Фрактографічне дослідження руйнування вала-шестерні зі сталі 34ХН1М
Loading...
Files
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків
Abstract
UKR: Метою даної дослідної роботи є встановлення причин та механізмів руйнування шестерні зі сталі 34ХН1М, надання рекомендацій щодо методів запобігання даного виду пошкодження виробу. Методика. Досліджували зруйновану в процесі експлуатації шестерню зі сталі 34ХН1М. Поверхню зламу дослідної сталі вивчали методом макроаналіза, та методом растрової електронної мікроскопії за допомогою мікроскопу РЕМ – 100У при збільшенні 1500-10000 разів. Мікроструктурний аналіз сталі марки 34ХН1М проводили на оптичному мікроскопі Neophot-21 при збільшенні 250; 300; 800 разів. Вимірювання мікротвердості проводили за стандартною методикою на мікротвердомірі ПМТ-3М при навантаженні 50 г. Результати. Проаналізовано причини та характер експлуатаційного руйнування шестерні, виготовленої зі сталі марки 34ХН1М. Визначений втомний характер руйнування. Встановлена незадовільна якість поверхні дослідного виробу: наявні раковини, пори, подряпини, сколи. Руйнування почалось в місці геометричного концентратору напружень (дефект поверхні - раковина) через викришування металу. Наукова новизна. Встановлені особливості руйнування деталі: на зламі спостерігається істотна відстань між втомними борознами свідчить про досить високу швидкість розповсюдження тріщини, втомні борозни мають слабовиражений, нерегулярний характер, що свідчить про обмежені можливості сталі валу-шестерні до пластичної деформації. Фрактографічна поверхня зони блискуча та складається з фасеток сколу, вкрита грубими рубцями, які віялоподібно розходяться від фокусу, має грубокристалічну будову, характерну для крихкого руйнування. Методом скануючої електронної мікроскопії підтвердили крихку природу зламу. В мікрорельєфі поверхні наявні фасетки сколу, мікротріщини та осередки міжзереного відколу. Виявлені неметалеві включення MnS, які є додатковими структурними концентраторами напружень. Мікротріщини зароджуються біля неметалевих включень; на межах колишніх аустенітних зерен, особливо в їх потрійних стиках; на межах поділу матриці і вторинних фаз. Встановлене підвищення мікротвердості з 2500 до 4750HV після нагріву до 840…860оС з наступним охолодженням на повітрі, що можна пояснити з ймовірним загартуванням дослідної сталі, яке поряд з підвищенням твердості зумовлює зниження пластичності сталі. Практична цінність. Рекомендовано використання сталі зі зниженим вмістом сірки, додаткової обробку поверхні деталі для запобігання утворення концентраторів напружень в місцях поверхневих несуцільностей, а також дотримання номінального температурного режиму для запобігання мимовільного загартування матеріалу виробу.
ENG: Goal. The purpose of this research work is to establish the causes and mechanisms of destruction of gear shaft made of 34CrNi1Mo steel, to provide recommendations to prevent this type of product damage. Methodology. The gear shaft made of 34CrNi1Mo steel destroyed during operation was studied. The fracture surface of the investigated steel was studied by macroanalysis and scanning electron microscopy using a SEM-100У microscope at a magnification of 1500-10000 times. Microstructural analysis of 34CrNi1Mo steel was carried out on Neophot-21 optical microscope at x250, 300; 800 magnification. Microhardness was measured according to the standard method on a PMT-3M microhardness tester at a 50 g loading. Results. The causes and nature of the operational destruction of the gear shaft made of steel grade 34CrNi1Mo were analyzed. The fatigue nature of fracture was determined. The unsatisfactory quality of the surface of the experimental product was established: shells, pores, scratches, chips were found on the surface. The destruction began in the place of the geometric stress concentrator (surface defect – shell) due to metal chipping. Originality. The features of the destruction of the gear shaft were determined: at the break, there is a significant distance between the fatigue grooves, which indicates a high crack propagation rate, the fatigue grooves are weakly expressed, irregular, which indicates the limited possibilities of steel to plastic deformation. The fractographic surface of the fracture is shiny and consists of cleavage facets, covered with coarse scars, fan-shaped diverge from the focus, has a coarse-grained structure, typical for brittle fracture. The brittle nature of the fracture was confirmed by scanning electron microscopy. The surface microrelief contains cleavage facets, microcracks, and intergranular spall cells. Non-metallic inclusions of MnS, which are additional structural stress concentrators, have been revealed. Microcracks originate near non-metallic inclusions; at the boundaries of former austenite grains, especially at their triple junctions; at the interface between matrix and secondary phases. An increase in microhardness from 2500 to 4750HV after heating to 840–860°C with subsequent cooling in air was established, which can be explained with the probable hardening of the experimental steel, which, along with an increase in hardness, leads to a decrease in steel ductility. Practical value. It is recommended to use steel with a low sulfur content, additional gear shaft surface treatment to prevent the formation of stress concentrators in places of surface discontinuities; compliance with the nominal temperature regime also prevents spontaneous hardening of the product material.
