「高强度结构钢的低碳马氏体组织设计成分」

如前所述，我们研制高强度高韧性结构钢的工作，是在国内外关于低碳马氏体研究成果的基础上进行的。其总的出发点，是要充分发挥低碳马氏体在力学性能和工艺性能上的优越性。因此，在成分设计上，试图通过适当的合金化，保证大截面零件获得低碳马氏体组织，并进一步提高钢的综合力学性能。

不言而喻，为追求低碳马氏体的组织状态，钢的碳含量应保持在低碳范围，即不超过0.25%。碳是控制马氏体强度的主要因素。含碳量增加，虽然硬度和强度提高，但塑性韧性下降，并且M_f点降低，从而增加淬裂倾向。因此，在保证足够强度水平的前提下，碳含量应尽可能低一些。大量统计数据表明，回火马氏体的抗拉强度150kgf/mm²时，相应的碳含量约为0.20%左右。根据对钢的碳含量上下限的探索性试验，确定设计含量为0.17%～0.23%。

合金元素对高强度钢的影响，主要表现在：①固溶强化；②增加淬透性；③推迟回火过程；④改善力学性能。

关于固溶强化，由于有碳的效应存在，合金元素居于次要地位。根据国内兄弟单位的经验，在常用的合金元素中，硅、锰有一定的固溶强化作用^[14]。关于增加淬透性，国外主要依靠铬、镍的配合，但锰、钼等元素的作用也是很显著的。从改善力学性能来看，镍固然能提高冲击值，而钼和微量钒亦能有效地增加钢的塑性韧性。由于低碳马氏体钢是在低温回火状态使用，消除内应力是需要注意的问题。因此，提高回火温度而又不产生消强化和第一类回火脆性的元素，是十分有利的。铁素体形成元素硅、铝在这方面是很有效的。根据上述分析，从立足于我国富有元素出发，参考近年来我国合金结构钢的研究成果，我们确定采用Si-Mn-Mo-V系。

硅提高马氏体分解温度，从而增加钢的回火抗力，并将不可逆回火脆性范围移向较高回火温度。一般认为，1%以上的硅即有较显著的效果。而硅含量超过2%，会增加非金属夹杂物的形成，这对高强度钢是很不理想的^[13]。同时，随着硅含量的增加，钢的脱碳敏感性也增加。为了既发挥硅的有利作用，又尽可能减少不利影响，确定其含量为1.0%～1.2%。

锰显著降低Ar₁和奥氏体分解速度，因此有效地提高钢的淬透性。过去曾认为，在合金结构钢中锰含量不宜超过1.5%，否则会显著降低塑性韧性，尤其是降低低温冲击值^[16]。近年来，我国许多单位研制的一系列含锰结构钢，锰含量都超过了1.5%，从而打破了过去的旧框框^[15]。据此，我们确定主要依靠锰来提高淬透性，将锰含提高到2%以上。在感应炉上进行成分设计试验时，曾熔炼了1.55%～1.85%、2.2%～2.6%及3.0%～3.4%三个锰含量级别的试验钢种，最后确定采用2.2%～2.6%的含量^[3]。

钼是强烈形成碳化物的元素，对抑制珠光体转变和改善力学性能有显著作用。国内研制的Si-Mn-Mo-V系结构钢一般采用0.4%～0.5%的含量^[15]。为了节约使用钼，在成分设计试验时，进行了含钼0.4%～0.5%和0.3%～0.4%两种钢的对比试验^[3]。试验结果表明，由于这个钢种在低温回火状态使用，没有必要消除可逆回火脆性及提高高温回火抗力，0.3%～0.4%的钼含量已足够。(www.xing528.com)

钒在合金结构钢中主要是提高回火抗力和细化晶粒。含量较高时，能有效地产生二次硬化作用。而在低温回火马氏体钢中，只需发挥细化晶粒的作用。因此0.07%～0.12%的含量即可。我们在成分设计试验过程发现，过高的钒含量反而降低钢的塑性韧性，并影响淬透性。

综上分析，确定钢的设计成分见表1。

表1 20SiMn2MoVA设计成分

试验室试验和生产实践证明，上述成分能够在较大截面获得低碳马氏体。有人认为，低碳Si-Mn-Mo-V系钢淬火后，即使小截面试样也是马氏体和贝氏体的混合组织，因此塑性韧性受到影响。我们在金相分析中，采用多种腐蚀剂和不同试验方法进行组织鉴别，认为20SiMn2MoVA淬火后的组织，即使较大截面试样也是以马氏体为主的。而试验证明，一定量的非马氏体分解产物对低碳马氏体的综合力学性能影响不大^[2]。在石油射孔器试制过程，曾将一批射孔器实物于900℃空冷，200℃回火，得到低碳马氏体和低碳贝氏体的混合组织，塑性韧性较高，仅因强度较低而对使用寿命有所影响^[4]。