工程材料第5章

第5章工业用钢5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用

5.2钢的分类与牌号

5.3结构钢——工程结构用钢

5.4结构钢——机械结构用钢

5.5工具钢

5.6特殊性能钢

知识窗——功能材料

自测习题

5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用

由于冶炼工艺的原因，钢中会残留一定量的硅、锰、硫、磷、非金属夹杂物及气体元素等，这些元素不是有意加入的，一般称作杂质元素。为使金属具有某些性能，特意要加入合金元素(包括超过规定含量的杂质元素)，钢中常用的合金元素有：锰(Mn)、硅(Si)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钴(Co)、铝(Al)、硼(B)、稀土元素(Re)等，有时硫、磷、氮等也称为合金元素。合金元素的含量根据性能要求而定，铬、镍、锰等有时可以超过10%，而硼的含量一般为0.0005%～0.0035%；实践中，常加入我国资源丰富的元素，如硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素等。

5.1.1常存杂质元素对钢性能的影响

1．锰的影响锰是炼钢过程中作为脱氧剂带入的，在碳素钢中锰的含量通常为0.25%～0.8%。锰在钢中大部分溶于铁素体，使铁素体固溶强化；小部分溶于渗碳体，形成合金渗碳体，提高其硬度；锰还能改变相图位置，增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。锰可与硫化合形成MnS，降低硫的有害作用。因此，一般认为，锰是钢中的有益元素。但Mn含量高时，可增加钢的过热倾向。

2．硅的影响硅也是由炼钢过程带入的，在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.10%～0.40%；在沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.03%～0.07%。硅能溶于铁素体，产生固溶强化，从而使钢的强度、硬度及弹性提高。硅是钢中的有益元素。

3．硫的影响在钢中，硫很难溶于铁素体，主要以FeS(1190℃)的形态存在。FeS塑性差，使钢的脆性增大；FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体分布在奥氏体晶界上。钢加热到1000～1200℃进行压力加工时，晶界共晶体已经熔化，加工过程中就会沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。因此，硫是钢中的有害元素，钢中的含硫量不超过0.05%。为了消除硫的有害作用，钢中必须加入一定量的锰。硫和锰的亲和力较强，易形成熔点高的MnS(1620℃)，呈粒状分布在晶粒内，避免形成FeS而产生热脆。

4．磷的影响钢中的磷能全部溶于铁素体中，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使钢在室温下的塑性、韧性急剧下降，使钢变脆，这种现象称为冷脆性，在低温时冷脆更为严重。因此，磷是钢中的有害元素。硫和磷是钢中的有害元素，在钢中应严加控制。但事物不是绝对的，在易切削钢中，适当增加硫、磷的含量可以改善钢的切削加工性能，延长刀具的使用寿命。

5.1.2合金元素在钢中的作用1．合金元素在钢中的存在形式1)固溶体合金元素在钢中能够溶于铁素体、奥氏体或马氏体中形成固溶体，产生固溶强化。合金元素溶于铁素体称为合金铁素体，合金铁素体产生固溶强化，P、Si、Mn的固溶强化效果最明显，能显著提高铁素体的强度和硬度；但当含量超过一定值后，铁素体的塑性急剧下降，因此，钢中这些元素应加以限制。铬和镍在一定范围内(wCr≤2%，wNi≤5%)时，不仅能够强化铁素体，而且钢的韧性也得到提高。

2)金属化合物合金元素在钢中可以形成各种金属化合物，其中和碳相互作用形成合金碳化物是最重要的。根据合金元素是否形成碳化物，将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。非碳化物形成元素主要包括Ni、Si、Cu、Al、Co等，一般形成固溶体。

碳化物形成元素根据和碳亲合力的强弱分为弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素和强碳化物形成元素。Mn为弱碳化物形成元素，一般溶入渗碳体，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C；Cr、Mo、W等是中强碳化物形成元素，含量较少时倾向形成合金渗碳体，如(Fe,Cr)3C等，含量多时形成特殊碳化物，如

Cr23C6、Cr7C3等；V、Nb、Zr、Ti是强碳化物形成元素，只要钢中有碳存在，就会形成特殊碳化物，如VC、TiC等。

碳化物一般具有硬而脆的特点，尤其是特殊碳化物具有高熔点、高硬度和高耐磨性。碳化物的种类、数量、形态、大小和分布直接影响钢的性能及热处理特点，属于钢中的主要强化相。例如，钢中弥散分布的特殊碳化物将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性。某些钢中还形成非金属夹杂物，例如Al2O3、SiO2等；此外，钢中有些元素既难溶于铁，也不易形成化合物，以游离态存在，如Pb、Cu等。

