Nghiên cứu này giúp tăng cường hiểu biết và đưa ra phương pháp thực tế để đánh giá hiệu suất của ổ trục thấm cacbon.
Độ sâu lớp thấm cacbon tối ưu cho hiệu suất ổ trục
Để tăng cường khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải, các bề mặt tiếp xúc làm việc của ổ trục trải qua các phương pháp xử lý nhiệt cụ thể. Tùy thuộc vào các yếu tố như kích thước ổ trục và cấp thép được sử dụng, các thành phần có thể trải qua quá trình tôi xuyên suốt hoặc tôi bề mặt. Tôi xuyên suốt phù hợp với thép cacbon cao, trong khi thép cacbon thấp (< 0,25% cacbon) cần phải tôi bề mặt, đạt được thông qua các quy trình như thấm cacbon. Tôi cảm ứng bề mặt là một phương pháp khác được sử dụng rộng rãi cho thép cacbon trung bình.
Thấm cacbon liên quan đến quá trình khuếch tán nguồn cacbon vào thép cacbon thấp ở nhiệt độ cao, tạo thành lớp bề mặt cứng được gọi là “lớp vỏ” khi tôi. Khả năng chịu tải của ổ trục được tôi bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố như độ sâu lớp vỏ cứng và độ bền lõi. Các nhà sản xuất ổ trục phải lựa chọn cẩn thận các loại thép và đảm bảo độ sâu lớp vỏ thích hợp cho các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, độ sâu lớp vỏ quá mức không chỉ làm tăng chi phí sản xuất không cần thiết mà còn có thể dẫn đến nứt tiềm ẩn trong quá trình tôi và các tác động không mong muốn như oxy hóa giữa các hạt và hạt to ra [1].
Nghiền lõi [2, 3], một chế độ hỏng hóc trong ổ trục được tôi bề mặt, phát sinh từ độ sâu vỏ không đủ hoặc tải trọng tiếp xúc quá mức hoặc kết hợp cả hai. Sự hỏng hóc này liên quan đến việc bắt đầu và lan truyền các vết nứt trong lõi của vật liệu bên dưới lớp được tôi cứng. Sự khác biệt về độ cứng giữa lớp bề mặt và lõi góp phần đáng kể vào quá trình nghiền lõi, vì ứng suất từ tiếp xúc lăn có thể vượt quá độ bền mỏi hoặc độ bền tĩnh của lõi. Các nghiên cứu của Alfredsson và Olsson [4] và Lai và cộng sự [5] đã quan sát thấy quá trình nghiền lõi trong các mẫu được tôi bề mặt chịu điều kiện tải trọng mỏi tiếp xúc đứng (SCF). SCF là một thử nghiệm liên quan đến việc lõm theo chu kỳ của bề mặt mẫu bằng một viên bi hoặc con lăn. Mô phỏng số [5] cho thấy độ sâu vỏ nông hoặc tải trọng tiếp xúc quá mức gây ra ứng suất dư kéo đáng kể tại vùng chuyển tiếp giữa vỏ và lõi, dẫn đến hình thành vết nứt ngang dưới tải trọng SCF. Tính dẻo nghiêm trọng trong lõi làm suy yếu khả năng hỗ trợ của nó đối với lớp vỏ, gây ra sự uốn cong của lớp vỏ và khả năng nứt nếu vượt quá giới hạn ứng suất. Ngoài việc nghiền lõi, khả năng chịu tải tĩnh của ổ trục được tôi bề mặt được chỉ ra bằng biến dạng dẻo dưới tải tiếp xúc tĩnh. Tuy nhiên, định mức tải tĩnh được xác định trong ISO 76 [6] không xem xét ổ trục được tôi bề mặt. Các phương pháp tính toán [5] đã được đề xuất để đánh giá vết lõm dẻo rãnh trong ổ trục xoay được tôi bề mặt cảm ứng.
