關(guān)于40CrNiMo鋼力學(xué)性能問題的討論

李長(zhǎng)林 孫中仁

(鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司鍛造廠，遼寧114021)

40CrNiMo(40CrNiMoA按規(guī)定是優(yōu)質(zhì)合金鋼，表示P、S含量≤0.025。事實(shí)上，現(xiàn)在冶煉水平已經(jīng)很容易使P、S含量≤0.015。因此，本質(zhì)上40CrNiMoA和40CrNiMo已經(jīng)沒有區(qū)別)是我國(guó)常用的標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)，應(yīng)用范圍較廣。在GB/T3077—1999 《合金結(jié)構(gòu)鋼》[1]中，對(duì)截面尺寸不大于80 mm的鋼材的力學(xué)性能做了明確規(guī)定。而對(duì)于更大截面尺寸的鋼材的力學(xué)性能只是給出了指導(dǎo)性的意見。GB/T17107—1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和力學(xué)性能》[2]和JB/T6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》[3]根據(jù)GB/T3077—1999的指導(dǎo)意見，對(duì)截面尺寸為80 mm～250 mm的40CrNiMo鋼力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算轉(zhuǎn)化。GB/T3077、GB/T17107和JB/T6396應(yīng)用廣泛，40CrNiMo又是這些標(biāo)準(zhǔn)中比較典型鋼種，因此，很多設(shè)計(jì)者就以這些標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)參數(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，截面尺寸大于80 mm的40CrNiMo鋼的力學(xué)性能很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。本文對(duì)就此進(jìn)行了討論，以期大家對(duì)這個(gè)鋼種的力學(xué)性能值有一個(gè)準(zhǔn)確共識(shí)。

1 現(xiàn)狀介紹

GB/T3077—1999中對(duì)于40CrNiMo鋼的力學(xué)性能要求見表1。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試樣毛坯尺寸為25 mm，熱處理工藝為850℃淬火油冷+600℃回火。

表1 GB/T3077—1999對(duì)于40CrNiMoA鋼力學(xué)性能的要求Table 1 The mechanical properties of 40CrNiMoA steel required in GB/T3077—1999

另外，在標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999的6.4.2條中，對(duì)于截面尺寸≤250 mm材料的力學(xué)性能規(guī)定有以下描述：“截面尺寸大于80 mm至100 mm的鋼材，允許其斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及沖擊吸收功較表3(指 GB/T3077的表3)的規(guī)定分別下降1%(絕對(duì)值)、5%(絕對(duì)值)及5%；尺寸大于100 mm至150 mm的鋼材，允許其斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及沖擊吸收功分別降低2%(絕對(duì)值)、10%(絕對(duì)值)及10%；尺寸大于150 mm至250 mm

的鋼材，允許其斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及沖擊吸收功分別降低3%(絕對(duì)值)、15%(絕對(duì)值)及15%?！?/p>

根據(jù)這一規(guī)定進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化，JB/T6396—2006對(duì)于40CrNiMo鋼力學(xué)性能的規(guī)定見表2。GB/T17107 對(duì)于40CrNiMo鋼力學(xué)性能的規(guī)定見表3。

2 關(guān)于三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中40CrNiMo鋼力學(xué)性能規(guī)定值的討論

2.1 關(guān)于試樣的熱處理狀態(tài)

表2 JB/T6396—2006對(duì)于40CrNiMo鋼力學(xué)性能的要求Table 2 The mechanical properties of 40CrNiMo steel required in JB/T6396—2006

*數(shù)據(jù)中除硬度外，其余數(shù)據(jù)與GB30077中相同。在以力學(xué)性能為制造依據(jù)時(shí)，硬度只是參照數(shù)據(jù)。

表3 GB/T 17107—1997對(duì)于40CrNiMo鋼力學(xué)性能的要求Table 3 The mechanical properties of 40CrNiMo steel required in GB/T 17107—1997

在表2、表3中，標(biāo)準(zhǔn)給出的試樣熱處理狀態(tài)是淬火+回火。實(shí)際上，GB/T3077—1999中已經(jīng)說明，標(biāo)準(zhǔn)中試樣的回火溫度是600℃，是高溫回火。按照熱處理調(diào)質(zhì)工藝的定義，淬火后高溫回火就是調(diào)質(zhì)工藝。因此，表中所有數(shù)據(jù)的熱處理狀態(tài)都應(yīng)該是調(diào)質(zhì)，如果寫成“淬火+回火”容易引起誤解。

2.2 關(guān)于JB/T6396—2006力學(xué)性能的數(shù)值

按照表2給出的力學(xué)性能數(shù)值，隨著材料截面尺寸的增加，力學(xué)性能呈現(xiàn)如圖1所示的變化趨勢(shì)。即塑性、韌性、沖擊功略有下降，而強(qiáng)度保持不變。

合金鋼鋼種手冊(cè)[4]顯示，隨著試樣截面尺寸增大，強(qiáng)度、塑性、韌性都有下降的趨勢(shì)，見圖2。而且，截面尺寸超過80 mm后，強(qiáng)度、沖擊韌性下降趨勢(shì)尤為明顯。

