Development of M42 and above 12.9 Grade High Hardenability 42CrMoVNb Bolt Steel

Liang Enpu; Gong Xuejin; Xu Yongfeng; Zhang Bangqiang; Xu Le; Wang Maoqiu

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00015

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Development of M42 and above 12.9 Grade High Hardenability 42CrMoVNb Bolt Steel

Product Research and Development | 更新时间：2025-11-06

- Development of M42 and above 12.9 Grade High Hardenability 42CrMoVNb Bolt Steel
- Special Steel Vol. 46, Issue 6, Pages: 81-89(2025)
- 作者机构：
  
  1.钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院，北京 100081
  2.东方电气风电股份有限公司，德阳 618000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00015
  CLC： TG142.1;TF76
- Received：21 January 2025，
  
  Revised：2025-03-04，
  
  Accepted：04 March 2025，
  
  Published：30 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
梁恩溥,龚学进,徐永锋等.M42及以上12.9级高淬透性42CrMoVNb螺栓钢研制[J].特殊钢,2025,46(06):81-89.

Liang Enpu,Gong Xuejin,Xu Yongfeng,et al.Development of M42 and above 12.9 Grade High Hardenability 42CrMoVNb Bolt Steel[J].Special Steel,2025,46(06):81-89.
梁恩溥,龚学进,徐永锋等.M42及以上12.9级高淬透性42CrMoVNb螺栓钢研制[J].特殊钢,2025,46(06):81-89. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00015.

Liang Enpu,Gong Xuejin,Xu Yongfeng,et al.Development of M42 and above 12.9 Grade High Hardenability 42CrMoVNb Bolt Steel[J].Special Steel,2025,46(06):81-89. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00015.

摘要

为满足M42及以上12.9级螺栓材料对高淬透性和高强化的需求，在42CrMo钢的基础上，通过化学成分的优化，添加微合金化元素

［V］0.22%、

［Nb］0.03%，得到的42CrMoVNb钢，利用末端淬火试验探究了42CrMoVNb螺栓钢的淬透性，采用OM表征了42CrMoVNb螺栓钢的显微组织和晶粒大小，借助TEM等手段表征了42CrMoVNb螺栓钢中的析出相，并通过室温拉伸试验测定了42CrMoVNb螺栓钢的力学性能。同时，分析了化学成分对淬透性的影响，研究了热处理工艺对42CrMoVNb螺栓钢的力学性能影响规律，并揭示了化学成分对力学性能影响机制。结果表明，和42CrMo钢相

比，42CrMoVNb螺栓钢中添加的V、Nb元素可以显著提高材料的淬透性，主要原因是V元素通过抑制铁素体的形成和生长速率，提高了奥氏体的稳定性，进而提高了淬透性。同时，利用V、Nb元素形成的碳化物析出强化提高了力学性能，降低了表面硬度波动，使得42CrMoVNb螺栓钢截面力学性能更加均匀。设计的42CrMoVNb螺栓钢经过870 ℃+600 ℃调质处理后满足12.9级螺栓的制造要求，经过870 ℃+500 ℃调质处理后满足14.9级螺栓的制造要求。

Abstract

In order to meet the high hardenability and strengthening requirements of M42 and above grade 12.9 bolt materials， on the basis of 42 CrMo steel， through chemical composition optimization， the 42CrMoVNb steel was obtained by adding micro-alloying elements

［V］0.22% and

［Nb］0.03%. The quenability of 42CrMoVNb bolt steel was explored by end quenching test， the microstructure and grain size of 42CrMoVNb bolt steel were characterized by OM， the precipitated phase of 42CrMoVNb bolt steel was characterized by TEM and other means， and the mechanical properties of 42CrMoVNb bolt steel were determined by room temperature tensile test.At the same time， the influence of chemical composition on hardenability properties was analyzed， and the influence of heat treatment process on the mechanical properties of 42CrMoVNb bolt steel was studied， and then the influence mechanism of chemical composition on mechanical properties was revealed. The results show that compared with 42CrMo steel， the addition of V and Nb elements in 42CrMoVNb bolt steel can significantly improve the hardenability of the material. The main reason is that V element inhibits the formation and growth rate of ferrite， improves the stability of austenite， and thus enhances hardenability. At the same time， the precipitation strengthening of carbides formed by V and Nb elements has improved the mechanical properties， reduced surface hardness fluctuations， and made the mechanical properties of 42CrMoVNb bolt steel sections more uniform.The designed 42CrMoVNb bolt steel meets the manufacturing requirements of grade 12.9 bolts after quenching and tempering at 870 ℃+600 ℃， and meets the manufacturing requirements of grade 14.9 bolts aft

er quenching and tempering at 870 ℃+500 ℃.

