20SiMn2MoVA：高强度、高韧性的优秀结构钢特点解析

为了说明20SiMn2MoVA在强度与中碳合金钢中温回火或等温淬火相当时，其综合力学性能的优越性，选择石油射孔器原用钢种PCrNi3Mo淬火中温回火及35CrMo淬火中温回火与之对比，并引用文[9，19]关于30CrMnSi等温淬火的试验数据。

中碳合金钢调质在机械制造中历史最久，是迄今为止应用最广的。为了比较20SiMn2MoVA与调质钢的力学性能，选择石油机械有代表性的调质钢35CrMo进行对比。

40CrNiMo（4340）淬火低温回火是国外低合金超高强度钢的典型钢种，也用以作为对比试验钢种。

几种对比试验钢种的化学成分列于表17，其中PCrNi3Mo系电渣钢，35CrMo和40CrNiMo为电弧炉钢。试验结果表明，与上述对比钢种相比，高强度高韧性结构钢20SiMn2MoVA具有高强度与良好的塑性、韧性相结合，冷脆倾向小，缺口敏感度和过载敏感性低，断裂韧性高等特点。

表17 对比试验钢种的化学成分

（1）高强度与良好的塑性、韧性相结合表18列出20SiMn2MoVA和几种对比钢种的静强度与塑性、韧性数据。与35CrMo淬火高温回火相比，20SiMn2MoVA的塑性韧性指标（δ₅、δ₁₀、ψ_K、a_K等）与之大体相同，而强度指标（S_K、σ_b、σ_0.2等）则显著高于35CrMo，其中抗拉强度σ_b高50%左右。与40CrNiMo淬火低温回火相比，显然强度指标低一些，但塑性韧性指标则大幅度提高，尤其是ψ_K这个主要塑性指标及冲击值a_K比40CrNiMo高得多。至于和等强度的PCrNi3Mo、35CrMo中温回火及30CrMnSi等温淬火相比，塑性韧性指标（尤其是冲击值）也是显著高的。这些数据对比说明，就中碳合金结构钢而言，欲追求高的塑性韧性，则必须牺牲强度而采用淬火高温回火；相反，欲追求高强度，则必须牺牲塑性韧性而采用低中温回火。20SiMn2MoVA恰恰能解决这一矛盾——它在淬火低温回火的低碳马氏体状态，既具有不亚于调质钢的塑性韧性，又有比调质钢高得多而与淬火中温回火或等温淬火相当的强度指标，也就是说20SiMn2MoVA具有高强度与良好的塑性韧性相结合的特点。

表18 20SiMn2MoVA和对比钢种基本力学性能

（续）

（2）低的冷脆倾向为测定20SiMn2MoVA的冷脆倾向，进行了从室温到-60℃系列冲击试验。同时进行对比试验的为PCrNi3Mo淬火中温回火及40CrNiMo淬火低温回火。关于调质钢的冷脆倾向，引用文[1]40Cr淬火600℃回火的试验结果。全部数据绘制成“试验温度—冲击值”曲线，如图15所示。低温冲击试验，按冶金部标准YB19-64的规定进行。

图15表明，在整个试验温度范围，20SiMn2MoVA淬火低温回火状态的冲击值都比对比钢种PCrNi3Mo中温回火、40CrNiMo低温回火及40Cr高温回火高。在-60℃时，是40Cr的五倍，是PCrNi3Mo和40CrNiMo的两倍。若按一般习惯，取a_K=0.4a_kmax时的温度定为冷脆转化温度（T_K），则40Cr高温回火为T_K=-50℃，而20SiMn2MoVA、PCrNi3Mo、40CrNiMo都低于最低试验温度-60℃。若从冲击试样纤维状和结晶状断口的相对比例来看，20SiMn2MoVA从室温到-40℃均为100%纤维状断口，-60℃时纤维状断口亦占80%左右。PCrNi3Mo在室温时，纤维状断口占70%左右，-40℃时即下降到40%，-60℃时结晶状断口占80%左右。而40CrNiMo从室温到-60℃的试验温度范围，几乎都是结晶状断口。若以某一固定的能量级作为冷脆倾向的比较标准，同样可以说明20SiMn2MoVA低的冷脆倾向。例如保持a_K值为6kgf·m/cm²，对于40Cr高温回火约为-45℃，对于40CrNiMo低温回火和PCrNi3Mo中温回火，则必须在0℃到室温范围；而20SiMn2MoVA肯定是低于-60℃。综上所述，20SiMn2MoVA在低碳马氏体状态冷脆倾向小的结论是毫无疑问的了。

（3）缺口敏感度低关于静载荷缺口敏感度，目前尚无统一的衡量标准。我们采用缺口试样的抗拉强度和光滑试样的抗拉强度之比，即σ_bH/σ_b的比值和缺口断面收缩率ψ_KH来衡量缺口敏感度。为了较好地反映成分和组织对缺口敏感度的影响，采用不同应力集中系数的缺口拉伸试样，同时测定σ_bH/σ_b和ψ_KH。试样直径d=12mm，缺口处直径d_H=10mm，缺口半径r取0.2mm、0.4mm、0.7mm、2.25mm四组。缺口塑性按计算。试验结果如图16所示。为了进一步增加应力状态的“体积性”和“硬性”，从而更好地比较20SiMn2MoVA与对比钢种的脆性趋势，我们还进行了缺口偏斜拉伸试验。试样尺寸如图17所示，偏斜角0°、4°和8°。图18所示为20SiMn2MoVA和对比试验钢种的缺口拉伸强度随偏斜角度的下降情况。为了更好地进行比较，又以σ_bH/σ_b为纵坐标、偏斜角度为横坐标，将几个钢号的试验结果如图19所示。