由圖1、圖2比較可知，JB/T6396—2006對(duì)于截面尺寸大于80 mm的40CrNiMo鋼力學(xué)性能的規(guī)定值不盡合理。

2.3 關(guān)于GB/T 17107—1997力學(xué)性能的數(shù)值

比較表2和表3，兩表中均有截面尺寸150 mm～300 mm的力學(xué)性能數(shù)值。雖然表2中的力學(xué)性能偏高，但表3中的100 mm～300 mm的強(qiáng)度值明顯偏低。生產(chǎn)中，一般鍛件截面尺寸大都在100 mm以上，因此，表2和表3中數(shù)據(jù)，均不適于實(shí)際生產(chǎn)。

2.4 問題討論

GB/T3077—1999中40CrNiMoA材料的力學(xué)性能在蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中可見，估計(jì)我們現(xiàn)在的力學(xué)性能數(shù)值就來源于蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。但在蘇聯(lián)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中尚未見到以推論、計(jì)算的方式確定250 mm以下截面尺寸的材料力學(xué)性能的記載。所以，對(duì)于這種以推論、計(jì)算的方式把試樣性能轉(zhuǎn)化為工件力學(xué)性能的辦法是有疑點(diǎn)的。比如：小試樣力學(xué)性能一般來源于實(shí)驗(yàn)室工作，其試樣的制作過程與實(shí)際生產(chǎn)有很大區(qū)別。實(shí)際生產(chǎn)中，工件多是由大型鍛件鍛制，工件的偏析、夾渣等缺陷遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)室試樣，這些問題都會(huì)降低實(shí)際工件的綜合力學(xué)性能；圖2也已經(jīng)表明，試樣直徑超過40 mm以后，力學(xué)性能與小試樣相比已經(jīng)有很大降低。

圖1 按表2中給出的力學(xué)性能變化趨勢(shì)Figure 1 The variation trend of mechanical properties according to Table 2

圖2 不同截面尺寸的力學(xué)性能變化趨勢(shì)[4]Figure 2 The variation trend of mechanical properties with different sectional dimensions

3 筆者所做的工作

為了對(duì)40CrNiMoA材料的力學(xué)性能有一個(gè)比較準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，筆者收集了大量實(shí)際生產(chǎn)中取自工件上的試樣力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)。將這些力學(xué)性能數(shù)據(jù)繪制在同一份圖表上，得到40CrNiMo鋼在不同抗拉強(qiáng)度下塑性、韌性之間的配合關(guān)系曲線。見圖3。由圖3可知，大約Re在550 MPa～750 MPa區(qū)間，Rm在800 MPa～920 MPa區(qū)間時(shí)，材料的塑性、韌性與強(qiáng)度有很好的配合。在此區(qū)域外隨著強(qiáng)度的提高，塑性、韌性下降比較明顯。也就證明，高強(qiáng)度下的塑性、韌性指標(biāo)無法滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 實(shí)際生產(chǎn)中得到的力學(xué)性能對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Figure 3 a relationship chart of Rm、Rel 、A%、Z%、Aku in production praction

材料截面尺寸/mmRe/MPa≥Rm/MPa≥A(%)≥Z(%)≥AKU/J(20℃)≥采集樣本數(shù)及按此指標(biāo)達(dá)到要求情況采集樣本數(shù)(試驗(yàn)次數(shù))達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)情況40CrNiMo≤808359801255784280～15080096012505535150～25065083015485050250～40062080015484551400～50055070012333529一次生產(chǎn)合格率95%,重新淬火或回火后合格率100%

4 建議

在日常生產(chǎn)中，40CrNiMo鋼通常是經(jīng)過調(diào)質(zhì)后使用。至于調(diào)質(zhì)的熱處理工藝參數(shù)選擇，淬火溫度大致都是依據(jù)手冊(cè)進(jìn)行，而回火溫度則是依據(jù)圖樣的力學(xué)性能來進(jìn)行。強(qiáng)度要求高，則選擇較低回火溫度，反之亦然。但其回火溫度一般都在500℃以上。在所有標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于調(diào)質(zhì)工藝都未做明確解釋，只是認(rèn)為是淬火+高溫回火。而高溫回火一般通指為500℃以上。

筆者通過大量的調(diào)研與分析后認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)中40CrNiMo鋼的力學(xué)性能應(yīng)進(jìn)行更改，以適應(yīng)實(shí)際需要。否則，對(duì)于設(shè)計(jì)者、制造廠及用戶，都有很大的影響。建議將標(biāo)準(zhǔn)中40CrNiMo鋼的熱處理狀態(tài)“淬火+回火”都改為“調(diào)質(zhì)”，力學(xué)性能數(shù)值符合表4要求。

[1] GB/T3077—1999 《合金結(jié)構(gòu)鋼》.

[2] GB/T17107—1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和力學(xué)性能》.

[3] JB/T6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》.

[4] 冶金工業(yè)部《合金鋼鋼種手冊(cè)》編寫組.《合金結(jié)構(gòu)鋼種》第一冊(cè)[S].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.