我國用于制造航空發(fā)動機齒輪的材料大致分為滲碳鋼和滲氮鋼兩種。滲碳鋼主要有：12CrNi3A，12Cr2NiA，14CrMnSiNi2MoA，18Cr2Ni4WA，20CrNi3A，16Ni3CrMoE，16Cr3NiWMoVNbE，16CrNi4MoA和18CrNi4A。其中后四種鋼是按國外牌號仿制的。滲氮鋼主要有：30Cr3MoA，32Cr3MoVA，35CrNi4MoA，38CrMoAlA等。
16Cr3NiWMoVNbE鋼屬于特級優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，可用于制造航空發(fā)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(jīng)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。
試驗所用16Cr3NiWMoVNbE結(jié)構(gòu)鋼的化學成分見表1，來源《航空發(fā)動機設(shè)計用材料數(shù)據(jù)手冊》。
表1 16Cr3NiWMoVNbE鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)
| Si | Ni | Cr | W | V | Mo | Nb | Ce | S | P | Cu | Fe |
| 0.6~ | 1.0~ | 2.6~ | 1.0~ | 0.35~ | 0.4~ | 0.1~ | 0.01 | ≤ | ≤ | ≤ | 余量 |
| 0.9 | 1.5 | 3 | 1.4 | 0.55 | 0.6 | 0.2 | ~0.2 | 0.01 | 0.015 | 0.2 |
將坯料軋制成Φ25mm的鋼棒，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加工成低周疲勞試樣進行試驗。試驗鋼的拉伸性能見表1。低周疲勞試驗按GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)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(yīng)變控制，總應(yīng)變幅（1/2Δεt）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(nèi)的應(yīng)變，載荷波形為三角波，試驗溫度為25、100、200、300、350℃，應(yīng)變比R（最小應(yīng)變εmin與最大應(yīng)變εmax之比）為-1，通過爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，溫度波動控制在±2℃。研究了不同溫度下該結(jié)構(gòu)鋼的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)、疲勞周明和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為。
表2 16Cr3NiWMoVNbE鋼的拉伸性能
| 溫度/℃ | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ5/% | Ψ/% |
| 25 | 1400 | 1190 | 14 | 62 |
| 200 | 1460 | 1110 | 11 | 56 |
| 300 | 1460 | 1050 | 15 | 56 |
結(jié)果表明：試驗鋼在溫度不高于200℃時，表現(xiàn)出循環(huán)軟化的現(xiàn)象，而在300℃時，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象；加載應(yīng)變幅值越大，試驗鋼的疲勞壽命越低；在加載總應(yīng)變范圍內(nèi)，壽命隨溫度的升高而降低；利用三參數(shù)冪函數(shù)公式能較好地表征不同溫度下的應(yīng)變-壽命關(guān)系，為16Cr3NiWMoVNbE鋼在航空發(fā)動機上的應(yīng)用提供依據(jù)。
