渗碳钢心部碳含量的评价视角

石油钻头材料采用12X2H3A、20XH3A等低碳的合金渗碳钢也是受了旧有概念的影响。

长期以来，人们一直认为，渗碳零件的强度主要决定于心部的“韧性”（a_K值），因而采用低碳的渗碳钢，以保证心部的高“韧性”、高塑性。但是，实验证明，这种材料的渗碳机件不能承受高的负荷。时常发现，心部含碳量低、“韧性”高的渗碳零件很早就破坏了；相反地，心部含碳量高、“韧性”低的零件反而很耐用。在苏联国家汽车内燃机研究所和莫斯科利哈乔夫汽车工厂的研究报告中，曾对18ХГТ和30ХГТ的性能作了对比^[6]，见表3。另一苏联学者的研究也得到了肯定的结论，见表4^[7]。由此我们清楚地看到，随着心部碳含量的增加，表面硬度、心部硬度、弯曲强度、疲劳极限、接触疲劳强度等许多重要的力学性能都显著提高了，从而增长了使用寿命。

心部碳含量对于渗碳件的力学性能的这种影响，是因为心部碳含量的增加，提高了心部屈服强度。如表5所示，含碳量对于屈服强度的影响非常显著。心部含碳量较低时，心部屈服强度也较低，外加应力很容易超过心部的屈服强度，使心部产生塑性变形，表层由此过负荷而破坏。

表3 18ХГТ和30ХГТ号渗碳钢性能的比较

表4 含碳量对力学性能的影响

表5 碳结构钢含碳量对屈服强度的影响 （单位：kgf/mm²）

我们可以用图5、图6、图7来说明心部屈服强度对整个渗碳样品强度的影响。纵坐标和样品的轴线重合，表示应力大小。横坐标表示样品断面上任何部位距轴线的距离，OP表示渗碳层的极限强度。OK表示心部屈服强度，OA表示加弯曲、扭转负荷时，心部屈服强度超过OW时的应力分布情况。

图5是心部屈服强度高于OW时的情况，此时，由于心部屈服强度高于OW，心部不发生塑性变形，应力分布如OA所示。

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图5 心部屈服强度对渗碳样品强度的影响（OK＞OW时）

但是，如图6所示，心部屈服强度较低的样品，在同样的应力状态下，在过渡层ДH部分，由于外加负荷的应力超过了屈服强度OK，这便要发生塑性变形。过渡层发生了塑性变形，应力应变关系不再服从胡克定律，应力分布将变为ДM（粗略地把它变为一条曲线，它的斜率永远小于ДT）。过渡层应力分布的这种改变，导致了整个渗碳样品应力分布的改变，原来的直线OA变成了曲线OVMTC。TC的斜率大于TA，因而C点非常容易超过B点；这样一来，渗碳层会因过负荷而破坏。

如图7所示，OK越是低于OW，过渡层发生的塑性变形越大，应力分布情况变化得越厉害（TC′的斜率＞TC的斜率＞TA的斜率），越易导致表面的破坏。

弯曲、扭转负荷是如此，其他负荷情况也可雷同推出同样的结论。

图6 心部屈服强度对渗碳样品强度的影响（OK＜OW时）

图7 心部屈服强度越是低，渗碳层越是过负荷

上面这些都是一些粗略的、近似的、示意的推论，实际上，问题并不是这样的简单。例如，心部屈服强度并不是整个心部断面各处一般大小，应力分布情况也不是简单的直线、折线关系，而渗碳层与心部交界处的强度情况、应力情况那就更加复杂了。不过，通过这样一个简单化的、粗略的推论，总能近似说明，心部屈服强度对于渗碳钢强度的积极作用，从而批判不敢增加渗碳钢心部碳含量的保守观念。

再者，如果从多次冲击的观点出发，由于增加心部碳含量，提高了心部强度极限；而心部强度极限正是多次冲击的主导因素，这就必然加强抵抗多次冲击负荷的能力。

采用心部碳含量较高的渗碳钢，由于所需要的渗碳层深度减小，就大大缩短了渗碳时间。同时，碳含量的增加还使渗碳层和中心部分的临界点接近，这就有可能降低淬火温度，并在渗碳层中获得细针状马氏体和少量的残余奥氏体组织。所有这些，无疑都是有益的。