trong ma trận martensitic (Hình 4). Khi nhìn từ mặt cắt chu vi, các dải vi mô được phân bố dày đặc hoặc tập trung thành từng cụm. Các dải vi mô trong mỗi cụm có cùng hướng nhưng có thể có hướng khác với các dải vi mô trong các cụm khác. Tuy nhiên, trên mặt cắt ngang (mặt cắt ngang của một chiếc nhẫn), các dải vi mô xuất hiện song song với bề mặt đường đua. Những quan sát này cho thấy rằng các dải vi mô là những tấm mỏng có hướng chỉ thay đổi theo hướng lăn. Hơn nữa, các dải vi mô có thể kéo dài qua ranh giới tấm martensit [5].

Một đặc điểm nổi bật khác có thể thấy ở DER là ferit dài. Ferrite kéo dài cũng được hình thành trong cấu trúc ma trận martensitic trong quá trình RCF nhưng xuất hiện dưới dạng các đặc điểm riêng lẻ và không được nhóm lại như các dải ferrite. Có dấu hiệu cho thấy ferit dài phát triển thành các hạt ferit lớn có ở LAB và HAB [5]. Giống như các dải ferit, ferit dài có dạng tấm mỏng và nằm ở góc khoảng 30° hoặc 80° so với bề mặt rãnh khi quan sát trên mặt cắt chu vi (hình 5a). Khi quan sát ở mặt cắt ngang, các dải song song với bề mặt đường đua. Khi quan sát bằng kính hiển vi quang học, LAB và HAB có màu trắng (xem hình 3). Đây là lý do tại sao chúng thường được gọi là dải khắc trắng (WEB). Cấu trúc bên trong của chúng có thể rất không đồng nhất theo độ dày. Cả LAB và HAB đều có thể được tạo thành từ ferit đa tinh thể kích thước nano và ferit dài [6].

Sự xuất hiện của WEB sau khoảng 10 ^chu kỳ ứng suất thường được quan sát thấy kết hợp với sự hình thành cacbua thấu kính (LC) [7]. Các cacbua thấu kính được hình thành ở bên cạnh và song song với các WEB lớn. Một WEB phát triển đầy đủ có thể dài 50–60 µm và rộng 10 µm, trong khi độ dày của cacbua thấu kính có thể đạt tới 1 µm. Sự hình thành cacbua thấu kính liên quan đến sự hòa tan một phần của cementit còn lại nhưng không yêu cầu sự hòa tan hoàn toàn của cementit còn lại [4–8]. Hình 5b cho thấy cấu trúc bánh sandwich trong vùng WEB, trong đó dải ferit và cacbua thấu kính nằm cạnh ma trận martensit ban đầu [9].

Xi măng còn lại cứng hơn nhiều so với ma trận martensit đã tôi và do đó được cho là có khả năng chống biến dạng dẻo cao hơn. Tuy nhiên, cả ferit kéo dài và các dải ferit nhỏ đều được quan sát thấy phát triển qua cementit còn sót lại, khiến nó hòa tan [3, 10]. Sau một số lượng lớn các chu kỳ ứng suất, các hạt cementite còn sót lại trong vùng chịu ứng suất cao thường có các cạnh mờ, cho thấy cementite đang hòa tan trong quá trình RCF.

Có một số yếu tố ảnh hưởng hoặc chi phối sự thay đổi cấu trúc vi mô trong RCF, bao gồm cấu trúc ban đầu, ứng suất dư và các điều kiện vận hành, chẳng hạn như áp suất tiếp xúc và nhiệt độ. Là một quá trình cơ nhiệt, tốc độ thay đổi cấu trúc vi mô tăng theo áp suất tiếp xúc và/hoặc nhiệt độ.

Sự thay đổi cấu trúc vi mô là quá trình di chuyển cacbon được thúc đẩy bởi sự trượt lệch do tính dẻo, được tóm tắt trong hình. 6. Đối với thép chịu lực có quá trình tôi cứng martensitic, cấu trúc ban đầu bao gồm martensitic đã ram chứa các chất kết tủa có kích thước nano (cacbua chuyển tiếp), austenit giữ lại (RA) và xêmentit còn lại. Sự hình thành DER liên quan đến quá trình chuyển đổi martensit đã tôi luyện thành ferit dưới dạng các dải ferit siêu nhỏ và ferit kéo dài, là kết quả của quá trình di chuyển cacbon do sự dịch chuyển từ ma trận martensit. Trong khi đó, RA chuyển đổi một phần thành martensit do kết quả của quá trình chuyển đổi pha do ứng suất và biến dạng gây ra, trong khi cementit còn lại vẫn còn nguyên vẹn ở giai đoạn đầu nhưng dần dần bị hòa tan ở một số vùng có tính dẻo cục bộ cao. Với sự tiến triển của RCF, các dải ferit siêu nhỏ và các hạt ferit dài phát triển thành các dải ferit được hình dung là các dải góc thấp (LAB) và các dải góc cao (HAB). Các nguyên tử cacbon từ ma trận và cacbua hòa tan được phân tách để tạo thành cacbua thấu kính giữa các dải ferit.

