不同溫度下16Cr3NiWMoVNbE結構鋼的低周疲勞行為

于慧臣，張仕朝，李 影

（航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，先進高溫結構材料國家科技重點實驗室，北京航空材料研究院，北京100095）

0 引 言

隨著航空發動機推重比與功重比的不斷提高，發動機齒輪所傳遞的功率和速度不斷增大，齒輪嚙合表面的工作溫度也相應提高，這對齒輪的制造材料提出了更為苛刻的要求。16Cr3NiWMoVNbE 鋼屬于特級優質結構鋼，可用于制造航空發動機的傳動齒輪，該鋼具有良好的淬透性、高抗拉強度和高韌塑性。經滲碳并淬火低溫回火后，表面具有很高的硬度，心部的強度、韌性和塑性配合良好，具有很好的鍛造和切削加工性能，可在300 ℃以下長期工作［1-2］。

現有文獻［3-4］對16Cr3NiWMoVNbE 鋼的組織和性能進行了較充分的研究，但對其在使用工況條件下的疲勞性能研究還不夠充分，所以，作者針對該鋼的實際使用溫度，研究了其在不同溫度下的低周疲勞性能，并分析了其循環應力-應變響應行為、應變-壽命關系等，為16Cr3NiWMoVNbE 鋼在航空發動機上的應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用16Cr3NiWMoVNbE 結構鋼的化學成分見文獻［5］。將坯料軋制成φ25mm 的鋼棒，參考圖1試樣尺寸粗加工成試樣毛坯，再經900 ℃淬火，保溫15min，油冷，300℃回火，保溫3h，空冷熱處理。熱處理后的試樣毛坯按圖1加工成低周疲勞試樣進行試驗。試驗鋼的拉伸性能如表1所示。

表1 16Cr3NiWMoVNbE鋼的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of 16Cr3NiWMoVNbE steel

圖1 低周疲勞試樣尺寸Fig.1 Dimesion of specimen for low cycle fatigue test

低周疲勞試驗按GB／T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》在EHF-EA10型液壓伺服疲勞試驗機上進行。試驗采用軸向應變控制，總應變幅范圍為0.5%～1.0%，引伸計的標距為12mm，引伸計通過石英刀口與試樣接觸測試標距內的應變，載荷波形為三角波，試驗溫度為25，100，200，300，350 ℃，應變比R（最小應變εmin與最大應變εmax之比）為-1，通過爐內電阻絲輻射加熱試樣，溫度波動控制在±2 ℃。試驗數據的采集由計算機完成，各試驗均進行至試樣斷裂為止。

2 試驗結果與討論

2.1 循環應力-應變曲線

由圖2可以看出，不同溫度下，隨著總應變幅的增大，材料的塑性變形增大，形成較大的穩定滯后回線，當總應變幅減小時，滯后回線趨于一條直線；在相同的總應變幅下，300 ℃時滯后回線的面積小于其他溫度的，這是由于300℃時發生循環硬化所致。

材料的循環應力-應變性能反映了材料在低周疲勞條件下的真實應力-應變特性，通常用循環應力-應變曲線來表示，循環應力-應變曲線是在不同總應變范圍內得到的一系列穩定滯后回線頂點的軌跡，圖2中16Cr3NiWMoVNbE 鋼在不同溫度下的循環應力-應變曲線，可用式（1）來表達［6］。

圖2 不同溫度和總應變幅下16Cr3NiWMoVNbE鋼的滯后回線及循環應力-應變曲線Fig.2 Hysteresis loops and cyclic stress-strain curves of 16Cr3NiWMoVNbE steel under different total strain amplitudes at different temperatures

式中：Δσt為循環應力范圍；Δεt為循環應變范圍；K′為循環強度系數；n′為循環硬化指數。

由試驗數據擬合得到的循環應力-應變曲線通過分析可以得到各溫度下16Cr3NiWMoVNbE 鋼的低周疲勞參數，結果見表2。

表2 16Cr3NiWMoVNbE鋼的低周疲勞參數Tab.2 Low cycle fatigue parameters of 16Cr3NiWMoVNbE steel

2.2 循環應力響應行為

當循環應力-應變曲線低于單調應力-應變曲線時，材料呈現循環軟化特性，反之呈循環硬化特性［7］。由 圖3 可 以 看 出，16Cr3NiWMoVNbE 鋼 在不高于200 ℃條件下呈現循環軟化的特性，而在300 ℃時呈現循環硬化的特征。