关键词

Keywords

references

惠卫军，董瀚，翁宇庆 . 高强度螺栓钢的发展动向［J］. 机械工程材料， 200 ， 26 （ 11 ）： 1 - 4 .

吴重仲，刘大勇，闫文吉，等 . 海上风机螺栓用钢的腐蚀及疲劳行为［J］. 腐蚀与防护， 2024 ， 45 （ 11 ）： 61 - 68 .

郑建军，陈浩，张涛，等 . 风机叶片紧固螺栓断裂原因［J］. 理化检验（物理分册）， 2023 ， 59 （ 3 ）： 57 - 60 .

王朴，童辉 . 35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 5 ）： 294 - 297 .

焦　丽，商海昆，何剑丰，等 . 柴油机用42CrMo钢高强度螺栓断裂失效分析［J］. 金属热处理， 2021 ， 46 （ 6 ）： 245 - 249 .

张先鸣 . 风电机组用高强度螺栓断裂分析［J］. 金属制品， 2013 ， 39 （ 2 ）： 45 - 48 .

王海金 . 工程机械高强度螺栓的疲劳断裂分析［J］. 失效分析与预防， 2024 ， 19 （ 4 ）： 284 - 289 .

吕超然，史超，蒋伟斌，等 . Al对42CrMo螺栓钢淬透性的影响［J］. 金属热处理， 2020 ， 45 （ 10 ）： 164 - 170 .

吕明奎，夏　添，张保耀，等 . 35CrMo钢高强度螺栓热处理工艺优化［J］. 金属热处理， 2024 ， 49 （ 5 ）： 226 - 230 .

刘多智，李延峰 . 大规格42CrMo锻材调质工艺的改进［J］. 热处理技术与装备， 2008 ， 29 （ 3 ）： 74 - 76 .

董　瀚，廉心桐，胡春东，等 . 钢的高性能化理论与技术进展［J］. 金属学报， 2020 ， 56 （ 4 ）： 558 - 582 .

李　娜，郑子行，索晓娜 . 高强度螺栓失效原因分析和预防措施［J］. 船舶工程， 2024 ， 46 （ S1 ）： 235 - 238 .

邓　婕，刘佳敏，闫晓彦，等 . 钢结构端板连接用M24高强度螺栓疲劳裂纹扩展数值分析［J］. 中国科技论文， 2023 ， 18 （ 10 ）： 1082 - 1090 .

吴冰洁，朱明冬，王留兵，等 . 基于JMatPro计算的91钢热处理工艺研究［J］. 热处理， 2024 ， 39 （ 5 ）： 6 - 8+14 .

常志刚，杨　国，赵换霞，等 . Ni元素对曲轴用42CrMoA钢力学性能的影响［J］. 河北冶金， 2024 （ 6 ）： 20 - 23 .

董战利，娄梦杰，孟显祖，等 . 支重轮用钢40Mn2淬透性的优化［J］. 河北冶金， 2024 （ 1 ）： 59 - 63 .

关海龙，岳建博，田家龙，等 . 镍对新型热作模具钢连续冷却转变规律与冲击功的影响［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 6 ）： 108 - 116 .

苏　帅，韩　鹏，杨善武，等 . Ni含量对高强度低合金钢淬透性影响的晶体学认识［J］. 金属学报， 2024 ， 60 （ 6 ）： 789 - 801 .

惠卫军，董瀚，翁宇庆，等 . 高强度螺栓钢的合金设计和性能［J］. 钢铁研究学报， 2003 ， 15 （ 2 ）： 30 - 33 .

吕超然，徐　乐，史　超，等 . Al对42CrMo螺栓钢淬透性及组织的影响［J］. 金属学报， 2020 ， 56 （ 10 ）： 1324 - 1334 .

