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摘要：30CrMo钢多用于杆轴类承力件，服役时常同时受到拉伸和扭转载荷，单看抗拉强度难以说明其低温回火后的使用状态。本文依据室温拉伸和扭转试验方法，利用电子万能材料试验机、微机控制电子扭转试验机，对300 ℃×8 h回火前后30CrMo钢的拉伸指标和扭转指标进行比较。结果显示，回火后材料的拉伸强度基本保持稳定，塑性指标略有降低；扭矩类指标提高约9%～10%，断裂扭角由489.5°增至960.6°。这一结果表明，该回火制度对轴向强度影响较小，但能增加扭断前的角变形量，可作为30CrMo钢杆轴类零件中低温回火工艺评价的参考。

关键词：30CrMo钢；低温回火；拉伸性能；扭转性能；断裂扭角

引言

30CrMo钢合金元素含量适中，淬透性和强韧性匹配较好，常用于液压缸钢管、抽油杆、锯片基体及高载荷杆轴类承力构件。这类零件服役时往往同时承受轴向拉/压和扭转载荷，有时还伴随交变作用。若只考察抗拉强度，难以反映材料在剪切状态下的变形和断裂表现，因此有必要把拉伸性能与扭转性能放在一起分析。

关于30CrMo钢的热处理工艺和力学行为，已有研究主要围绕组织演变、硬度和强塑性匹配展开。刘振辉等[1]研究了液压缸用30CrMo钢管的热处理工艺，讨论了淬火温度对硬度、金相组织和综合性能的影响。郭兆东等[2]以30CrMo锯片用钢为对象，给出了淬火马氏体、回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体随回火温度变化的组织路径，并指出硬度下降、韧性回升的趋势。石亚超[3]在30CrMo抽油杆研究中认为，冷拔变形和热处理共同影响材料组织与性能。王葛等[4-5]通过Q-P-T及深冷处理获得了较高强塑积。黄辉辉等[6]在CSP热轧30CrMo带钢研究中发现，300 ℃×2 h回火可使屈服强度达到峰值，但伸长率降至最低，表现出回火马氏体脆性特征。

现有研究更多关注较高温度回火后的组织、硬度、冲击韧性或单轴拉伸性能。对300 ℃×8 h这类中低温长时间回火条件下，同一批30CrMo钢拉伸与扭转性能的并列比较仍不多。基于此，本文开展室温拉伸和扭转试验，比较30CrMo钢回火前后的力学性能，重点讨论“拉伸强度变化较小，而扭转变形能力明显增大”的现象，为该钢种中低温回火工艺评价提供试验依据。

1.试验方法

1.1 试验材料

试验材料为商用30CrMo中碳低合金结构钢。结合相关文献[1-5]，其名义化学成分（质量分数，%）通常为：C 0.26～0.34、Si 0.17～0.37、Mn 0.40～0.70、Cr 0.80～1.10、Mo 0.15～0.25，余量为Fe，P、S等杂质元素含量较低。

1.2 试样状态与回火工艺

试样分为回火前和回火后两组。回火前组为未经300 ℃回火处理的对照组，回火后组经300 ℃保温8 h后冷却至室温。两组拉伸试样和扭转试样均取自同一批材料，以减少材料批次差异的影响。该制度属于中低温长时回火，温度低于常规中、高温回火区间，但保温时间较长。其作用主要与残余应力释放、过饱和固溶碳原子部分脱溶以及亚稳组织稳定化有关。

1.3 单轴拉伸试验

拉伸试样按GB/T 228—2002加工为圆形比例试样，标距段直径d₀=10 mm，原始标距L₀=5d₀=50 mm。试验前测量原始横截面积，并在试样表面标记标距。室温拉伸试验在电子万能材料试验机上进行，试样对中装夹后，由微机控制系统按设定参数加载，记录载荷、变形和位移数据，直至试样断裂。本文从试验机软件截图中读取下屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断裂总延伸率At和最大力塑性伸长率Ag等指标。

1.4 扭转试验

扭转试样同样采用圆形比例试样，标距段直径d₀=10 mm，原始标距L₀=50 mm。试验前在标距段多点测量直径，并取最小值作为计算依据。扭转试验在微机控制电子扭转试验机上进行，试样两端分别夹持在主动夹头和从动夹头之间，从动夹头可沿轴向自由移动，以减少附加轴向力的影响。加载过程中记录扭矩-扭角响应，直至试样断裂。下屈服扭矩TeL、最大扭矩Tm、规定非比例扭矩Tp和断裂扭角等指标由参数面板读取。

1.5 数据处理方法

图1和图2分别为回火前后30CrMo钢的拉伸应力-位移曲线和扭转扭矩-扭角曲线。ReL、Rm、At、Ag、TeL、Tm、Tp及断裂扭角等参数由试验截图面板读取后整理为表1和表2。变化率按（回火后−回火前）/回火前×100%计算，用于描述300 ℃×8 h回火前后的指标变化。

2.实验结果与分析

表1列出了回火前后30CrMo钢的拉伸性能。300 ℃×8 h回火后，ReL由975.7 MPa升至988.4 MPa，提高1.30%。Rm由1073.3 MPa升至1086.0 MPa，提高1.18%。两项强度指标的变化幅度均约为1%，说明该回火制度对室温拉伸强度的影响较小。