图16所示σ_bH/σ_b随K_t变化曲线，在应力集中系数较小时，各钢号区别不大。当K_t达到3.5时，则显示出20SiMn2MoVA的σ_bH/σ_b值又低于35CrMo调质，高于与之等强度的PCrNi3Mo和35CrMo中温回火，而40CrNiMo最低。图16中缺口塑性ψ_KH随K_t的变化曲线，更明显地反映出各钢号、各种组织状态的差别，进一步说明20SiMn2MoVA的缺口敏感度接近35CrMo调质，而比PCrNi3Mo和35CrMo中温回火及40CrNiMo低温回火低得多。图18和图19说明，20SiMn2MoVA随偏斜角的增加，强度下降幅度比35CrMo调质还小。30CrMnSi320℃等温淬火（σ_b=136kgf/mm²）虽然在4°时下降较少，但8°时则急剧下降。40CrNiMo低温回火在无偏斜时σ_bH/σ_b已等于1，反映出脆性趋势极大。综上所述，20SiMn2MoVA在低碳马氏体状态，其静载缺口敏感度很低，和调质钢不相上下；而与20SiMn2MoVA等强度的淬火中温回火和等温淬火中碳合金结构钢，缺口效应都比20SiMn2MoVA高得多。中碳低温回火超高强度钢静缺口敏感度最高。

图15 低温系列冲击试验

图16 不同应力集中系数的缺口拉伸强度和塑性

为了论证20SiMn2MoVA的疲劳缺口敏感度，进行了20SiMn2MoVA和PCrNi3Mo、30CrMnSi、40CrNiMo的光滑和缺口疲劳试验。由于未及进行35CrMo调质的疲劳试验，引用文献[9]30CrMnSi调质的疲劳试验数据。全部数据列于表19。该表的数据说明，20SiMn2MoVA的疲劳缺口敏感度也是较低的。中碳合金结构钢淬火低温回火、中温回火、高温回火或等温淬火，都不及低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA疲劳缺口敏感度低。

图17 缺口偏斜拉伸试样

图18 缺口偏斜拉伸强度（图中水平虚线表示相应光滑试样的强度）(www.xing528.com)

（4）过载敏感性低在静载荷下，所谓过载能力，是指从屈服点到抗拉强度这一变形区间的领域大小。众所周知，这一能力是由形变强化容量ψ_B、形变强化指数m和强屈比σ_b/σ_0.2来综合决定的。ψ_B、m和σ_b/σ_0.2越大，过载敏感性越小，反之亦然。表19说明，就形变强化容量ψ_B而言，20SiMn2MoVA淬火低温回火仅次于35CrMo调质。30CrMnSi等温淬火最低；就形变强化指数m而言，20SiMn2MoVA仅次于40CrNiMo低温回火，而大大高于35CrMo调质和PCrNi3Mo及35CrMo中温回火；就强屈比σ_b/σ_0.2而言，20SiMn2MoVA和40CrNiMo相当，而稍低于30CrMnSi等温淬火，35CrMo调质最低。因此，综合考虑ψ_B、m和σ_b/σ_0.2，不难看出20SiMn2MoVA的过载能力是较高的，尤其比35CrMo调质高。

疲劳过载能力是由疲劳曲线持久值部分的位置来决定的。图20所示为20SiMn2MoVA和几个对比钢种缺口试样疲劳曲线。综合分析这些曲线，可以看出20SiMn2MoVA的疲劳过载敏感性也是较低的。

图19 20SiMn2MoVA及对比钢种拉伸时对缺口与偏斜的敏感性

表19 20SiMn2MoVA及对比钢种疲劳缺口敏感度

注：40CrNiMo光滑疲劳试样系采用纵磨，σ_-1偏高。

（5）断裂韧性高表20和图21所示为20SiMn2MoVA及对比试验钢种的断裂韧性试验结果。从图21和表20中可以看出：

1）20SiMn2MoVA900℃淬火250℃回火状态的K_IC值高达363kgf/mm³/2，比40CrNiMo850℃淬火200℃至430℃回火状态的K_IC均高，比原石油射孔器用PCrNi3Mo中温回火也高。这说明该钢在低碳马氏体状态使用，不仅有较高的强度，而且比相当强度的其他钢的K_IC高。

2）20SiMn2MoVA与40CrNiMo断裂韧性随回火温度变化的规律相反。结合此钢前述的其他力学性能指标随回火温度变化的规律（随回火温度提高强度指标下降而某些塑性韧性指标亦下降），说明这个钢种的最佳使用状态是淬火低温回火。

图20 20SiMn2MoVA及对比钢种缺口试样疲劳曲线

表20 20SiMn2MoVA与对比钢种断裂韧性比较表

（续）

注：1.表中K_IC为平均值。

2.有∗者为K_q值（试样尺寸不够，未达到平面应变）。

图21 断裂韧性与回火温度的关系

3）比较20SiMn2MoVA与25SiMn2MoVA的K_IC，不难看出，当合金元素与组织状态相同时，增加碳含量则K_IC值下降。

4）K_IC值的大小，虽然能反映出当发生平面应变的脆断时，金属所承受的应力与临界裂纹尺寸的关系，但更重要的是值。因为的大小与裂纹尖端塑性区的大小有关，此值的大小决定发生平面应变所需的尺寸约束条件。大者，只有当金属体积足够大时，才能发生平面应变的脆断；而小者，在体积不大时，就可发生平面应变的脆断。由表20可知，20SiMn2MoVA淬火250℃回火时值是相当高的，就是说它比那些较小的钢种更适宜于用来制造尺寸大的零件。