斯庭智，吴宗双，高亚磊，等 . Ti、B微合金化42CrMo钢的组织与性能［J］. 金属热处理， 2012 ， 37 （ 11 ）： 46 - 50 .

张丽娜，王长春，解福祥，等 . 回火温度对42CrMo齿轮钢组织与力学性能的影响［J］. 热加工工艺， 2022 ， 51 （ 4 ）： 143 - 145 .

邢嘉倪，蔡欣，郑雷刚，等 . 淬火及回火温度对新型中碳合金钢42CrMo4M组织性能的影响［J］. 材料热处理学报， 2022 ， 43 （ 5 ）： 124 - 133 .

刘国亮，唐梦兰，李　栋，等 . 42CrMo钢回火组织演变及屈服强度预测［J］. 材料热处理学报， 2020 ， 41 （ 7 ）： 144 - 150 .

吉宏斌，王建梅，程先华，等 . 稀土La对42CrMo钢碳化物析出特征及摩擦学性能增强机理研究［J］. 摩擦学学报（中英文）， 2024 ， 44 （ 8 ）： 1032 - 1042 .

谢　有，成国光，陈　列，等 . H13热作模具钢大尺寸析出相特征及生成机制［J］. 中国冶金， 2016 ， 26 （ 4 ）： 32 - 37 .

刘　峰，王天乐 . 基于热力学和动力学协同的析出相模拟［J］. 金属学报， 2021 ， 57 （ 1 ）： 55 - 70 .

李晓闲，孙新军，杨庚蔚，等 . 低碳钒微合金钢的淬透性研究［J］. 材料工程， 2014 ， 42 （ 4 ）： 58 - 62 .

雍歧龙 . 钢铁材料中的第二相［M］. 北京：冶金工业出版社， 2006 .

Nosovi V B ， Yurasov S A . Calculation of hardenability of structural steels from their chemical composition ［J］. Metal Science and Heat Treatment ， 1995 ， 37 （ 1 ）： 16 - 21 .

孙东云，陈　晨，张福成，等 . 奥氏体化温度对V微合金中碳钢淬透性与力学性能的影响［J］. 燕山大学学报， 2019 ， 43 （ 3 ）： 189 - 198 .

蔡　锋 . 钛微合金化低碳钢相变动力学及组织性能研究［D］. 武汉：武汉科技大学， 2024 .

刘文庆，褚玉良，王泽民，等 . 铌-钒微合金钢中碳氮化合物的析出特点［J］. 理化检验（物理分册）， 2008 ， 44 （ 10 ）： 540 - 543 .

张　可，孙新军，张明亚，等 . Ti-V-Mo复合微合金钢中（Ti， V， Mo）C在γ/α中沉淀析出的动力学［J］. 金属学报， 2018 ， 54 （ 8 ）： 1122 - 1130 .

杨　颖，侯华兴，史乃安，等 . 高钛低碳钢中Nb、Ti的析出行为［J］. 热加工工艺， 2010 ， 39 （ 2 ）： 40 - 42 .

刘年富，胡涛，田钱仁，等 . 钒对高温渗碳SCM420H齿轮钢组织和淬透性的影响［J］. 钢铁钒钛， 20 ， 43 （ 03 ）： 125 - 131 .

赵海涛，孙　剑，陈红卫，等 . 基于钒超淬透性的8.8级耐候螺栓淬透性调控［J］. 河北冶金， 2021 （ 10 ）： 29 - 32+45 .

李运辉，刘新波，朱林林 . 钒强化对曲轴用钢42CrMoA淬透性影响研究［J］. 特钢技术， 2020 ， 26 （ 1 ）： 39 - 44 .

Cias W.W. ， Phase transformational kinetics and hardenability of low-carbon， boron-treated steels . Metallurgical Transactions ， 1973 . 4 （ 2 ）： 603 - 614 .

Garbarz B ， Pickering F B . Relationship between hardness and microstructure of continuously cooled C-Mn-V steels ［J］. Materials Science and Technology ， 1986 ， 2 （ 11 ）： 1016 - 1114 .

Garbarz B ， Pickering F B . Effect of vanadium and austenitising temperature on hardenability of （0·2-0·3）C-1·6Mn steels with and without additions of titanium， aluminium， and molybdenum ［J］. Materials Science and Technology ， 1988 ， 4 （ 2 ）： 117 - 126 .