2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1)合金元素对奥氏体相区的影响镍、钴、锰等合金元素的加入使奥氏体相区扩大，如图5-1(a)所示；铬、钨、钼、钒、钛、硅等等合金元素的加入使奥氏体相区缩小，如图5-1(b)所示。

图5-1合金元素对奥氏体相区的影响

2)合金元素对相图中S点和E点位置的影响大多数合金元素含量的增加都使Fe-Fe3C相图的S点和E点位置向左移动。扩大奥氏体相区的元素使相图的S、E点向左下方移动，而缩小奥氏体相区的元素使相图的S、E点向左上方移动。如图5-2所示，Mn使S、E点向左下方移动，Cr使S、E点向左上方移动。

图5-2Mn、Cr对奥氏体相区的影响

S点左移降低了共析钢的含碳量，使亚共析钢获得共析钢组织，例如在含碳量为0.4%的钢中加入一定量的合金元素后可以成为共析钢，从而提高钢的强度，改善力学性能；E点左移降低了奥氏体的最大溶碳量，使含碳量小于2.11%的铁碳合金组织中出现莱氏体，例如，高速钢(W18Cr4V)含碳量为0.7%～0.8%，由于大量合金元素的存在，其铸态中出现莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。

3．合金元素对钢热处理的影响1)对钢加热转变的影响大多数合金元素减缓了奥氏体化的过程。合金元素的原子在钢中扩散困难，同时它还降低了碳在钢中的扩散速度，使钢的奥氏体化不易进行。要发挥合金元素的作用，使合金元素溶入奥氏体，加热时，合金钢往往需要更高的加热温度和较长的保温时间。另外，一些合金元素还阻碍奥氏体晶粒的长大，在加热时不易过热，对钢以后的热处理有利。例如，合金渗碳钢在渗碳以后，就可直接淬火，降低了成本，提高了生产效率。

2)合金元素对过冷奥氏体转变的影响除钴以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，提高了奥氏体的稳定性，使钢的C曲线右移。如图5-3所示，非碳化物形成元素只使C曲线右移；大多数碳化物形成元素不仅使C曲线右移，还使C曲线形状发生变化，出现两个鼻尖。

图5-3合金元素对C曲线的影响

合金元素提高了钢的淬透性。由于合金元素使钢的C曲线右移，马氏体临界冷却速度降低，从而提高了钢的淬透性。目前，淬透性好的钢，大多采用“多元少量”的合金化原则。钢淬透性高时的应用有：①

对于尺寸较大的零件，可增加脆硬深度，满足性能要求；②

淬火时，可用冷却能力较缓的介质，降低淬火应力，减少工件变形与开裂；③

某些合金钢过冷奥氏体非常稳定，C曲线右移较多，即使空冷也能形成马氏体组织，这类钢称作马氏体钢或空淬钢。

3)合金元素对回火转变的影响(1)提高了钢的回火稳定性。淬火钢在回火时抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性，也叫耐回火性。这是由于溶入马氏体的合金元素的原子扩散速度很慢，使马氏体分解困难，碳化物不易析出，析出后也难聚集长大。这样，相同条件回火后，合金钢的强度、硬度往往高于相同含碳量的非合金钢。合金钢在回火时，如果要得到和非合金钢相同的硬度，就需要加热到更高的温度，保温更长的时间。

(2)产生二次硬化。淬火钢在回火的某个阶段，硬度不下降，反而升高的现象称为二次硬化。二次硬化现象通常发生在高合金钢中，回火温度达到500～600℃，溶入马氏体中的强碳化物形成元素从马氏体中析出，形成弥散分布的特殊碳化物(Mo2C、W2C、VC等)，这些碳化物数量大、弥散度高，并和马氏体保持共格关系，使钢的硬度不但不下将反而升高。如图5-4所示为Mo产生的二次硬化现象。

图5-4合金元素对回火硬度的影响

(3)产生第二类回火脆性。某些合金钢在450～650℃回火时出现韧性下降的现象，称为第二类回火脆性(高温回火脆性)，如图5-5所示。第一类回火脆性，无论非合金钢还是合金钢都会出现，而第二类回火脆性主要在含铬、镍、锰、硅的调质钢中出现。

