高强韧大截面低碳马氏体钢的研究

从表2中可以看出，20CrMnSiMoVA等三种低碳马氏体钢的塑性韧性指标（δ₅、δ₁₀、ψ_K、a_K等）与35CrMo、40CrNiMo调质状态大致相同，而强度指标（S_K、σ_b、σ_0.2等）显著高于35CrMo、40CrNiMo钢调质，其中，抗拉强度高40%～50%。35CrMo、40CrNiMo淬火中温回火固然可以把强度指标提高到与20CrMnSiMoVA等三种低碳马氏体钢相当的水平，但塑性韧性（尤其是冲击值α_ku）则低得多。这些数据对比说明，就中碳合金结构钢而言，要追求高的塑性韧性，则必须牺牲强度，要追求强度，则必须牺牲塑性韧性。20CrMnSiMoVA等低碳马氏体钢恰恰能解决这一矛盾，它在淬火低温回火的状态，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中碳合金钢、淬火中温回火相当的强度水平，具有高强度与良好塑性韧性相结合的特点。

值得指出，20CrMnSiMoVA等大截面低碳马氏体钢，除了常规的综合力学性能较好，还有很高的断裂韧性。从表5可以看到，20CrMnSiMoVA等三种低碳马氏体钢的K_IC值在128～144MPa·m2¹之间，是中碳钢中温回火的2倍。这次试验中，35CrMo高温回火未能满足平面应变条件，所以其K_Q=159.9MPa·m2¹只为K_Q值。

在强度水平相当的情况下，低碳（合金）马氏体与中碳（合金）马氏体的塑性韧性为什么会相差这么大？这可从二者的组织形态和断裂机构的差异上寻找答案。电镜断口分析表明，发生在低碳马氏体中的断裂形式是塑性的高能量拉长微坑型为主（图7），而中碳回火马氏体的断裂特征以准解理为主（图8）。中碳马氏体在中低温回火过程，碳化物优先沿板条马氏体相界和孪晶相界析出，从而带来碳化物分布的不均匀。所以中碳回火马氏体与低能量断裂形式即断裂韧性较低相联系，是与碳化物分布的不均匀，组织形态上存在孪晶有关。而低碳马氏体与高能量断裂形式即断裂韧性较高相联系，是由于板条马氏体中碳化物分布较均匀，组织形态上不存在孪晶，以及淬火过程中的自回火降低了马氏体中的含碳量。

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图7 20SiMn2MoVA淬火低温回火扫描电镜断口

图8 35CrMo淬火中温回火扫描电镜断口