Lin H R ， Cheng G H . Hardenability effect of boron on carbon steels ［J］. Materials Science and Technology ， 1987 ， 3 （ 10 ）： 855 - 859 .

傅万堂，王　薇，任利国，等 . 钒分布特性对新型980 MPa级特厚板用海工钢淬透性的影响［J/OL］. 金属学报， https：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.tg.20240321.1019.006 https://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.tg.20240321.1019.006 .

陈文杰，尉文超，王毛球，等 . Nb微合金化对20CrNiMoH齿轮钢淬透性的影响［J］. 材料热处理学报， 2023 ， 44 （ 7 ）： 134 - 140 .

马　莉，王毛球，徐香秋，等 . 铌硼微合金化齿轮钢的晶粒尺寸及淬透性［J］. 材料热处理学报， 2009 ， 30 （ 5 ）： 74 - 78+91 .

柳洋波，崔京玉，佟　倩，等 . Nb含量对20CrMnTi钢淬透性的影响［J］. 金属热处理， 2014 ， 39 （ 5 ）： 47 - 50 .

王　巍，付立铭 . 夹杂物/析出相尺寸对晶内铁素体形核的影响［J］. 金属学报， 2008 ， 44 （ 6 ）： 723 - 728 .

曹燕光，李昭东，丁灿灿，等 . 铌微合金化对高铁车轴钢淬透性的影响［J］. 钢铁， 2020 ， 55 （ 6 ）： 107 - 112 .

何肖飞，曹燕光，王毛球，等 . 齿轮钢晶粒尺寸对淬透性的影响［J］. 钢铁研究学报， 2018 ， 30 （ 3 ）： 206 - 212 .

金　满，连建设，江中浩 . 结构钢端淬曲线预测新方法［J］. 金属学报， 2006 ， 42 （ 4 ）： 405 - 410 .

陈龙海，李长荣，黎志英，等 . HRB500E钢中第二相VC的异质形核分析与晶粒细化［J］. 材料导报， 2020 ， 34 （ S1 ）： 436 - 439 .

李　斌，张修睦，李　蓉，等 . 马氏体在位错偶上形核长大的分子动力学模拟研究［J］. 金属学报， 1998 ， 34 （ 8 ）： 813 - 818 .

赵杰，徐海峰，时捷，等 . 细晶强化和位错强化对中锰马氏体钢的强化作用［J］. 钢铁， 2012 ， 47 （ 8 ）： 57 - 61 .

梁恩溥，徐　乐，王毛球，等 . NiAl和Cu在40CrNi3MoV钢中的析出行为及其对力学性能的影响［J］. 金属学报， 2024 ， 60 （ 2 ）： 201 - 210 .

张正延，孙新军，雍岐龙，等 . Nb-Mo微合金高强钢强化机理及其纳米级碳化物析出行为［J］. 金属学报， 2016 ， 52 （ 4 ）： 410 - 418 .

熊辉辉，刘　昭，张恒华，等 . 合金元素对钢中NbC异质形核影响的第一性原理研究［J］. 物理学报， 2017 ， 66 （ 16 ）： 287 - 293 .

梁恩溥，徐乐，杨勇，等 . 添加Al、Cu对40CrNi3MoV钢组织和力学性能的影响［J］. 金属热处理， 2022 ， 47 （ 4 ）： 17 - 23 .

卢茂勇，徐乐，李浩，等 . Ti微合金化对25Cr3Mo3NiNbZr钢碳化物析出行为和高温强度的影响［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 11 ）： 29 - 37 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Effect of Precipitate Phase Pretreatment on Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Bolts

Effect of Heat Treatment Regime on Mechanical Properties and Microstructure of 0.37C-0.6Mn-0.82Cr Steel

Effect of Forging Process on Microstructure and Properties of Fe10Cr10Co Soft Magnetic Alloy

Related Author

Liang Enpu

Xu Le

Wang Xu

Wang Ying

Wang Yang

Zhou Lei

Wang Xu

Xu Lei

Related Institution

Special Steel Division， Nanjing Iron & Steel Co.， Ltd.

Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co.， Ltd.

Xi'an Gangyan Special Alloy Co.，Ltd

Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.

Institute for Special Steels， Central Iron and Steel Research Institute Co.， Ltd. （CISRI）

⁰