La llave dinamométrica se utiliza principalmente para apretar tornillos, y su par de aplicación es generalmente 20%~90% del par de apriete, que es continuamente ajustable.
Al utilizarlo, fije primero el par objetivo y tire de la empuñadura.
Cuando el par de apriete alcanza el valor objetivo, la llave presenta una ligera vibración y un claro "castañeteo".
Después de utilizar una llave dinamométrica durante 3 meses, se rompió la biela entre el cabezal y el mango.
Para averiguar la causa de la fractura, los investigadores realizaron una serie de inspecciones y análisis físicos y químicos, y mejoraron su proceso de tratamiento térmico para evitar que se repitieran estos problemas.
La llave dinamométrica tiene una longitud de 1180 mm y un par de 1200 N - m.
La fractura se produjo en la conexión entre la cabeza y el mango, como se muestra en la Fig. 1a).
Al estar cerca de la cabeza de la llave, la tensión aquí es grande.
Fig. 1b) es una biela instalada en el interior de la llave, que se utiliza principalmente para conectar el cabezal y el mango, con un diámetro de 16 mm y una longitud de 350 mm.
La Fig. 1c) muestra la macromorfología de la superficie de fractura de la llave dinamométrica, que se divide en tres zonas:
La zona I es la zona de origen de la grieta, situada en el borde de la fractura, y representa 1%~2% del área de fractura;
La zona II es la zona de expansión por fatiga, que tiene forma de media luna de color blanco brillante, con estrías de fatiga evidentes, y representa 8%~10% del área de fractura;
La zona III es una zona de fractura transitoria de color gris y bordes de desgarro evidentes, que representa aproximadamente 90% del área de fractura.
Se puede observar que la biela soporta una gran fuerza cuando se rompe, lo que pertenece al ciclo bajo de alta tensión. fractura por fatiga.
Fig. 1 Localización de la fractura de la llave, biela y macromorfología de la fractura
La biela está hecha de 40Cr acero aleado. Se toma una muestra cilíndrica con un tamaño de ϕ16mm×12mm cerca de la superficie de fractura.
Tras ser rectificada plana con una amoladora y pulida con una rectificadora, la composición química de la biela se analiza con un espectrómetro de lectura directa.
Se ha comprobado que su composición química cumple los requisitos técnicos de 40Cr acero aleado en Aceros estructurales aleados (GB/T 3077-2015).
La dureza de la biela después de temple y revenido El tratamiento térmico es de 22~26HRC.
Se corta de la biela una sección de la muestra con un tamaño de ϕ10mm×5mm.
La propiedad de tracción se mide con una máquina universal de ensayo de materiales, y la dureza con un durómetro Rockwell. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
La resistencia a la tracción, límite elásticoy el alargamiento de la biela no cumplen los requisitos técnicos.
Tabla 1 Resultados de las pruebas de propiedades mecánicas de la biela
| Índice de rendimiento | Resistencia a la tracción/MPa | Límite elástico/MPa | Alargamiento tras fractura/% | Dureza/HRC |
| Valor estándar | ≥960 | ≥780 | ≥11 | 22~26 |
| Valores medidos | 870 | 724 | 7.5 | 24 |
Cortar la muestra cerca de la fractura de la biela, corroerla con etanol de ácido nítrico y observarla al microscopio.
Se puede observar en la Fig. 2 que la estructura gris oscura es sorbita revenida transformada a partir de martensita tras el revenido a alta temperatura, y que la ferrita reticular y la ferrita acicular se distribuyen en paralelo en el límite de grano de la matriz. austenita.
En estructura widmanstatten se distribuye en el grano en forma de triángulo invertido.
La ferrita en la estructura widmanstatten se precipita a lo largo del plano habitual de padre austenitay el índice del plano cristalino del plano habitual es {11 1} γ.
Bajo la condición de enfriamiento por enfriamiento, cuando la temperatura desciende hasta la línea Ac3, para mantener la estabilidad de la estructura, la ferrita sobrante se "descargará" de la solución sólida al entorno, formando así una ferrita en red, que es una característica típica de transformación a alta temperatura.
Cuanto más lenta sea la velocidad de enfriamiento, más fácil será la formación de la estructura de ferrita de red y Widmanstatten.
La biela sufre una transformación a alta temperatura durante el proceso de enfriamiento, lo que indica que su proceso de tratamiento térmico no es razonable.
Fig. 2 Microestructura de la fractura de la biela
La Fig. 3a) muestra la morfología microscópica de la zona inicial de la fractura.
La zona inicial está situada en el borde de la fractura. Hay evidentes líneas circulares concéntricas de bainita cerca del origen de la grieta.
Se trata de una característica típica del crecimiento por fatiga, lo que indica que la forma de fractura pertenece a la fisuración por fatiga. El análisis del espectro de energía se realiza en la caja de la Fig. 3a), como se muestra en la Fig. 3d).
Los picos de difracción de Fe, Cr, Mn y O son relativamente obvios, lo que indica que el origen de la grieta no está causado por inclusiones.
La Fig. 3b) muestra la morfología microscópica de la zona de expansión, y la estría de fatiga es estrecha, lo que indica que la tensión es pequeña durante la expansión.
La Fig. 3c) muestra la micromorfología de la zona de fractura transitoria, con muchos hoyuelos ovalados, lo que indica que la biela se fracturó finalmente por tracción.
