不同溫度下16Cr3NiWMoVNbE結(jié)構(gòu)鋼的低周疲勞行為

于慧臣，張仕朝，李 影

（航空材料檢測與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國家科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京航空材料研究院，北京100095）

0 引 言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比與功重比的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)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(jí)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，可用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)齒輪，該鋼具有良好的淬透性、高抗拉強(qiáng)度和高韌塑性。經(jīng)滲碳并淬火低溫回火后，表面具有很高的硬度，心部的強(qiáng)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(xiàn)有文獻(xiàn)［3-4］對16Cr3NiWMoVNbE 鋼的組織和性能進(jìn)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(shí)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(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)行為、應(yīng)變-壽命關(guān)系等，為16Cr3NiWMoVNbE 鋼在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用16Cr3NiWMoVNbE 結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分見文獻(xiàn)［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(jīng)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)按GB／T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》在EHF-EA10型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用軸向應(yīng)變控制，總應(yīng)變幅范圍為0.5%～1.0%，引伸計(jì)的標(biāo)距為12mm，引伸計(jì)通過石英刀口與試樣接觸測試標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變，載荷波形為三角波，試驗(yàn)溫度為25，100，200，300，350 ℃，應(yīng)變比R（最小應(yīng)變?chǔ)舖in與最大應(yīng)變?chǔ)舖ax之比）為-1，通過爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，溫度波動(dòng)控制在±2 ℃。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)完成，各試驗(yàn)均進(jìn)行至試樣斷裂為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出，不同溫度下，隨著總應(yīng)變幅的增大，材料的塑性變形增大，形成較大的穩(wěn)定滯后回線，當(dāng)總應(yīng)變幅減小時(shí)，滯后回線趨于一條直線；在相同的總應(yīng)變幅下，300 ℃時(shí)滯后回線的面積小于其他溫度的，這是由于300℃時(shí)發(fā)生循環(huán)硬化所致。

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

圖2 不同溫度和總應(yīng)變幅下16Cr3NiWMoVNbE鋼的滯后回線及循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)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(huán)應(yīng)力范圍；Δεt為循環(huán)應(yīng)變范圍；K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′為循環(huán)硬化指數(shù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線通過分析可以得到各溫度下16Cr3NiWMoVNbE 鋼的低周疲勞參數(shù)，結(jié)果見表2。

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

2.2 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

當(dāng)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線低于單調(diào)應(yīng)力-應(yīng)變曲線時(shí)，材料呈現(xiàn)循環(huán)軟化特性，反之呈循環(huán)硬化特性［7］。由 圖3 可 以 看 出，16Cr3NiWMoVNbE 鋼 在不高于200 ℃條件下呈現(xiàn)循環(huán)軟化的特性，而在300 ℃時(shí)呈現(xiàn)循環(huán)硬化的特征。

2.3 應(yīng)變-壽命關(guān)系

傅惠民［8］在 對 大 量 的 應(yīng) 變-壽 命（Δεt-Nf）曲 線試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究后提出了三參數(shù)冪函數(shù)方程：

式中：Δε0，m，c均為待定常數(shù)。

利用三參數(shù)冪函數(shù)公式對16Cr3NiWMoVNbE鋼在25，100，200，300，350 ℃溫度下的低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析處理，得到了不同溫度下的應(yīng)變-壽命曲線，如圖4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)變-壽命曲線有很好的一致性。

由圖5中可以看出，200 ℃時(shí)三參數(shù)冪函數(shù)模型對試樣的試驗(yàn)壽命預(yù)測點(diǎn)基本都落在2倍安全因子規(guī)定的分散帶內(nèi)；在25，100，300，350 ℃時(shí)，在短壽命段，三參數(shù)冪函數(shù)模型預(yù)測的結(jié)果較好，在長壽命段各有1個(gè)點(diǎn)分布在2倍分散帶外，疲勞試驗(yàn)的分散性增大。總體來說三參數(shù)冪函數(shù)模型能準(zhǔn)確地預(yù)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(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單調(diào)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Cyclic and monotonic stress-strain curves of 16Cr3NiWMoVNbE steel at different temperatures

圖4 三參數(shù)冪函數(shù)公式得到的不同溫度下應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線Fig.4 Strain-life curves of LCF gained by three-parameter power function at different temperatures

圖5 三參數(shù)冪函數(shù)模型壽命預(yù)測結(jié)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(yīng)變幅的大小，而且與溫度密切相關(guān)。總體來說，加載應(yīng)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(shí)所需要的能量是一定的。循環(huán)滯后回線的面積代表材料塑性變形時(shí)所作的功，即塑性應(yīng)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(huán)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(shí)間即疲勞壽命越短［9］。由圖6可見，在加載總應(yīng)變范圍內(nèi)，材料的疲勞壽命隨溫度的升高而降低，原因通常是和時(shí)間相關(guān)的損傷有關(guān)。一般在高溫時(shí)，與時(shí)間相關(guān)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?yàn)樗涌炝舜┚土鸭y萌生和擴(kuò)展的速率。

3 結(jié) 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(yàn)鋼在溫度不高于200 ℃時(shí)，表現(xiàn)出循環(huán)軟化的現(xiàn)象，而在300℃時(shí)，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象。

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

（3）三參數(shù)冪函數(shù)模型對試驗(yàn)鋼在不同溫度下的低周疲勞壽命有很好的預(yù)測能力。

［1］滕佰秋，常春江.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用新材料—16Cr3NiWMoVNbE齒輪鋼［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2003，29（2）：34-37.

［2］湯萬昌.我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪材料的現(xiàn)狀［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2003，23（增l）：283-283.

［3］邵淑艷.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用滲碳齒輪鋼16Cr3NiWMoVNbE 生產(chǎn)工藝及性能的研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，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(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)手冊》編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)手冊（第四冊）［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2010：501.

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

［7］王拴柱.金屬疲勞［M］.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，1985：60-61.

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

［9］謝濟(jì)洲.低循環(huán)疲勞手冊［R］.北京：北京航空材料研究院，1991：1-32.