关于40CrNiMo钢力学性能问题的讨论

李长林 孙中仁

(鞍钢重型机械有限责任公司锻造厂，辽宁114021)

40CrNiMo(40CrNiMoA按规定是优质合金钢，表示P、S含量≤0.025。事实上，现在冶炼水平已经很容易使P、S含量≤0.015。因此，本质上40CrNiMoA和40CrNiMo已经没有区别)是我国常用的标准钢号，应用范围较广。在GB/T3077—1999 《合金结构钢》[1]中，对截面尺寸不大于80 mm的钢材的力学性能做了明确规定。而对于更大截面尺寸的钢材的力学性能只是给出了指导性的意见。GB/T17107—1997《锻件用结构钢牌号和力学性能》[2]和JB/T6396—2006《大型合金结构钢锻件 技术条件》[3]根据GB/T3077—1999的指导意见，对截面尺寸为80 mm～250 mm的40CrNiMo钢力学性能进行了计算转化。GB/T3077、GB/T17107和JB/T6396应用广泛，40CrNiMo又是这些标准中比较典型钢种，因此，很多设计者就以这些标准作为设计参数来进行产品设计。但在实际生产过程中，截面尺寸大于80 mm的40CrNiMo钢的力学性能很难达到标准要求。本文对就此进行了讨论，以期大家对这个钢种的力学性能值有一个准确共识。

1 现状介绍

GB/T3077—1999中对于40CrNiMo钢的力学性能要求见表1。标准中规定试样毛坯尺寸为25 mm，热处理工艺为850℃淬火油冷+600℃回火。

表1 GB/T3077—1999对于40CrNiMoA钢力学性能的要求Table 1 The mechanical properties of 40CrNiMoA steel required in GB/T3077—1999

另外，在标准GB/T3077—1999的6.4.2条中，对于截面尺寸≤250 mm材料的力学性能规定有以下描述：“截面尺寸大于80 mm至100 mm的钢材，允许其断后伸长率、断面收缩率及冲击吸收功较表3(指 GB/T3077的表3)的规定分别下降1%(绝对值)、5%(绝对值)及5%；尺寸大于100 mm至150 mm的钢材，允许其断后伸长率、断面收缩率及冲击吸收功分别降低2%(绝对值)、10%(绝对值)及10%；尺寸大于150 mm至250 mm

的钢材，允许其断后伸长率、断面收缩率及冲击吸收功分别降低3%(绝对值)、15%(绝对值)及15%。”

根据这一规定进行计算转化，JB/T6396—2006对于40CrNiMo钢力学性能的规定见表2。GB/T17107 对于40CrNiMo钢力学性能的规定见表3。

2 关于三项标准中40CrNiMo钢力学性能规定值的讨论

2.1 关于试样的热处理状态

表2 JB/T6396—2006对于40CrNiMo钢力学性能的要求Table 2 The mechanical properties of 40CrNiMo steel required in JB/T6396—2006

*数据中除硬度外，其余数据与GB30077中相同。在以力学性能为制造依据时，硬度只是参照数据。

表3 GB/T 17107—1997对于40CrNiMo钢力学性能的要求Table 3 The mechanical properties of 40CrNiMo steel required in GB/T 17107—1997

在表2、表3中，标准给出的试样热处理状态是淬火+回火。实际上，GB/T3077—1999中已经说明，标准中试样的回火温度是600℃，是高温回火。按照热处理调质工艺的定义，淬火后高温回火就是调质工艺。因此，表中所有数据的热处理状态都应该是调质，如果写成“淬火+回火”容易引起误解。

2.2 关于JB/T6396—2006力学性能的数值

按照表2给出的力学性能数值，随着材料截面尺寸的增加，力学性能呈现如图1所示的变化趋势。即塑性、韧性、冲击功略有下降，而强度保持不变。

合金钢钢种手册[4]显示，随着试样截面尺寸增大，强度、塑性、韧性都有下降的趋势，见图2。而且，截面尺寸超过80 mm后，强度、冲击韧性下降趋势尤为明显。

由图1、图2比较可知，JB/T6396—2006对于截面尺寸大于80 mm的40CrNiMo钢力学性能的规定值不尽合理。

2.3 关于GB/T 17107—1997力学性能的数值

比较表2和表3，两表中均有截面尺寸150 mm～300 mm的力学性能数值。虽然表2中的力学性能偏高，但表3中的100 mm～300 mm的强度值明显偏低。生产中，一般锻件截面尺寸大都在100 mm以上，因此，表2和表3中数据，均不适于实际生产。

2.4 问题讨论

GB/T3077—1999中40CrNiMoA材料的力学性能在苏联标准中可见，估计我们现在的力学性能数值就来源于苏联标准。但在苏联有关标准中尚未见到以推论、计算的方式确定250 mm以下截面尺寸的材料力学性能的记载。所以，对于这种以推论、计算的方式把试样性能转化为工件力学性能的办法是有疑点的。比如：小试样力学性能一般来源于实验室工作，其试样的制作过程与实际生产有很大区别。实际生产中，工件多是由大型锻件锻制，工件的偏析、夹渣等缺陷远多于实验室试样，这些问题都会降低实际工件的综合力学性能；图2也已经表明，试样直径超过40 mm以后，力学性能与小试样相比已经有很大降低。

图1 按表2中给出的力学性能变化趋势Figure 1 The variation trend of mechanical properties according to Table 2

图2 不同截面尺寸的力学性能变化趋势[4]Figure 2 The variation trend of mechanical properties with different sectional dimensions

3 笔者所做的工作

为了对40CrNiMoA材料的力学性能有一个比较准确的认识，笔者收集了大量实际生产中取自工件上的试样力学性能检测数据。将这些力学性能数据绘制在同一份图表上，得到40CrNiMo钢在不同抗拉强度下塑性、韧性之间的配合关系曲线。见图3。由图3可知，大约Re在550 MPa～750 MPa区间，Rm在800 MPa～920 MPa区间时，材料的塑性、韧性与强度有很好的配合。在此区域外随着强度的提高，塑性、韧性下降比较明显。也就证明，高强度下的塑性、韧性指标无法满足标准的要求。

图3 实际生产中得到的力学性能对应关系图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℃)≥采集样本数及按此指标达到要求情况采集样本数(试验次数)达到标准情况40CrNiMo≤808359801255784280～15080096012505535150～25065083015485050250～40062080015484551400～50055070012333529一次生产合格率95%,重新淬火或回火后合格率100%

4 建议

在日常生产中，40CrNiMo钢通常是经过调质后使用。至于调质的热处理工艺参数选择，淬火温度大致都是依据手册进行，而回火温度则是依据图样的力学性能来进行。强度要求高，则选择较低回火温度，反之亦然。但其回火温度一般都在500℃以上。在所有标准中，关于调质工艺都未做明确解释，只是认为是淬火+高温回火。而高温回火一般通指为500℃以上。

笔者通过大量的调研与分析后认为，标准中40CrNiMo钢的力学性能应进行更改，以适应实际需要。否则，对于设计者、制造厂及用户，都有很大的影响。建议将标准中40CrNiMo钢的热处理状态“淬火+回火”都改为“调质”，力学性能数值符合表4要求。

[1] GB/T3077—1999 《合金结构钢》.

[2] GB/T17107—1997《锻件用结构钢牌号和力学性能》.

[3] JB/T6396—2006《大型合金结构钢锻件 技术条件》.

[4] 冶金工业部《合金钢钢种手册》编写组.《合金结构钢种》第一册[S].北京：冶金工业出版社，1983.