塑性指标没有同步提高。At由28.0%降至26.5%，Ag由6.76%降至5.19%，其中Ag的下降更明显，表明300 ℃回火未改善本组试样的拉伸塑性。

总体看，300 ℃×8 h回火后材料的轴向承载水平基本保持稳定，ReL和Rm仅有小幅上升。后文讨论的扭转性能变化，并不是以拉伸强度下降为代价得到的。

表2给出了回火前后30CrMo钢的扭转性能。回火后TeL由69.42 N·m升至76.38 N·m，提高10.03%。Tm由88.89 N·m升至96.87 N·m，提高8.98%。Tp由53.23 N·m升至57.95 N·m，提高8.87%。与拉伸强度约1%的变化相比，扭矩类指标的变化更为明显。

断裂扭角变化最大，由489.5°增至960.6°，增幅为96.2%，接近翻倍。断裂扭角反映试样在扭断前可承受的角变形量，该指标增大，说明材料在剪切受力下具有更大的断裂前塑性变形空间。结合30CrMo钢热处理相关研究[1-5]推测，这一变化可能与中低温长时回火引起的残余应力释放、亚稳组织稳定化及位错结构调整有关。

对杆轴类零件来说，断裂前角变形能力直接关系到过载或瞬时扭矩作用下的变形余量。相比单一抗拉强度，断裂扭角更能反映材料在扭转载荷下的使用状态。

从幅度上看，扭矩类指标提升不足11%，而断裂扭角增加了96.2%。这表明该回火制度的主要影响不是大幅提高扭转承载能力，而是增加断裂前的塑性角变形。对承受扭转载荷的杆轴类零件，这一变化比抗拉强度的小幅波动更值得关注。

2.3 拉伸与扭转性能差异分析

表1和表2可以看出，300 ℃×8 h回火后，30CrMo钢拉伸强度只发生微幅变化，扭矩类指标提高约9%～10%，断裂扭角增加96.2%。这种差异与加载方式有关：拉伸主要反映轴向承载能力，扭转则更能体现材料在剪切状态下的变形和断裂特征。

与文献数据相比，本文回火后抗拉强度1086.0 MPa接近石亚超[3]报道的调质态30CrMo抽油杆水平，但低于王葛等[4-5]Q-P-T及深冷处理所得高强度区间。与黄辉辉等[6]的300 ℃×2 h回火结果相比，本文300 ℃×8 h回火后拉伸强度基本稳定、断裂扭角明显增大，说明不同初始组织状态和回火制度会影响30CrMo钢的力学响应。因此，评价该钢种回火效果时，除抗拉强度外，还应关注扭转指标和断裂变形量。

2.4 研究不足与展望

本文每种状态仅获得一组拉伸和扭转数据，尚不能评价结果重复性；同时缺少显微组织、断口形貌和硬度测试，因此机理分析仍以宏观力学结果和文献对照为主。后续可补充重复试验、组织表征与断口分析，以进一步验证300 ℃×8 h回火对30CrMo钢拉伸和扭转性能的影响。

结论

本文以30CrMo钢为对象，比较了300 ℃×8 h回火前后的室温拉伸和扭转性能，得到以下结论：

1. 300 ℃×8 h回火对30CrMo钢室温拉伸强度影响较小。回火后ReL由975.7 MPa升至988.4 MPa，Rm由1073.3 MPa升至1086.0 MPa，变化幅度均约1%。At由28.0%降至26.5%，Ag由6.76%降至5.19%。该制度基本保持了材料轴向承载水平，但没有改善拉伸塑性。

2. 回火后30CrMo钢扭转性能有所提高。TeL、Tm和Tp分别提高10.03%、8.98%和8.87%。断裂扭角由489.5°增至960.6°，增幅为96.2%，表明材料在剪切受力条件下的断裂前塑性变形能力增加。

3. 300 ℃×8 h回火后，30CrMo钢表现出拉伸与扭转响应差异：拉伸强度基本稳定，扭转承载能力小幅提高，断裂前角变形量明显增加。对于承受扭转载荷的杆轴类零件，评价回火工艺时应同时比较抗拉强度、扭矩类指标和断裂扭角，避免只依据单一强度指标判断其适用性。

参考文献

[1] 刘振辉,秦洪权,宋会,等.液压缸用30CrMo钢管热处理工艺及性能研究[J].金属加工(热加工),2025(1):117-121. 

[2] 郭兆东,张丽娜,王洪敏,钟雨龙,索忠源.热处理对30CrMo锯片用钢组织及力学性能的影响[J].热加工工艺,2019,48(2):254-256. 

[3] 石亚超.冷拔和热处理对30CrMo钢抽油杆组织和性能的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021. 

[4] 王葛,刘胜强,郭伟,李怀欣,韩大阔,李志广,李强.Q-P-T工艺对30CrMo钢组织和力学性能的影响[J].材料热处理学报,2020,41(1):57-65. 

[5] 王葛,刘胜强,郭伟,李怀欣,韩大阔,李志广,李强.30CrMo钢Q-P-T及深冷处理后的组织与性能[J].材料热处理学报,2020,41(4):83-91. 

[6] 黄辉辉,杨庚蔚,赵刚,达传李,何仙灵,蔡珍.CSP热轧30CrMo带钢的热处理工艺[J].钢铁研究学报,2018,30(3):236-243.

王景然，曲彤，舒舟

哈尔滨理工大学(威海)