图5-5回火温度对钢冲击韧性的影响

第二类回火脆性产生的原因一般认为与杂质或某些合金元素向晶界偏聚有关。实践证明，各类合金结构钢都有产生第二类回火脆性的倾向，只是程度有所不同。目前，防止第二类回火脆性的方法有：提高钢的纯度；小截面工件回火后采用快冷(油冷或水冷)；大截面工件加入一定量的钨或钼。

5.2钢的分类与牌号

5.2.1钢的分类钢的品种很多，其分类方法也很多，常用的有：按化学成分分为：非合金钢(过去称碳素钢)、低合金钢、合金钢三大类。按用途分为：结构钢(工程结构用钢和机械结构用钢)、工具钢和特殊性能钢等。按质量(硫、磷的含量)分为：普通质量钢、优质质量钢、高级优质钢和特级质量钢等。按钢中碳的含量分为：低碳钢(wC≤0.25%)、中碳钢(wC=0.25%～0.60%)、高碳钢(wC＞0.60%)。

按钢中合金元素的总含量分为：低合金钢(wMe≤5%)、中合金钢(wMe=5%～10%)、高合金钢(wMe＞10%)。按合金元素的种类分为：锰钢、铬钢、硅锰钢、硼钢、铬镍钢等。我国关于钢分类的国家标准GB/T13304—1991《钢分类》是参照ISO4948/1、ISO4948/2制定的。钢的分类分为“按化学成分分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用性能分类”两部分。

1．按化学成分分类根据表5-1的分类，用“非合金钢”代替了传统的“碳素钢”。在新分类以前所制定的有关技术标准中均采用“碳素钢”，有的仍属现行标准，“碳素钢”仍然在用。

表5-1合金元素规定的质量分数界限(摘自GB/T13304—1991)

2．按主要质量等级、主要性能及使用性能分类1)非合金钢按主要质量等级分为：普通质量非合金钢、优质质量非合金钢、特殊质量非合金钢。普通质量非合金钢中S、P含量较高(wS≤0.045%，wP≤0.045%)；优质质量非合金钢生产过程中按规定控制质量，但不需要严格控制；特殊质量非合金钢需要严格控制质量与性能，钢中S、P含量低(wS≤0.025%，wP≤0.025%)，还有一些特殊要求。按主要性能及使用性能分为：以规定最高强度(或硬度)为主要特性的非合金钢、以规定最低强度为主要特性的非合金钢、以限制碳含量为主要特性的非合金钢、其他非合金钢等。

2)低合金钢按主要质量等级分为：普通质量低合金钢、优质质量低合金钢、特殊质量低合金钢。普通质量低合金钢质量无特殊规定，合金元素含量较少，不规定热处理条件；优质质量低合金钢和优质非合金钢类似，生产过程按规定控制质量；特殊质量低合金钢要严格控制质量与性能，特别是硫、磷含量(wS≤0.020%，wP≤0.020%)。按主要性能及使用性能分为：可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候[1]钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢等。

3)合金钢合金钢分类很多，通常根据用途、合金元素含量、冶金质量等进行分类。按质量分为：优质合金钢和特殊质量合金钢两类。按性能和用途分为：工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、合金工具钢和特殊性能钢等。我国对钢主要按质量和用途分类，这里总结如表5-2。

表5-2工业用钢的主要分类(摘自GB/T13304—1991)

5.2.2工业用钢的牌号表示方法

1．非合金钢(1)碳素结构钢牌号的表示方法为：Q＋数字＋质量等级符号＋脱氧方法Q表示屈服点的汉语拼音首位字母；数字表示屈服点数值；质量等级符号分为A、B、C、D、E，其中A级钢中S、P含量最高，而E级钢中S、P含量最低；脱氧方法有F(沸腾钢)、B(半镇静钢)、Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢)。例如：Q235AF表示屈服点σs≥235MPa，A级质量的沸腾碳素结构钢。

(2)优质碳素结构钢牌号的表示方法为：两位数字+Mn(或不加)两位数字表示钢中平均含碳量的万分数；Mn表示较高含锰量(0.70%～1.20%)，没有Mn表示普通含锰量。例如：45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；60Mn表示平均含碳量为0.60%，较高含锰量的优质碳素结构钢。

