齿轮的失效主要是由齿面的接触疲劳和齿根的弯曲疲劳引起的。影响齿轮疲劳性能的因素较多，包括材料、加工、热处理及装配工艺等。在材料方面，大量的研究表明，提高洁净度可以改善疲劳性能。此外，通过细化晶粒，阻碍疲劳裂纹萌生和扩展也能提高疲劳性能。Matlock和Alogab等人的研究表明，通过Nb/Ti微合金化，细化渗碳层原奥氏体晶粒，SAE8620H钢的弯曲疲劳强度显著提高，并且其弯曲疲劳强度与渗碳层原奥氏体晶粒尺寸之间符合Hall-Petch关系。晶粒尺寸是影响齿轮钢疲劳性能的重要因素，细化晶粒能够提高渗碳钢的疲劳性能。通过研究采用工业电炉+炉外精炼工艺冶炼的20CrMoH和20CrMoNbH齿轮钢的疲劳性能，分析加Nb细化晶粒后对齿轮钢疲劳性能的影响。

　　两种试验钢均是采用30t工业电炉+LF+CD炉外精炼冶炼的商业用钢，两种钢的成分见下表。与常用齿轮钢20CrMoH相比，20CrMoNbH钢除洁净度有所提高外，还添加了微量的合金化元素Nb。将试验钢锻造成φ16mm的圆棒，经过退火，再加工成疲劳试样，在930℃碳势为1.0%时渗碳6.5h，预计渗碳层深度为1.3mm;然后渗碳试样在830℃渗碳0.5h后油冷、清洗;最后在180℃回火2h。经过热处理后的试样再进行表面磨抛精加工成φ6mm的标准旋转弯曲疲劳试样。按照GB4337-84标准进行旋转弯曲疲劳试样。同时还观察了渗碳试样的微观组织;用截点法测量晶粒度;测量渗碳试样的渗碳层硬度分布;采用X射线光谱分析对碳化物进行相分析。

　　20CrMoH和20CrMoNbH齿轮钢研究结果表明，由于细小的Nb(C，N)析出相在奥氏体晶界起钉扎作用，含0.03%Nb的20CrMoNbH钢渗碳层奥氏体晶粒细化，20CrMoNbH渗碳层原奥氏体晶粒平均尺寸为16μm，明显细于20CrMoH钢的26μm。20CrMoNbH齿轮钢的疲劳极限值为1085MPa，比20CrMoH钢高近10%。疲劳试样断口观察发现，疲劳裂纹起源于渗碳层，并沿原奥氏体晶界扩展，细化渗碳层晶粒有利于提高疲劳裂纹扩展阻力，因此改善疲劳性能。