Fig. 3 Micromorfología en diferentes posiciones de la superficie de fractura de biela y Espectro EDS del área de la caja en la Fig. 3a
Mediante el análisis de la superficie de fractura de la biela, se observa que la superficie de fractura pertenece a superficie de fractura por fatigaSin embargo, su resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento no cumplen los requisitos técnicos.
De la observación de la microestructura se desprende que la microestructura en la fractura es de ferrita reticulada y widmanstatten, lo que indica que la temperatura es alta durante la proceso de temple y revenido, y la austenita de la biela tiene una fuerte estabilidad, lo que conduce a la formación de widmanstatten.
En segundo lugar, el tiempo de retención de las piezas desde el horno de tratamiento térmico hasta el medio de enfriamiento es largo, lo que provoca la precipitación de ferrita en el límite de grano y la formación de una red, que reduce la resistencia y la energía de interfaz del límite de grano, aumentando así la fragilidad del material.
Bajo la acción de una fuerza externa, la grieta se inicia y se extiende hasta el límite del grano, donde la dureza de la ferrita es baja, y el límite del grano se convierte en el canal de propagación de la grieta.
Por lo tanto, es necesario mejorar el proceso de tratamiento térmico de la biela.
Las medidas para mejorar el proceso de tratamiento térmico de las bielas son:
(1) La temperatura de enfriamiento se reduce de 880 ℃ a 830 ℃.
La temperatura de enfriamiento inferior puede aumentar la falta de homogeneidad de la composición de la microzona de austenita, reducir la estabilidad térmica de la austenita, reducir la probabilidad de que la transformación a alta temperatura de la austenita se descomponga en ferrita acicular y promover la transformación temprana de la austenita en la microzona;
(2) Acortando el tiempo de mantenimiento se puede evitar el crecimiento de grano de austenita y la superficie descarburización a alta temperatura;
(3) En el proceso de tratamiento térmico original, después de calentar la biela en una hilera compacta en el horno de vagoneta, es necesario enfriarla después de cargarla en la cesta.
El tiempo de transferencia es de unos 180 s.
Después de la mejora, la biela se dispersa y se calienta en el horno de cinta de malla, que puede entrar rápidamente en el medio de temple.
El tiempo de transferencia es de unos 8 s. Acortar el tiempo de transferencia puede inhibir la precipitación de la ferrita de malla, promover que la estructura austenítica entre rápidamente en la zona de transformación a baja temperatura y producir así la transformación martensítica a baja temperatura;
(4) La biela es delgada y larga, la tensión después del enfriamiento es relativamente uniforme, y no es fácil que se agriete.
El medio de enfriamiento original es ordinario aceite de temple, la velocidad de enfriamiento del aceite es baja dentro del rango de 550~650 ℃, y la velocidad media de enfriamiento es de sólo 60~100 ℃/s.
El intervalo de temperatura está en la "nariz" de la transformación continua Curva Cque requiere un enfriamiento rápido.
Después de utilizar la solución de PAG (polialquilenglicol) 12% (fracción de masa), se acelera la velocidad de enfriamiento.
La transformación de la temperatura media en este rango de temperatura puede reducirse, de modo que una baja temperatura más ideal estructura martensítica y se puede obtener una mayor profundidad de capa endurecida.
Tabla 2 Comparación de los parámetros del proceso de tratamiento térmico antes y después de la mejora
| Parámetros del proceso | temperatura de enfriamiento/℃ | Tiempo de mantenimiento/min | Tiempo de transferencia | Temperatura de templado/℃ | Medio de enfriamiento |
| Proceso original | 880 | 60 | 180 | 560 | aceite de temple convencional |
| Mejora del proceso | 830 | 50 | 10 | 560 | 12% Solución PAG |
El proceso mejorado se utilizó para tratar térmicamente la biela y se probaron sus propiedades mecánicas.
La resistencia a la tracción era de 1054MPa, el límite elástico de 880MPa, el alargamiento de 12% y la dureza de 23HRC, todo lo cual cumplía los requisitos técnicos.
La microestructura tras el tratamiento térmico se muestra en la Fig. 4.
No hay ferrita reticular, estructura Widmanstatten ni ferrita masiva, y la estructura es uniforme y estable.
Tras un tratamiento térmico mejorado, la biela ha estado en servicio 18 meses sin fracturarse.
Fig. 4 Microestructura de la biela tras el tratamiento térmico de proceso mejorado
(1) La dureza de la biela es cualificada, y la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento no cumplen los requisitos técnicos;
La microestructura es sorbita templada+ferrita reticulada+widmanstatten.
La fractura pertenece a la fractura por fatiga. La grieta se origina en la superficie exterior de la biela, y no hay ninguna inclusión en el origen de la grieta.
(2) La razón de la fractura de la biela es que el proceso de tratamiento térmico de la biela no es cualificado, lo que provoca sus bajas propiedades mecánicas.
El proceso de tratamiento térmico se mejora reduciendo la temperatura de enfriamiento rápido, acortando el tiempo de mantenimiento y el tiempo de transferencia, y aumentando la velocidad de enfriamiento rápido.
(3) Tras el tratamiento térmico de proceso mejorado, las propiedades mecánicas y la microestructura de la biela cumplen los requisitos técnicos, y la biela no se ha roto tras 18 meses de servicio.
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