(3)碳素工具钢牌号的表示方法为：T+数字+A(或不加)T表示“碳”的汉语拼音字首；数字表示钢含碳量的千分数；A表示高级优质钢(不加A表示优质钢)。例如：T8表示平均含碳量为0.80%的优质碳素工具钢；T8A表示平均含碳量为0.80%的高级优质碳素工具钢。

(4)碳素铸造牌号的表示方法为：ZG+数字1-数字2ZG表示为“铸钢”的汉语拼音字首；数字1表示铸钢的最小屈服强度值；数字2表示铸钢的最小抗拉强度值。例如：ZG200-400表示最小屈服强度为200MPa，最小抗拉强度为400MPa的碳素铸钢。

2．低合金钢(1)低合金高强度结构钢牌号的表示方法为：Q＋数字＋质量等级符号低合金高强度结构钢牌号与碳素结构钢的牌号表示方法一致，只是屈服点数值更大一些，没有脱氧方法符号，均为镇静钢或特殊镇静钢。例如：Q345C表示屈服点σs≥345MPa的C级低合金高强度结构钢。

(2)耐候钢牌号的表示方法为：Q＋数字＋NHQ表示屈服点的汉语拼音首位字母；数字表示屈服点数值；NH表示为“耐候”的汉语拼音字首。例如：Q355NH表示屈服点σs≥355MPa的焊接结构用耐候钢。

(3)易切削结构钢牌号的表示方法为：Y＋数字＋元素符号Y表示“易”的汉语拼音字首；数字表示钢中含碳量的万分数；元素符号表示加入的主要元素。例如：Y15表示平均含碳量为0.15%的易切削结构钢；Y40Mn表示平均含碳量为0.40%，加入的主要元素为Mn的易切削结构钢。

3．合金钢(1)合金结构钢牌号的表示方法为：两位数字＋元素符号及数字

两位数字表示含碳量的万分数；元素符号后面的数字表示该元素的平均含量，合金元素的含量小于1.5%时，一般不加数字，1.5%～2.5%表示为2，2.5%～3.5%表示为3，依此类推。例如：20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，合金元素Cr、Mn、Ti的含量均小于1.5%的合金渗碳钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，平均含Si量为2%，含锰量小于1.5%的合金弹簧钢。

(2)合金工具钢牌号的表示方法为：

一位数字(或没有)＋元素符号及数字一位数字表示钢含碳量的千分数，当含碳量大于或等于1%时，则不予标出；其他与合金结构钢表示相同。例如：CrWMn表示平均含碳量大于等于1.0%，平均含Cr、W、Mn量均小于1.5%的冷作模具钢(一种合金工具钢)。

(3)高速工具钢牌号的表示方法为：元素符号1及数字＋元素符号2及数字＋……高速工具钢不标含碳量，其他与合金工具钢表示方法一致。例如：W18Cr4V表示平均含钨量18%，平均含铬量4%，含钒量小于1.5%的高速工具钢。

(4)滚动轴承钢牌号的表示方法为：G+Cr数字＋合金元素及数字G表示“滚”的汉语拼音字首，Cr后面的数字表示平均含铬量的千分数；其余合金元素表示方法与合金结构钢相同。例如：GCr15表示平均含铬量为1.5% 的滚动轴承钢；GCr15SiMn表示平均含铬量为1.5%，平均含Si、Mn量均小于1.5%的滚动轴承钢。

(5)特殊性能钢牌号的表示方法为：数字＋合金元素及数字一位数字表示含碳量的千分数，与工具钢相同；另外，当wC≤0.08%时表示为“0”，当wC≤0.03%时表示为“03”，当wC≤0.01%时表示为“01”。例如：4Cr9Si2表示平均含碳量为0.40%，平均含铬量为9%，平均含硅量为2%的耐热钢；0Cr19Ni9表示平均含碳量小于等于0.08%，平均含铬量为19%，平均含镍量为9%的不锈钢；01Cr19Ni11表示平均含碳量小于等于0.01%，平均含铬量为19%，平均含镍量为11%的不锈钢。

表5-3钢材名称在牌号中采用的符号表示(摘自GB/T221—2000)

