不同温度下16Cr3NiWMoVNbE结构钢的低周疲劳行为

2014-12-11于慧臣张仕朝

机械工程材料 2014年2期

于慧臣，张仕朝，李影

（航空材料检测与评价北京市重点实验室，先进高温结构材料国家科技重点实验室，北京航空材料研究院，北京100095）

0 引言

随着航空发动机推重比与功重比的不断提高，发动机齿轮所传递的功率和速度不断增大，齿轮啮合表面的工作温度也相应提高，这对齿轮的制造材料提出了更为苛刻的要求。16Cr3NiWMoVNbE 钢属于特级优质结构钢，可用于制造航空发动机的传动齿轮，该钢具有良好的淬透性、高抗拉强度和高韧塑性。经渗碳并淬火低温回火后，表面具有很高的硬度，心部的强度、韧性和塑性配合良好，具有很好的锻造和切削加工性能，可在300 ℃以下长期工作［1-2］。

现有文献［3-4］对16Cr3NiWMoVNbE 钢的组织和性能进行了较充分的研究，但对其在使用工况条件下的疲劳性能研究还不够充分，所以，作者针对该钢的实际使用温度，研究了其在不同温度下的低周疲劳性能，并分析了其循环应力-应变响应行为、应变-寿命关系等，为16Cr3NiWMoVNbE 钢在航空发动机上的应用提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验所用16Cr3NiWMoVNbE 结构钢的化学成分见文献［5］。将坯料轧制成φ25mm 的钢棒，参考图1试样尺寸粗加工成试样毛坯，再经900 ℃淬火，保温15min，油冷，300℃回火，保温3h，空冷热处理。热处理后的试样毛坯按图1加工成低周疲劳试样进行试验。试验钢的拉伸性能如表1所示。

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

图1 低周疲劳试样尺寸Fig.1 Dimesion of specimen for low cycle fatigue test

低周疲劳试验按GB／T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》在EHF-EA10型液压伺服疲劳试验机上进行。试验采用轴向应变控制，总应变幅范围为0.5%～1.0%，引伸计的标距为12mm，引伸计通过石英刀口与试样接触测试标距内的应变，载荷波形为三角波，试验温度为25，100，200，300，350 ℃，应变比R（最小应变εmin与最大应变εmax之比）为-1，通过炉内电阻丝辐射加热试样，温度波动控制在±2 ℃。试验数据的采集由计算机完成，各试验均进行至试样断裂为止。

2 试验结果与讨论

2.1 循环应力-应变曲线

由图2可以看出，不同温度下，随着总应变幅的增大，材料的塑性变形增大，形成较大的稳定滞后回线，当总应变幅减小时，滞后回线趋于一条直线；在相同的总应变幅下，300 ℃时滞后回线的面积小于其他温度的，这是由于300℃时发生循环硬化所致。

材料的循环应力-应变性能反映了材料在低周疲劳条件下的真实应力-应变特性，通常用循环应力-应变曲线来表示，循环应力-应变曲线是在不同总应变范围内得到的一系列稳定滞后回线顶点的轨迹，图2中16Cr3NiWMoVNbE 钢在不同温度下的循环应力-应变曲线，可用式（1）来表达［6］。

图2 不同温度和总应变幅下16Cr3NiWMoVNbE钢的滞后回线及循环应力-应变曲线Fig.2 Hysteresis loops and cyclic stress-strain curves of 16Cr3NiWMoVNbE steel under different total strain amplitudes at different temperatures

式中：Δσt为循环应力范围；Δεt为循环应变范围；K′为循环强度系数；n′为循环硬化指数。

由试验数据拟合得到的循环应力-应变曲线通过分析可以得到各温度下16Cr3NiWMoVNbE 钢的低周疲劳参数，结果见表2。

表2 16Cr3NiWMoVNbE钢的低周疲劳参数Tab.2 Low cycle fatigue parameters of 16Cr3NiWMoVNbE steel

2.2 循环应力响应行为

当循环应力-应变曲线低于单调应力-应变曲线时，材料呈现循环软化特性，反之呈循环硬化特性［7］。由图3 可以看出，16Cr3NiWMoVNbE 钢在不高于200 ℃条件下呈现循环软化的特性，而在300 ℃时呈现循环硬化的特征。

2.3 应变-寿命关系

傅惠民［8］在对大量的应变-寿命（Δεt-Nf）曲线试验数据进行分析和研究后提出了三参数幂函数方程：

式中：Δε0，m，c均为待定常数。

利用三参数幂函数公式对16Cr3NiWMoVNbE钢在25，100，200，300，350 ℃温度下的低周疲劳试验数据进行非线性回归分析处理，得到了不同温度下的应变-寿命曲线，如图4所示，试验数据与应变-寿命曲线有很好的一致性。

由图5中可以看出，200 ℃时三参数幂函数模型对试样的试验寿命预测点基本都落在2倍安全因子规定的分散带内；在25，100，300，350 ℃时，在短寿命段，三参数幂函数模型预测的结果较好，在长寿命段各有1个点分布在2倍分散带外，疲劳试验的分散性增大。总体来说三参数幂函数模型能准确地预测16Cr3NiWMoVNbE 钢在不同温度下的低周疲劳寿命。

2.4 温度对疲劳寿命的影响

图3 16Cr3NiWMoVNbE钢在不同温度下的循环应力-应变曲线与单调应力-应变曲线Fig.3 Cyclic and monotonic stress-strain curves of 16Cr3NiWMoVNbE steel at different temperatures

图4 三参数幂函数公式得到的不同温度下应变-寿命关系曲线Fig.4 Strain-life curves of LCF gained by three-parameter power function at different temperatures

图5 三参数幂函数模型寿命预测结果Fig.5 Life prediction result by three-parameter power function

材料的低周疲劳寿命不仅取决于外加总应变幅的大小，而且与温度密切相关。总体来说，加载应变幅值越大，疲劳寿命越短。从能量的角度来说，材料低周疲劳破坏时所需要的能量是一定的。循环滞后回线的面积代表材料塑性变形时所作的功，即塑性应变能，其宽窄或大小说明材料抗塑性变形能力的高低。滞后回线的面积是每次循环所做功或能量的损失。在材料疲劳破坏所需的能量一定的情况下，滞后回线的面积越大，材料疲劳破坏所需的时间即疲劳寿命越短［9］。由图6可见，在加载总应变范围内，材料的疲劳寿命随温度的升高而降低，原因通常是和时间相关的损伤有关。一般在高温时，与时间相关的损伤主要有两种，即蠕变与氧化。前者断口一般呈沿晶断裂的特征，后者是因为它加快了穿晶型裂纹萌生和扩展的速率。