1李海宏 张博 2宋玉生
1中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 2 哈尔滨东安实业发展有限公司
摘 要：通过16Cr3NiWMoVNbE材料棒材状态、锻件状态经不同回火热处理后强度及断裂韧性的研究表明：16Cr3NiWMoVNbE材料在棒材状态、锻件状态下其断裂韧性都高于60 MPa.m1/2，与目前常用齿轮钢的断裂韧性基本相当；在不同回火温度下，其断裂韧性的的变化趋势不明显；锻件状态、棒材状态试样经模拟渗碳热处理后，抗拉强度和断裂韧性都有下降的趋势。
关键词：断裂韧性、回火温度、渗碳、屈服强度
1 前言
1.1 产品应用及存在问题
16Cr3NiWMoVNbE钢属于特级优质钢，是仿前苏联16ХЗНВМФБ钢研制出的一种合金化程度较高的结构钢，属热强钢系[1]。该钢为我国仿制俄罗斯材料牌号的航空齿轮材料的代表。该钢中含有W、Mo、V等元素，这些元素可形成细小的碳化物，提高钢的强度。该钢适用于制造工作温度在350℃以下的重要承载齿轮和其他在接触和弯曲载荷条件下工作的零件，不仅可以渗碳处理，也可以氮化处理。
针对该材料齿轮零件渗碳后主要采用200℃回火，但随着产品性能及齿轮啮合温度的提高，要求该材料具有较高的回火温度，即提高齿轮零件的使用温度。经过大量实验已将该材料渗碳后回火温度提高到300℃，经检测其性能均满足产品技术指标要求。但该材料不同回火温度下的断裂韧性的数据一直未进行过统计分析和研究，对零件使用寿命的影响程度没有数据可查询。
因此本项研究主要针对该材料不同回火温度下的断裂韧性开展相关研究和分析。
1.2 材料的断裂韧性
断裂韧性（KIC）是试样或构件中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，即发生所谓不稳定断裂时，材料显示的阻抗值。是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数，它和裂纹本身的大小、形状和外加应力大小无关，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。影响断裂韧性的高低，有外部因素也有内部因素。
外部因素主要有构件截面尺寸、服役条件下的温度和应变速率等。内部因素主要有材料成分、内部组织。作为材料成分与内部组织因素的综合，材料强度是一宏观表现。从力学上而不是冶金学的角度，总是首先从材料的强度变化出发来探讨断裂韧性的高低。
2 实施方案
2.1 实验材料
实验采用国产16Cr3NiWMoVNbE钢材料，直径为150mm，其化学成分见表1。
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3 检测结果及分析
3.1 不同回火温度对强度性能的影响
热处理主要取决于淬火和回火温度及保温时间，对于同样的原材料而言，在淬火参数一致的情况下，回火温度对材料的强度和硬度起决定作用。
本实验是在固溶温度及时间都选定的情况下对棒材、同批锻件开展的研究工作，因此在固溶温度选定的情况下，其回火温度对材料的强度及硬度起到了决定性的作用。
根据表2方案，试样热处理后的性能检测结果见表3。从数据分析可以看出，同一热处理状态下，锻造后试样的抗拉强度普遍高于棒材的抗拉强度（见图2），延伸率和断面收缩率相差不大。
锻件经过锻制，一般内部结构更好，缺陷更少,尤其是大尺寸棒材,经锻造内部组织更加细化、均匀性好，所以锻件性能一般较棒材有一定提升。
表3 性能检测结果
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其中B为试样厚度、a为裂纹长度、w-a为韧带尺寸，如果材料的形状不能同时满足上述公式的要求，则不能按照本方法进行有效的KIC测定。
本项研究采用的断裂韧性的厚度尺寸为35mm,每个同炉试样的屈服强度见表3。表3中250℃锻造后断裂韧性试样因尺寸问题，仅有一个试样符合要求。所有试样送621所进行检测，检测结果见表4。
为避免数据分析对结果的分析影响，对表4中两组断裂韧性数据进行平均值运算，棒材与锻件的断裂韧性对比图见图3。
图3中可以看出该材料的断裂韧性数据都基本高于60 MPa·m1/2，与目前常用的航空齿轮钢的断裂韧性技术指标基本相当。但从折线图上可以看到，棒材断裂韧性要略高于锻件的断裂韧性，伪渗碳后棒材的断裂韧性略低于锻件的断裂韧性。主要是因为断裂韧性是度量韧性的技术指标，棒材的抗拉强度高于锻件的抗拉强度，而强度与韧性是相互制约的技术指标，因此棒材的断裂韧性一般是低于锻件的趋势。
但从各状态下的检测数据看，同一状态下棒材状态试样、锻件状态试样的断裂韧性相差不大。
表4 断裂韧性检测结果
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4 结论
通过16Cr3NiWMoVNbE材料棒材状态、锻件状态经不同回火热处理后强度及断裂韧性的研究，对所得数据进行分析认为：
1）在200℃～350℃之间进行回火，锻件状态试样的抗拉强度普遍要高于棒材状态试样的抗拉强度；
2）16Cr3NiWMoVNbE材料在棒材状态、锻件状态下其断裂韧性基本都高于60 MPa·m1/2，与目前常用齿轮钢的断裂韧性基本相当；在不同回火温度下，其断裂韧性的变化趋势不明显；
3）锻件状态、棒材状态试样经模拟渗碳热处理后，抗拉强度和断裂韧性都有下降的趋势。
参考文献
[1] 滕佰秋，常春江.航空发动机用新材料——16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢[J].航空发动机，2003，（29卷第2期），34～37.