Bài viết này dựa trên một nghiên cứu mà chúng tôi đã công bố gần đây [7], nhằm mục đích mô tả và mô hình hóa hành vi vật liệu của ổ trục được chế tạo bằng cacbon trong điều kiện SCF. Bằng cách đánh giá vết lõm nhựa bề mặt và nguy cơ nghiền lõi, nghiên cứu cung cấp thông tin chi tiết cho các kỹ sư thiết kế và nhà sản xuất, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa hiệu suất của ổ trục được chế tạo bằng cacbon.
Mô phỏng và mô hình số
Tương tác giữa một phần tử lăn và bề mặt rãnh trong vòng bi được chế tạo bằng cacbon được mô phỏng bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) với mã thương mại ABAQUS. Mô phỏng bao gồm ba loại tiếp xúc: tiếp xúc điểm (PC), tiếp xúc đường thẳng (LC) và tiếp xúc hình elip (EC).
Với trọng tâm là hiểu phản ứng của vật liệu đối với tải trọng tiếp xúc đứng, hành vi đàn hồi-dẻo của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong mô hình FE. Việc mô tả biến dạng đàn hồi-dẻo liên quan đến mối quan hệ ứng suất-biến dạng, thường được rút ra từ các thử nghiệm kéo hoặc nén. Vì độ bền vật liệu có liên hệ chặt chẽ với độ cứng, chúng tôi sẽ liên hệ độ dốc độ bền trong thành phần thấm cacbon với cấu hình độ cứng. Bằng cách thiết lập các đường cong ứng suất-biến dạng cho cấu trúc lõi và cấu trúc vỏ cứng thông qua các thử nghiệm nén, chúng tôi sử dụng phép nội suy tuyến tính để xấp xỉ mối quan hệ ứng suất-biến dạng cho vật liệu có bất kỳ độ cứng nào khác.
Mô hình FE tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá vết lõm nhựa bề mặt và hư hỏng dưới bề mặt do tải trọng tiếp xúc đứng. Thông qua một nghiên cứu tham số bao gồm nhiều điều kiện tải trọng và hồ sơ độ cứng khác nhau, chúng tôi đưa ra các phương trình thực nghiệm thể hiện biến dạng dẻo rãnh lăn như một hàm số của độ sâu vỏ, độ cứng vỏ và lõi, đường kính phần tử lăn và áp suất tiếp xúc. Hơn nữa, nghiên cứu cho phép thiết lập các giới hạn dung sai cho hư hỏng dưới bề mặt trong các vòng ổ trục được cacbon hóa vỏ chịu điều kiện tải trọng tiếp xúc đứng.
Hãy xem xét một thành phần có độ cứng đồng đều, tương tự như quá trình tôi xuyên suốt hoặc cấu trúc lõi trước khi thấm cacbon. Độ lõm dẻo bề mặt ( δ ) liên quan đến áp suất tiếp xúc tối đa ( p 0 ) và giới hạn chảy của vật liệu ( σ y ) như sau:
Tại đây, D w là đường kính phần tử lăn và (…)+ biểu thị dấu ngoặc McCauley, đặt số hạng bằng không nếu số lượng kèm theo là số âm. Hằng số k , không phụ thuộc vào vật liệu, kết nối áp suất tiếp xúc p 0 và ứng suất von Mises tối đa σ vM ( σ vM = kp 0 ). Đối với tiếp xúc điểm (PC), k = 0,62 và đối với tiếp xúc đường thẳng (LC), k = 0,56. Các hằng số B , n và m là đặc trưng cho từng vật liệu.
trong đó [ δ / D w ] vỏ và [ δ / D w ] lõi lần lượt là các vết lõm dẻo cho vật liệu vỏ và lõi, được đưa ra bởi Công thức (1). tham số phân vùng ρ trong công thức trên là một hàm của độ sâu vỏ tương đối h c / D w và áp suất tiếp xúc:
trong đó p r là áp suất tham chiếu được đặt thành 1000 MPa. Các hằng số G , u và v được xác định bằng cách kết hợp Công thức (2) với Công thức (3) vào dữ liệu vết lõm dẻo thu được từ các phép tính FE, như minh họa trong hình 1. Lưu ý rằng định mức tải trọng tĩnh cho ổ trục được tôi cứng xuyên suốt được định nghĩa là áp suất tiếp xúc tương ứng với độ sâu vết lõm dẻo bề mặt là 10 -4 D w [6].