5.3结构钢

——

工程结构用钢

5.3.1碳素结构钢碳素结构钢用于制造一般工程结构及普通机械零件，通常热轧成扁平成品或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、钢筋等)。表5-4列出了碳素结构钢的牌号、成分及性能。

表5-4碳素结构钢的牌号、成分及性能(摘自GB/T700—1988)

表5-4碳素结构钢的牌号、成分及性能(摘自GB/T700—1988)

Q195、Q215钢通常轧制成薄板、钢筋等供应，可用于制作螺钉、铆钉、地脚螺栓、垫块及轻负荷的冲压零件和焊接结构件等；Q235、Q255钢可以制作螺栓、螺母、拉杆、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、工字钢、槽钢、钢筋钢等，C、D级用于重要的焊接件；Q275钢可部分替代优质碳素结构钢20～35钢使用，由于制作强度较高的零件，如链轮、齿轮、轴类、吊钩等。按《钢分类》新标准，这类钢中A、B级和Q195、Q275在无特殊要求时属于普通质量非合金钢，其余是优质非合金钢。

5.3.2低合金结构钢低合金结构钢又称低合金高强度钢。低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上添加了少量合金元素(一般3%以下)而制成的，具有较高强度的工程结构用钢。低合金结构钢是为了适应大型工程结构(如大型桥梁、压力容器及船舶等)以减轻结构重量，提高可靠性及节约材料的需要而发展起来的。表5-5列举了合金结构钢的牌号、力学性能及用途。

表5-5低合金结构钢的牌号、力学性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

表5-5低合金结构钢的牌号、力学性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

表5-5低合金结构钢的牌号、力学性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

从成分上看，低合金结构钢为低碳(wC≤0.20%)、低合金元素(wMe＜3%)钢种。低含碳量是为了满足工程结构件用钢塑性、韧性、焊接性和冷变形的工艺性能要求；再加入以Mn为主的少量合金元素，达到了提高力学性能的目的。主加元素锰资源丰富，且有显著的强化铁素体效果，还可降低钢的冷脆温度，使珠光体数量增加，进一步提高强度；在此基础上还可加入极少量强碳化物元素如V、Ti、Nb等，细小碳化物质点产生弥散强化，不但提高了强度，还细化了基体的晶粒，使钢具有良好的塑性和韧性；加入的稀土元素Re可以起到消除有害杂质，改善夹杂物的形态及分布的作用。如Q235钢、Q345钢(16Mn)、Q390钢(15MnV)钢的含碳量相当，但往Q235中加入约1%的Mn(实际只相对多加了0.5%～0.8%)时，就成为Q345钢，而其强度却增加近40%，达345MPa；在16Mn的基础上再多加钒(0.04%～0.12%)，就成为Q390钢，材料强度又增加至390MPa。

低合金结构钢不仅强度增加，在合金化过程中材料的其他性能也有所改善，大大提高了工程构件的可靠性和紧凑性，减少了原材料消耗和能源消耗。例如，武汉长江大桥采用Q235制造，其主跨跨度128m；南京长江大桥采用Q345(16Mn)制造，主跨跨度160m；而九江大桥用Q420(15MnVN)建造，主跨跨度达到216m。低合金结构钢大多在热轧或正火状态下使用，组织为铁素体+珠光体，也有在淬火回火状态下使用的。

5.3.3耐候钢耐候钢是在碳素结构钢和低合金结构钢的基础上加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素，使其在金属表面形成一层保护膜，从而具有一定的耐大气腐蚀的钢种。有时还加入微量钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)等元素。我国耐候钢分为焊接结构用耐候钢(GB/T4172—2000)和高耐候钢(GB/T4171—2000)两类。表5-6列出了耐候钢的牌号及用途。

表5-6耐候钢的牌号及用途(摘自GB/T4172—2000、GB/T4171—2000)

5.3.4碳素铸钢碳素铸钢一般用于制造一些形状复杂，力学性能要求较高的工程构件或一些机械零件。这些零件的特点是形状复杂，很难用锻压或机械加工方法成型；力学性能较高，也不能用铸铁来铸造。目前铸钢广泛用于重型机械、矿山机械、运输机械、冶金机械等，如受力机架、阀体、载荷较高的大齿轮等。碳素铸钢按用途分为一般工程用碳素铸钢(GB/T11352—1989)和焊接结构用碳素铸钢(GB/T7659—1987)。表5-7列举了碳素铸钢的牌号、性能及用途。

