高强度高韧性结构钢方案探讨

高强度高韧性结构钢的研制，是宝鸡石油机械厂试制射孔器时从生产实践中提出来的。射孔器用于油井建成后的射孔操作，是一种承受火药爆炸大能量瞬时冲击载荷的工具，类似于枪炮。过去系由重庆某厂生产。该厂按苏联工艺规范，采用高级炮钢PCrNi3Mo制造，经淬火中温回火，寿命仅为几炮至十几炮。后采用电渣重熔，平均寿命也只有14～15炮。射孔器虽是一种民用产品，但由于工作条件恶劣，受力情况复杂，对钢材的综合力学性能的要求比某些军工产品还高。尽管钢厂采用很多措施，严格控制冶金质量，又经电渣重熔，钢材合格率只有50%左右，是有关钢厂生产中的一个老大难问题。

1969年，射孔器生产任务由重庆转由宝鸡石油机械厂承担。我们通过调查研究，搞清了射孔器的失效方式：当材料塑性容量不足时，出现早期开裂；若塑性储备足够大而强度较低时，则因孔径扩张达到极限尺寸或喷火口过量塑性变形失去密封性而失效。为此，要求高强度与较高的塑性、韧性相配合。而PCrNi3Mo作为一个中碳合金结构钢，为满足射孔器所要求的σ_b≥1400MPa的强度，必然要在淬火后经400℃左右中温回火，其塑性、韧性是很难满足射孔器的要求的。并且，此钢含有多种我国稀缺元素镍、铬，是一种较贵重的国防用钢。射孔器继续沿用此钢也不适宜。

为了改革射孔器用钢，我们分析了整个合金结构钢。在机械制造行业，国内外迄今一直大量沿用的“调质钢”（即中碳钢及中碳合金结构钢淬火后高温回火），固然有较高的塑性、韧性，但使用强度水平较低，一般不超过1200MPa（大多数场合低于1000Ma）。近年来发展的低合金超高强度钢，经淬火低温回火，抗拉强度可以达到1600MPa以上，但塑性、韧性不足。含有适当合金元素的中碳结构钢可以采用等温淬火工艺，获得贝氏体组织，从而得到较高强度与较大塑性、韧性的配合，但因截面的限制和工艺复杂，在实际生产中应用困难较多。由此可见，为了满足像射孔器这样一类产品的服役条件，现有钢种已不能胜任，迫切需要研制高强度与大塑性、韧性相结合的新钢种。

近年来，国内外开展了关于低碳马氏体的研究。研究结果表明，低碳马氏体的综合力学性能，特别是在高强度时仍有较大的塑性、韧性和良好的工艺性能，正是射孔器这类产品所需要的。但据报道国外对于低碳马氏体的应用，主要是作为普通低合金钢制造深水壳体、高压容器、飞机构件、火箭发动机外壳、起重机和运输车辆构件等，而作为高强度机械制造用钢，则报道很少。并且所报道的试验钢种，淬透性很低，合金元素也不符合我国资源情况。

为了满足射孔器等产品的使用条件，先后在大冶钢厂、西安交通大学的协作下，我们在国内外关于低碳马氏体研究成果的基础上，充分利用我国富有元素，研制了大截面低碳马氏体钢，使较大截面的零件淬火后也能获得均匀的马氏体，并通过合金化进一步提高其综合力学性能。经过反复试验和生产实践考验，钢种定型为20SiMn2MoVA，已正式列入合金结构钢标准YB6-71。实际上，20SiMn2MoVA经淬火低温回火后已接近或达到了超高强度钢的强度水平，而塑性、韧性并不亚于调质钢。其主要性能特点是：①高强度与良好的塑性、韧性相结合；②低的冷脆倾向；③缺口敏感度低；④过载敏感性低；⑤断裂韧性高。该钢与石油射孔器原用PCrNi3Mo钢（苏联高级炮筒钢）的主要力学性能对比见表1。

在工艺性能方面，该钢种保持了低碳钢固有的焊接性，较小的热处理脱碳倾向和较低的淬火变形、开裂倾向。钢的淬透性良好，Φ80的试样淬油能完全淬透，得到板条状马氏体（位错马氏体）的组织。(www.xing528.com)

高强度高韧性结构钢己正式用于宝鸡石油机械厂七八种重要产品和配件：①用于吊环、吊卡、150t游车轴、50t天车轴，大幅度减轻了重量。例如250t吊环，宝鸡石油机械厂生产的每副重172kg，苏联生产的每副重380kg，美国生产的每副重190kg；4⅟₂″负荷150t外平钻杆吊卡，宝鸡厂每只重62kg，苏联重126kg，美国重97.3kg。吊环、吊卡重量的大幅度减轻，对改善钻井工人劳动条件，提高钻井效率有重要的意义。而150t游车轴、50t天车轴减轻重量后，为国家节约了大量钢材。仅以50t采油天车为例，天车轴直径由170m缩小到140m，每套天车减轻430kg，宝鸡厂每年生产的350套50t天车即可为国家节约150t钢材。②用于石油射孔器及轴销、螺栓等，成倍提高了使用寿命，以射孔器为例，新钢种射孔器的寿命为PCrNi3Mo的2倍，而成本只有后者的1/3。八年来，仅这一项产品累计节约钢材八百多吨，节约资金1000万元以及大量铬、镍。由于采用这个钢种，再加上结构上的改进，射孔器和吊环、吊卡的质量达到了国外先进水平。

表1 20SiMn2MoVA与PCrNi3Mo力学性能对比

①梅氏冲击试验测定的冲击韧性。