ENG: Goal. The purpose of this research work is to establish the causes and mechanisms of destruction of gear shaft made of 34CrNi1Mo steel, to provide recommendations to prevent this type of product damage. Methodology. The gear shaft made of 34CrNi1Mo steel destroyed during operation was studied. The fracture surface of the investigated steel was studied by macroanalysis and scanning electron microscopy using a SEM-100У microscope at a magnification of 1500-10000 times. Microstructural analysis of 34CrNi1Mo steel was carried out on Neophot-21 optical microscope at x250, 300; 800 magnification. Microhardness was measured according to the standard method on a PMT-3M microhardness tester at a 50 g loading. Results. The causes and nature of the operational destruction of the gear shaft made of steel grade 34CrNi1Mo were analyzed. The fatigue nature of fracture was determined. The unsatisfactory quality of the surface of the experimental product was established: shells, pores, scratches, chips were found on the surface. The destruction began in the place of the geometric stress concentrator (surface defect – shell) due to metal chipping. Originality. The features of the destruction of the gear shaft were determined: at the break, there is a significant distance between the fatigue grooves, which indicates a high crack propagation rate, the fatigue grooves are weakly expressed, irregular, which indicates the limited possibilities of steel to plastic deformation. The fractographic surface of the fracture is shiny and consists of cleavage facets, covered with coarse scars, fan-shaped diverge from the focus, has a coarse-grained structure, typical for brittle fracture. The brittle nature of the fracture was confirmed by scanning electron microscopy. The surface microrelief contains cleavage facets, microcracks, and intergranular spall cells. Non-metallic inclusions of MnS, which are additional structural stress concentrators, have been revealed. Microcracks originate near non-metallic inclusions; at the boundaries of former austenite grains, especially at their triple junctions; at the interface between matrix and secondary phases. An increase in microhardness from 2500 to 4750HV after heating to 840–860°C with subsequent cooling in air was established, which can be explained with the probable hardening of the experimental steel, which, along with an increase in hardness, leads to a decrease in steel ductility. Practical value. It is recommended to use steel with a low sulfur content, additional gear shaft surface treatment to prevent the formation of stress concentrators in places of surface discontinuities; compliance with the nominal temperature regime also prevents spontaneous hardening of the product material.
Description
О. Носко: ORCID 0000-0002-5749-7578; Н. Погребна: ORCID 0000-0002-3956-9590; А. Гребенєва: ORCID 0000-0003-3594-9497; О. Аюпов: ORCID 0000-0002-1414-0835
Keywords
вал-шестерня, сталь 34ХН1М, втома, злам, тріщина, руйнування, gear shaft, steel 34KhN1M, fatigue, fracture, crack, destruction, КМТОМ, КПМ і ЗМ
Citation
Носко О. А., Погребна Н. Е., Гребенєва А. В., Аюпова Т. А., Аюпов О. А. Фрактографічне дослідження руйнування вала-шестерні зі сталі 34ХН1М. Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 2023. Т. 1, № 103. С. 109–116. DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2023.103.0.109.