Độ lõm tiếp xúc hình elip [ δ / D w ] EC là kết quả của phép nội suy dựa trên tỷ lệ b / a giữa các giải pháp cho các điểm tiếp xúc và đường tiếp xúc:
Từ phân tích FE, chúng tôi khám phá phản ứng vật liệu liên quan đến ứng suất dư do tính dẻo gây ra. Khi ứng suất từ tải trọng tĩnh vượt quá giới hạn chảy của vật liệu lõi, dòng chảy dẻo xảy ra, dẫn đến hư hỏng vật liệu bên dưới bề mặt dưới dạng ứng suất dư. Hình 2a minh họa vùng ứng suất dư kéo trong vùng chuyển tiếp lõi-vỏ do ứng suất tiếp xúc cao. Một mẫu ứng suất dư tương đương đã được xác định trong các bộ phận được tôi cứng cảm ứng bề mặt chịu tác động của lực bi hoặc lực con lăn, như đã chứng minh trong một nghiên cứu trước đây [5]. Nghiên cứu đó cho thấy rằng trong điều kiện tải trọng SCF, ứng suất dư kéo có thể gây nứt hoặc tách lớp tại giao diện lõi và vỏ.
Biểu thức cho ứng suất kéo dư dưới bề mặt do tải tiếp xúc đứng, được thiết lập trước đó [5], chứng minh có thể áp dụng cho các thành phần được thấm cacbon:
trong đó σ y là giới hạn chảy của vật liệu lõi, σ vM là ứng suất von Mises tương đương ở độ sâu h c tính từ bề mặt hoặc độ sâu mà độ cứng bằng HV550. C 0 , C 1 và C 2 là các hằng số, có thể xác định bằng cách khớp Công thức (5) với kết quả FE. Điều quan trọng cần lưu ý là ứng suất von Mises ở đây được đánh giá bằng cách sử dụng lý thuyết Hertz về tiếp xúc đàn hồi, biểu diễn giải ứng suất theo giả định về độ đàn hồi tuyến tính. Hình 2b cho thấy ứng suất dư kéo theo hàm của ứng suất von Mises tương đương ở độ sâu h c tính từ bề mặt đối với tiếp xúc đường thẳng và tiếp xúc điểm. Ứng suất tới hạn, S c , có thể được đánh giá bằng cách sử dụng các nguyên tắc của cơ học gãy và phương pháp El Haddad [8] để xem xét các hiệu ứng vết nứt nhỏ, như đã trình bày chi tiết trong công trình trước đây của chúng tôi [5].
Thí nghiệm và xác minh mô hình
Các thử nghiệm SCF được tiến hành trên một mẫu phẳng làm bằng ASTM A534-18NiCrMo14-6. Hai mẫu đĩa được thấm cacbon sau đó làm cứng, tạo ra hai cấu hình độ cứng với độ sâu lớp vỏ lần lượt là 0,5 mm và 0,9 mm. Thử nghiệm SCF sử dụng một con lăn lõm có đường kính 10 mm và bán kính đỉnh là 98 mm, được làm bằng thép ASTM A295-52100 tôi cứng martensitic. Các máy đo ứng suất được gắn ngay bên ngoài khu vực lõm để theo dõi những thay đổi ứng suất trong quá trình thử nghiệm. Người ta đã xác định [4] rằng sự gia tăng đột ngột về ứng suất chỉ ra sự khởi đầu của một vết nứt bên trong vùng chuyển tiếp lớp vỏ-lõi, đóng vai trò là bằng chứng về sự hỏng hóc do nghiền lõi trong điều kiện tải trọng SCF đối với một thành phần được làm cứng bề mặt.
