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一、 核心区别

首先要明确一个关键概念：20CrNiMo（8620H）是“渗碳钢”，而40CrNiMo是“调质钢”。

• 20CrNiMo (SAE8620H)：低碳（~0.20% C），核心工艺是渗碳+淬火+低温回火，追求“表硬里韧”，用于表面耐磨、心部抗冲击的零件（如齿轮）。

• 40CrNiMo：中碳（~0.40% C），核心工艺是调质处理（淬火+高温回火），追求零件整体（从表到心）都具有高强度、高韧性及良好的综合力学性能，用于承受复杂应力（拉、压、弯、扭、冲击）的整体结构件。

“圆钢”是其常见的原材料形态，用于后续锻造或直接机加工。

二、 材料牌号与标准

• 中国牌号：40CrNiMo

• 对应标准：GB/T 3077-2015 《合金结构钢》

• 相近美国牌号：AISI 4340（请注意，4340的Ni含量更高，约1.8%，性能更强，是更直接的对应牌号。美国也有40CrNiMo，但4340更常用。）

• 其他国际牌号：

  • 德国 DIN: 1.6565 / 36CrNiMo4（含碳量略低，成分最接近）

  • 日本 JIS: SNCM439

三、 化学成分（典型值，GB/T 3077）

成分特点：

• 较高的碳含量：提供淬火后获得高硬度和高强度马氏体的基础。

• 高合金含量（特别是Ni）：

  • Ni（镍）：含量高达1.25-1.75%，这是其核心特点。Ni能极大提高钢的韧性，尤其是低温韧性和缺口韧性，并大幅提高淬透性。

  • Cr（铬）：提高强度、硬度和淬透性。

  • Mo（钼）：防止高温回火脆性，细化晶粒，进一步提高淬透性和强度。

• 这种 “Cr-Ni-Mo” 的组合，使其成为综合性能最强的中碳合金结构钢之一，尤其以极高的强韧性配合著称。

四、 性能特点

1. 极高的强度与优异的韧性（核心优势）：经过调质处理后，能实现极高的抗拉强度（≥980 MPa）与良好的冲击韧性（Akv ≥ 63 J）的结合，这是许多其他钢种难以比拟的。

2. 超高淬透性：得益于高Ni含量，其淬透性极好，大截面（直径100mm以上）的工件在油淬后，心部也能获得90%以上的马氏体组织，保证大件性能均匀。

3. 良好的抗疲劳性能和抗过载能力：能承受交变载荷和冲击载荷。

4. 相对较差的工艺性能：

   • 切削加工性：退火状态下仍较难加工，刀具磨损较快。

   • 焊接性：很差。因碳当量高，淬硬倾向大，焊接时极易产生裂纹，必须采取严格的预热、后热及焊后热处理措施，一般不推荐用于焊接结构。

   • 热处理变形倾向：淬火时内应力较大，变形和开裂倾向需要严格控制。

五、 热处理工艺

调质处理是其标准且几乎是唯一的热处理方案：

1. 淬火：加热至约 840-860°C，保温后油冷。由于其高淬透性，大件也可能采用油淬。

2. 回火：根据所需的强度和韧性平衡，在 550-650°C 之间进行高温回火。回火温度越高，强度下降，韧性上升。

3. 结果：得到回火索氏体组织，具有最优的综合力学性能。
   注：有时在调质后，会对需要耐磨的部位进行局部表面淬火（如感应淬火），以提高局部硬度。

六、 主要应用领域（用于最关键的重载部件）

40CrNiMo圆钢经锻造和调质后，用于制造承受极端复杂应力的关键、重载、大截面零部件：

1. 重型机械：

   • 大型挖掘机、履带起重机：主动齿轮轴、回转支承齿轮、履带销轴、高强度连接螺栓。

   • 矿山机械：牙轮钻头、重型传动轴、破碎机主轴。

2. 能源设备：

   • 汽轮发电机：转子主轴、叶轮、联轴器。

   • 水电设备：大尺寸水轮机主轴、连杆。

3. 航空航天：

   • 飞机起落架部件、发动机涡轮轴、直升机旋翼轴（对强重比和可靠性要求极高）。

4. 国防军工：

   • 坦克和装甲车的传动轴、扭力轴、炮管部件。

5. 高性能汽车与赛车：

   • 发动机曲轴、连杆、变速箱输入/输出轴（用于高性能要求场合）。

七、 采购与加工注意事项

由于材料贵重且加工难度大，技术要求极高：

1. 规格与状态：明确圆钢直径（通常为大直径锻材）、长度。交货状态多为锻制圆钢，并经常要求退火态以利于后续加工。

2. 探伤要求：必须进行100%超声波探伤（UT），以确保内部无裂纹、白点、夹杂等致命缺陷。标准通常很严格（如GB/T 6402 Level 1或更高）。

3. 纯净度控制：对于高端应用（航空、核电），会要求采用电渣重熔（ESR） 或真空电弧重熔（VAR） 工艺，以极致降低夹杂物含量，提高疲劳寿命。

4. 性能保证：除了化学成分，采购合同会明确规定调质处理后的力学性能指标（抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功、硬度），并可能要求附试棒性能报告。

5. 加工策略：

   • 粗加工 → 调质 → 精加工 是标准工艺流程。调质变形需在精加工中消除。

   • 切削时需选用高性能硬质合金刀具，采用低转速、大切深、缓进给的策略。

   • 严禁焊接，除非有极其周密的焊接与焊后热处理工艺评定。

40CrNiMo圆钢 是一种高端、重载、高淬透性的中碳合金调质钢。它以高昂的成本（特别是高镍含量），换取了在大截面尺寸下无与伦比的强韧性和综合力学性能，是制造极端工况下关键承力结构件的“王牌”材料之一。

简单对比总结三者：

• SAE8620H (20CrNiMoH)： “渗碳齿轮钢”，用于需要表面耐磨的传动件。

• 40CrNiMo (类似AISI 4340)： “调质结构钢”，用于需要整体强韧的承力件。性能等级和成本远高于前两者。

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