| 在 2024 年双节前夕，作者于某外省市针对大型游乐设施的安全督查进程中，察觉了若干问题。秉持安全、负责之原则，予以梳理、汇总，并于本公众号逐一予以点评。 材料参数不属于督查范围，安全督查过程中，未对材料参数形成任何书面整改意见。本文仅限交流，本人才疏学浅，若有冒犯，请多包涵，若有异议，望各位行业专家批评指正。 |
![]()
1、材料参数
在一次游乐设施的安全督查过程中，无意中翻阅到游乐设施的材料参数，如下图：
2、“Cr”的正确的读法
40Cr，读作“四零gè”，铬（gè，四声），一般学机械的都知道是读gè，因为读luò用拼音打不出来字。读luò是“土专家”的一种市井称谓，有时候为了区分另一种元素“镉”，才读成luò，根据个人意愿，能分辨请就行，不必苛求。
名称中的“40”代表平均碳含量大约为0.40%，而“Cr”代表铬（Chromium），这是一种重要的合金元素，用于提高钢的强度和耐腐蚀性能。3、40Cr属于什么钢
40Cr属于合金结构钢，含碳量0.40%的合金结构钢，它是在碳素结构钢40钢的基础上，适当的添加Cr元素，Cr为主加元素。只含碳元素的钢称为碳素钢（碳钢），只有碳素钢才分：低碳钢、中碳钢和高碳钢。40Cr就不是碳素钢，也就不可能是中碳钢，40Cr是合金结构钢。GB∕T18879-2020《滑道通用技术条件》5.1.11条：重要轴类材料采用45钢、40Cr钢等中碳钢时应采用调质处理。![]()
中碳钢是具有中等含碳量的碳素钢。
中碳钢是碳含量为0.25%～0.60%的碳素钢。它包括大部分优质碳素结构钢和一部分普通碳素结构钢。此类钢大多用于制作各种机械零件，有的用于制作工程结构件。![]()
游乐行业最常用的典型中碳钢是45钢，45钢是优质碳素钢，也是中碳钢，写作“45钢”，不是“45号钢”，材料牌号不是顺序号。这一点，游乐行业的国家标准对材料的描述同样存在瑕疵：GB8408-2018《大型游乐设施安全规范》6.2.1条：
……采用Q345钢、20号钢、45号钢…
《游乐设施安全技术监察规程(试行)》第七条：
重要轴（销轴）类零部件宜采用力学性能不低于45号钢的材料制作。
“45钢”是平均碳含量为0.45%的优质碳素钢，钢牌号为“45”，它不是顺序号，所以不能写成“45号钢”。材料牌号的正确命名是20钢、45钢，没有“号”。
20钢是优质碳素钢，是低碳钢；45钢是优质碳素钢，是中碳钢；40Cr不是碳素钢，也就不可能是中碳钢，40Cr是合金结构钢。
注：GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》取消Q345钢材牌号，改为Q355。![]()
中合金钢的合金元素总含量在5%到10%之间，这与中碳钢的碳含量范围不同，意义不同，因此中合金钢不属于中碳钢的范畴，这完全是不相关的两个概念。中合金钢与中碳钢是两种不同的材料分类，它们在化学成分、物理性质以及应用领域上都有所不同。调质是“淬火+高温回火。
淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。注意，调质是两道热处理工艺的合称。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整（注意是“调整”，而不是“提高”）。
淬火：通常在850°C~860°C进行，以获得均匀细小的奥氏体组织。回火：根据需要的性能选择合适的回火温度，通常在500°C~650°C之间进行。
![]()
在机械设计领域，有一部工具书不能不提——《机械设计手册》，1969年由化学工业出版社正式出版发行，至今已修订到第6版，传承半个世纪，成为我国在机械领域最具权威和影响力的大型工具书。40Cr经过调质，即“淬火+高温回火”后，材料的抗拉强度随着回火温度的升高是降低的，关于抗拉强度降低，《机械设计手册》有专门的说明。如下图：40Cr需要调质，淬火加高温回火，随着高温回火温度越高，强度、硬度越低，而抗冲击性、韧性越高，调质钢高温回火材料性能指标变化曲线如下图所示。![]()
调质钢高温回火性能参数变化曲线
40Cr调质后用于制造承受较大负荷及中等冲击工作的轴类零件，因此要参照《机械设计手册》第7篇第1章表7-1-1。40Cr调质后，抗拉强度为735MPa，调质后硬度为241~286 HB。![]()
《机械设计手册》截图
注意：40Cr调质硬度是“241~286 HB”，不能写作“HB 241~286”。凡是图纸上40Cr的轴，调质后硬度应在这个范围内，不在这个范围的，是错误图纸。设计文件沿用图纸的错误，依然把单位写在数字之前。大学教材担负着科教兴国的重任，通过科技和教育的发展来促进国家的繁荣和民族的振兴，通过教育强国、科技强国和人才强国的建设，为中华民族的伟大复兴奠定坚实的基础。大学教材不仅是知识的传递者，更是国家未来发展和民族振兴的推动力。大学教材是高校培养人才、进行教学的基本工具，作为高等教育的重要组成部分，其内容经过精心挑选、多轮审稿、修订和编纂，旨在为学生提供系统、权威的知识。所谓权威性，是指课本提供的知识真实可靠、用语严谨、堪为典范、经得起检验。作为游乐设施的技术人员，基本都受到过正规的大学教育。机械专业出身的特检行业专家，都学过《机械设计》课程。![]()
作者翻阅普通高等教育“十二五”国家级规划教材，经过六十年打磨经典的全国高校通用教材：《机械设计》（濮良贵），第15章表15-3：轴的常用材料及主要力学特性表。
![]()
大学教材中，轴材料40Cr 的抗拉强度取σb=735 MPa。略低于第六版《机械设计手册》，考虑到该经典教材是十几年前的教材，所列的抗拉强度，略低于当前的《机械设计手册》，也是可以理解。![]()
游乐设施上大部分的轴类用45钢进行加工制造，个别受力大些的轴类零件，用40Cr进行加工制造。很少用到直径超过100mm的40Cr轴，40Cr轴要全部调质处理。经过调质后，可得到强度和韧性等较好综合机械性能。
40Cr是合金结构钢，美国AISI/SAE/ASTM标准钢号5140，在游乐设施上通常用作轴的材料，调质处理后具有良好的综合力学性能，随着回火温度升高，塑性、抗冲击性提高，但硬度、抗拉强度降低。
材料的参数取值，应该依据《机械设计手册》取值。40Cr 的抗拉强度应该取σb=750 MPa。注意：调质的目的是使钢材具有良好的综合力学性能，而不是提高抗拉强度。
为什么材料参数可以任意取值？40Cr的抗拉强度取值980 MPa，Q235B的抗拉强度取值420 MPa/400 MPa，45钢的抗拉强度取值400 MPa，这些材料参数取值的依据是什么？![]()
督查现场游乐设施材料参数2
如果国家标准，如《机械设计手册》中的抗拉强度是范围，是该取范围内的平均值还是取下限值？还是只要取范围内的值都可以？
![]()
《机械设计手册》截图
11.3、思考3
此前讨论过有关材料Q235B、20钢、45钢、40Cr的小短文，有人说该话题在行业内存在争议。
是否材质单的数据只要厂家取值就可以？设计阶段材料参数的取值，是否存在争议？
![]()
声明：作为圈外人士，越俎代庖的谈论一点不成熟的看法，闲聊一番，权当消遣。本文仅限学术交流，仅为作者个人之愚见，诚恳接受行业专家批评指正！