2.3 應變-壽命關系

傅惠民［8］在 對 大 量 的 應 變-壽 命（Δεt-Nf）曲 線試驗數據進行分析和研究后提出了三參數冪函數方程：

式中：Δε0，m，c均為待定常數。

利用三參數冪函數公式對16Cr3NiWMoVNbE鋼在25，100，200，300，350 ℃溫度下的低周疲勞試驗數據進行非線性回歸分析處理，得到了不同溫度下的應變-壽命曲線，如圖4所示，試驗數據與應變-壽命曲線有很好的一致性。

由圖5中可以看出，200 ℃時三參數冪函數模型對試樣的試驗壽命預測點基本都落在2倍安全因子規定的分散帶內；在25，100，300，350 ℃時，在短壽命段，三參數冪函數模型預測的結果較好，在長壽命段各有1個點分布在2倍分散帶外，疲勞試驗的分散性增大。總體來說三參數冪函數模型能準確地預測16Cr3NiWMoVNbE 鋼在不同溫度下的低周疲勞壽命。

2.4 溫度對疲勞壽命的影響

圖3 16Cr3NiWMoVNbE鋼在不同溫度下的循環應力-應變曲線與單調應力-應變曲線Fig.3 Cyclic and monotonic stress-strain curves of 16Cr3NiWMoVNbE steel at different temperatures

圖4 三參數冪函數公式得到的不同溫度下應變-壽命關系曲線Fig.4 Strain-life curves of LCF gained by three-parameter power function at different temperatures

圖5 三參數冪函數模型壽命預測結果Fig.5 Life prediction result by three-parameter power function

材料的低周疲勞壽命不僅取決于外加總應變幅的大小，而且與溫度密切相關。總體來說，加載應變幅值越大，疲勞壽命越短。從能量的角度來說，材料低周疲勞破壞時所需要的能量是一定的。循環滯后回線的面積代表材料塑性變形時所作的功，即塑性應變能，其寬窄或大小說明材料抗塑性變形能力的高低。滯后回線的面積是每次循環所做功或能量的損失。在材料疲勞破壞所需的能量一定的情況下，滯后回線的面積越大，材料疲勞破壞所需的時間即疲勞壽命越短［9］。由圖6可見，在加載總應變范圍內，材料的疲勞壽命隨溫度的升高而降低，原因通常是和時間相關的損傷有關。一般在高溫時，與時間相關的損傷主要有兩種，即蠕變與氧化。前者斷口一般呈沿晶斷裂的特征，后者是因為它加快了穿晶型裂紋萌生和擴展的速率。

3 結 論

圖6 溫度對疲勞壽命的影響Fig.6 The influence of temperature on fatigue life

（1）試驗鋼在溫度不高于200 ℃時，表現出循環軟化的現象，而在300℃時，表現出明顯的循環硬化現象。

（2）加載應變幅值越大，試驗鋼的疲勞壽命越低；在加載總應變范圍內，壽命隨溫度的升高而降低。

（3）三參數冪函數模型對試驗鋼在不同溫度下的低周疲勞壽命有很好的預測能力。

［1］滕佰秋，常春江.航空發動機用新材料—16Cr3NiWMoVNbE齒輪鋼［J］.航空發動機，2003，29（2）：34-37.

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［3］邵淑艷.航空發動機用滲碳齒輪鋼16Cr3NiWMoVNbE 生產工藝及性能的研究［D］.沈陽：東北大學，2006.

［4］張文帥，周賢良，李暉榕，等.新型16Cr3NiWMoVNbE 齒輪鋼滲碳工藝與性能研究［J］.熱加工工藝，2010，39（24）：216-218.

［5］《航空發動機設計用材料數據手冊》編委會.航空發動機設計用材料數據手冊（第四冊）［M］.北京：航空工業出版社，2010：501.

［6］SUREST S.材料的疲勞［M］.王中光，譯.北京：國防工業出版社，1999.

［7］王拴柱.金屬疲勞［M］.福州：福建科學技術出版社，1985：60-61.

［8］傅惠民.ε-N 曲線三參數冪函數公式［J］.航空學報，1993，14（3）：173-176.

［9］謝濟洲.低循環疲勞手冊［R］.北京：北京航空材料研究院，1991：1-32.