表5-7碳素铸钢的牌号、性能及用途

5.3.5其他工程结构钢由于工程结构的一些特殊需要，对低合金结构钢的成分、工艺及性能作了相应的调整和补充规定，从而发展了门类众多的低合金专用钢，例如锅炉、压力容器、船舶、桥梁、汽车、农机、自行车、矿山、钢筋等专用钢，已形成国家标准。汽车用钢是一类用量极大的专业用钢，广泛用于汽车大梁、托架及车壳等结构件。主要包括：冲压性能良好的低强度钢(发动机罩等)、微合金化钢(汽车大梁等)、低合金双相钢(轮毂、大梁等)及高延性高强度钢(车门、挡板等)四类。随着经济全球化，我国有一些工程结构钢按国际标准制造，如造船用钢采用国际符号作标准。

5.4结构钢——机械结构用钢

5.4.1优质碳素结构钢和合金结构钢优质碳素结构钢按含锰量不同，分为普通含锰量(0.25%～0.80%)和较高含锰量(0.70%～1.20%)两组。表5-8列举了优质碳素结构钢的牌号、主要成分及性能。

表5-8优质碳素结构钢的牌号、主要成分及性能(摘自GB/T699—1999)

1.渗碳钢1)渗碳钢的性能要求渗碳钢即需要渗碳淬火、低温回火后使用的钢。由渗碳钢制作的零件在渗碳热处理后才使用，这种零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的表面摩擦和冲击作用，故其性能要求为：①

要求表面有较高的硬度(≥58HRC)和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏；②

有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏；③

有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；④

当外载是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力；⑤

良好的热处理工艺性。

2)渗碳钢的成分特点及主要钢种渗碳钢“外硬内韧”的力学性能要求可通过选择低含碳量钢并经过渗碳后满足，这类钢一般是低碳优质碳素结构钢或低碳合金结构钢。渗碳钢的成分特点为：①

含碳量一般为0.1%～0.25%，保证零件心部有足够的塑性和韧性。②

渗碳钢主加合金元素Cr、Mn、Ni、B等可大大提高材料的淬透性，淬火时心部得到低碳马氏体，使心部具有足够的强度；少量附加元素Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素则可形成细小弥散的稳定碳化物，提高表面的耐磨性，渗碳时可阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。

常见渗碳钢的牌号、推荐热处理、力学性能及用途如表5-9所示。根据渗碳钢热处理时淬透性大小分为三类：(1)低淬透性渗碳钢。这类钢的水淬临界直径约为25～35mm。用于受力不太大，对心部性能要求不高的小尺寸耐磨零件，例如导柱、小齿轮、小轴、活塞销、缸套等。常用钢种有20、20Cr、20Mn2、20MnV等。

(2)中淬透性渗碳钢。这类钢的油淬临界直径约为25～60mm。用于承受高速中载、冲击和剧烈摩擦下工作的零件，例如汽车、拖拉机的变速齿轮、齿轮轴、凸轮等。常用钢种有20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3等。(3)高淬透性渗碳钢。这类钢的油淬临界直径约为100mm以上，甚至空冷也能得到马氏体。用于制造大截面、承受重载荷和强烈摩擦的零件，如飞机、坦克的变速箱齿轮、柴油机曲轴、连杆、缸头螺栓等。这类钢有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。

表5-9常见渗碳钢的牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T3077—1999)

3)渗碳钢的热处理及用途渗碳钢的预先热处理通常为正火；但对于高淬透性的马氏体钢，则采用空冷后于650高温回火形成回火索氏体组织，便于加工。渗碳钢的最终热处理：渗碳＋淬火＋低温回火。对于渗碳后晶粒不易长大的钢(20CrMnTi等)采用直接淬火；渗碳后晶粒长大的钢(20等)及渗碳后需要加工的钢采用一次淬火；性能要求高的零件采用二次淬火(应用较少)。

某载重汽车变速齿轮材料为20CrMnTi，其加工工艺流程为：下料—→锻造—→正火—→机械加工齿形—→渗碳(930℃)—→预冷淬火(830℃)—→低温回火(200℃)—→磨削精加工—→装配。预备热处理正火后的组织为F+S，目的是改善锻造组织，并得到合适的硬度(170～210HBS)，以利于机械加工；齿轮最终热处理后得到的组织为：表面为M回＋碳化物颗粒＋Ar(残余奥氏体)，淬透时心部组织为低碳M回＋F，未淬透时则为F＋S。这样表面具有高的硬度和耐磨性，心部淬透时获得低碳M回，具有很好的综合力学性能，满足了汽车齿轮的性能要求。