Hình 3a hiển thị các vết lõm dẻo được đo so với dự đoán của mô hình bằng cách sử dụng các phương trình (1) – (4), cho thấy sự phù hợp tốt giữa dự đoán và thử nghiệm.
Đối với tất cả các thử nghiệm trên cả hai đĩa ở các tải trọng khác nhau, không có dấu hiệu nào cho thấy sự phát triển vết nứt bên trong các vùng dưới bề mặt được quan sát thấy từ các tín hiệu của máy đo ứng suất. Cuộc điều tra kim loại học sau thử nghiệm đã xác nhận không có vết nứt bên trong các vùng dưới bề mặt của các đĩa được thử nghiệm. Hình 3b trình bày tất cả các thử nghiệm SCF được nhóm trong Đĩa số 1 và Đĩa số 2, tương ứng với hai độ sâu trường hợp. Tải trọng tới hạn để nghiền lõi, biểu thị sự khởi đầu của vết nứt bên dưới bề mặt, đã được tính toán và biểu thị trên Hình 3b. Dự đoán của mô hình được coi là hợp lý, vì hầu hết tất cả các điểm dữ liệu thực nghiệm, biểu thị không có sự nghiền lõi, đều nằm dưới các tải trọng tới hạn dự đoán. Điểm dữ liệu duy nhất cao hơn một chút so với tải trọng tới hạn dự đoán cho thấy dự đoán của mô hình thận trọng. Đáng chú ý là các thử nghiệm SCF trên cả hai đĩa đều liên quan đến các tải trọng cực kỳ cao về mặt áp suất tiếp xúc danh nghĩa. Ví dụ, tải trọng cao nhất trên Đĩa số 1 tương ứng với áp suất Hertzian là 7,1 GPa, trong khi áp suất tiếp xúc tối đa đối với Đĩa số 2 đạt 7,7 GPa. So với các thành phần được tôi cứng cảm ứng bề mặt [5], thép được thấm cacbon trong nghiên cứu này có vẻ ít bị nghiền lõi hơn, nhờ vào các đặc tính của nó.
Các thử nghiệm thụt tĩnh cũng được thực hiện trên bề mặt rãnh của ổ trục con lăn hình trụ (CRB). Mẫu thử nghiệm là một đoạn cắt từ vòng trong CRB được làm bằng thép ASTM A534-18NiCrMo14-6 được tôi và thấm cacbon. Các con lăn hình trụ được tôi xuyên có đường kính khác nhau được sử dụng làm vật thụt để có được các điều kiện tải với độ sâu vỏ tương đối khác nhau theo tỷ lệ h c / D w .
Hình 4 cho thấy các vết lõm dẻo cho hai độ sâu trường hợp tương đối, thu được từ phép đo và dự đoán bằng cách sử dụng các phương trình (1) – (4), tương ứng. Có thể thấy sự phù hợp khá tốt giữa thí nghiệm và dự đoán mô hình.
Lời kết
Tóm lại, nghiên cứu này đi sâu vào phản ứng vật liệu của các vòng đệm thấm cacbon vỏ dưới tải trọng SCF, sử dụng kết hợp các mô phỏng số và nghiên cứu thực nghiệm. Bằng cách tập trung vào vết lõm dẻo bề mặt và nghiền lõi dưới bề mặt, các mô hình dựa trên phần tử hữu hạn của chúng tôi đã dự đoán chính xác hư hỏng vật liệu và hành vi biến dạng. Xác thực thông qua các thử nghiệm SCF trên cả khối thấm cacbon và vòng trong của ổ trục con lăn hình trụ đã xác nhận độ tin cậy của mô hình. Công trình này không chỉ nâng cao hiểu biết mà còn cung cấp một phương pháp thực tế để đánh giá hiệu suất của ổ trục thấm cacbon vỏ trong điều kiện tiếp xúc đứng, với những hàm ý tiềm năng để tối ưu hóa thiết kế và độ bền trong các ứng dụng kỹ thuật.
 |
Ứng dụng SKF AuthenticateCó hai cách để kiểm tra tính xác thực bằng ứng dụng SKF Authenticate,
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.
|