Có một cuộc tranh cãi về việc các nguyên tử carbon di chuyển đến đâu trong giai đoạn hình thành DER. Câu hỏi cụ thể là liệu các nguyên tử cacbon bên trong martensit có được vận chuyển về phía cacbua chuyển tiếp [9], gây ra cái gọi là sự thô hóa cacbua hay đến một nơi nào đó khác, chẳng hạn như ranh giới của các dải ferit mới hình thành hoặc các hạt ferit kéo dài [11].

Thiệt hại do mỏi của martensit tôi luyện ở nhiệt độ thấp khi tiếp xúc lăn đi kèm với sự phân hủy RA và tích tụ ứng suất nén dư, có thể được nghiên cứu một cách có hệ thống bằng phương pháp nhiễu xạ tia X [12–14]. Mặc dù quá trình chuyển đổi hỗ trợ ứng suất từ ​​RA sang martensit diễn ra ngay từ đầu và tiếp tục với quá trình RCF, nhưng quá trình như vậy được phát hiện có mối tương quan với sự hình thành DER và sự phát triển tiếp theo của WEB [12, 13]. Sau một số chu kỳ ứng suất đủ lớn, quá trình phân hủy hoàn toàn RA có thể diễn ra ở vùng chịu ứng suất cao.

Sự phân hủy cấu trúc vi mô cũng được phản ánh qua sự thay đổi về độ cứng. Người ta thấy rằng độ cứng trung bình của cấu trúc thay đổi thấp hơn đáng kể so với cấu trúc ban đầu [9, 13, 15]. Người ta cũng quan sát thấy rằng độ cứng ban đầu tăng nhẹ theo sau là độ cứng giảm đáng kể trong cấu trúc vi mô bị phân hủy sau một số lượng lớn chu kỳ ứng suất [10, 16]. Sự gia tăng độ cứng ban đầu là kết quả của quá trình tôi luyện. Với sự tiến triển của RCF, quá trình di chuyển carbon do sự dịch chuyển dẫn đến cấu trúc vi mô phân rã ngày càng không đồng nhất, đặc trưng bởi các vùng cạn kiệt carbon xen lẫn với các vùng giàu carbon. Sự suy giảm cacbon trong ma trận martensit gây ra sự giảm dần độ cứng của cấu trúc vi mô bị phân hủy.

Lời kết

Hỏng hóc của ổ trục lăn về cơ bản là do vật liệu bị suy giảm trong điều kiện vận hành nhất định. Hiểu được sự suy thoái vật liệu là điều cơ bản để dự đoán hiệu suất của ổ trục, giúp lựa chọn thép và phương pháp xử lý nhiệt tối ưu cho các ứng dụng cụ thể cũng như dự đoán tuổi thọ còn lại của ổ trục. Việc dự đoán có thể hữu ích cho việc xác nhận lựa chọn ổ trục hoặc chỉ ra những thay đổi có thể xảy ra trong hoạt động hoặc bảo trì ổ trục, từ đó có thể kéo dài tuổi thọ của các ổ trục tiếp theo hoạt động trong tài sản.

Ứng dụng SKF Authenticate Có hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate, Đối với một số sản phẩm, có mã DMC được đánh dấu trên bao bì hoặc sản phẩm. Sử dụng nút ‘Quét mã’ để quét DMC bằng máy ảnh. Phản hồi tức thì sẽ được hiển thị trên màn hình cho biết nếu mã hợp lệ hoặc nếu cần điều tra thêm bằng tính năng ‘Xác minh Sản phẩm’ Gửi ảnh của sản phẩm nghi ngờ bằng cách sử dụng nút ‘Xác minh Sản phẩm’. Làm theo hướng dẫn về cách chụp ảnh bao bì và sản phẩm cũng như tự động gửi yêu cầu, tất cả gói gọn trong một quy trình. Các chuyên gia phụ trách của SKF sẽ kiểm tra thông tin, xác minh xem sản phẩm là sản phẩm chính hãng hay bị làm giả và sẽ báo cho quý vị biết Tải xuống ứng dụng SKF Authenticate NGAY BÂY GIỜ trên App Store hoặc Google Play miễn phí bằng cách nhấp vào liên kết có liên quan hoặc quét mã dưới đây. Tải xuống trên Apple App store /Nhận trên Google Play