2.调质钢1)调质钢的性能要求调质钢就是经过淬火加高温回火处理而使用的结构钢，经调质处理后的组织为回火索氏体。许多机器设备上的重要零件，如机床主轴，汽车拖拉机后桥半轴、曲轴、连杆、高强度螺栓等都使用调质钢，这些零件工作时常承受较大的弯矩，还可能同时传递扭矩；经常受交变应力作用，常发生疲劳破坏；在启动工作或刹车时有较大冲击；有些轴类零件与轴承配合时还会有摩擦磨损。因此其性能要求为：①

高的屈服强度及疲劳极限，良好的韧性、塑性，即有较高的综合力学性能；②

局部表面有一定的耐磨性；③

较好的淬透性。

2)调质钢的成分特点及主要钢种调质钢通常为中碳优质碳素结构钢和中碳合金结构钢。调质钢的成分特点是：①

调质钢含碳量一般为0.25%～0.50%，保证零件调质后有优良的强度韧性配合，含碳量过低，强度不够，含碳量过高，塑性和韧性降低。②

调质钢主加合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用是提高钢的淬透性，另外还有固溶强化的作用(强化铁素体)；少量附加元素Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素形成稳定碳化物，起到细化晶粒和提高回火稳定性的作用，W、Mo还可抑制第二类回火脆性的发生。

常用调质钢牌号、热处理、性能及用途见表5-10，根据其热处理时的淬透性大小分为三类：(1)低淬透性调质钢。这类钢淬透性低，45钢水淬临界直径约为10～15mm，40Cr等油淬临界直径约为20～40mm。45钢适用于载荷较低、形状简单、尺寸较小的调质零件；40Cr、40MnB、35SiMn等作中等截面变动载荷的工件。

(2)中淬透性调质钢。这类钢的油淬临界直径约为40～60mm。调质后强度很高，用于制作截面较大、承受重载的调质零件。常用的有35CrMo、40CrNi、38CrMoAl等。(3)高淬透性调质钢。这类钢的油淬临界直径大于等于60～100mm，用于制造大截面、承受重载荷的重要调质零件。常用的有40CrMnMo、37CrNi3、25Cr2Ni4WA等。

表5-10常用调质钢的牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T3077—1999)

3)调质钢的热处理调质钢的预先热处理：通常为正火(或退火)，得到细小索氏体组织；但对于高淬透性的马氏体钢，则采用空冷后高温回火形成回火索氏体组织，便于加工。调质钢的最终热处理：通常用调质(淬火＋高温回火)，调质后组织为回火索氏体，使零件整体综合力学性能大大提高。调质零件若还需要表面有良好的耐磨性时，则应在调质处理后精加工前再进行表面淬火或化学热处理(如氮化处理)等；有时还采用喷丸、滚压等提高疲劳强度。一些车床齿轮或精密齿轮类零件(对表面及整体性能要求都较高)常选用调质钢并按上述工艺之一制造。

此外，我国还发展了非调质钢(GB/T15712—1995)及低碳马氏体钢等新钢种，以满足综合性能要求。非调质钢不进行淬火、回火处理，简化了生产工艺，且易于切削，代替调质钢降低了生产成本，例如YF35MnV(切削加工用非调质机械结构钢)、F40MnV(热锻用非调质机械结构钢)；低碳马氏体钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，还具有低的缺口敏感性、耐低温性、优良的冷成型性及焊接性，例如20SiMn2MoVA制成的吊环，ML15MnVB制成的连杆螺栓、半轴螺栓等。

5.4.2弹簧钢与滚动轴承钢1.弹簧钢1)弹簧钢性能要求用以制造弹簧和各种弹性元件的钢种称为弹簧钢。在机器设备中这类零件的主要作用是：利用弹性变形吸收能量，减缓机械振动等。常用零件有汽车叠板弹簧、仪表弹簧、汽阀弹簧等。弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑性变形而失去弹性。因此其性能要求为：①

高的弹性极限和高的屈强比以保证良好的弹性；②

高的疲劳强度；③

一定的塑性和韧性以防止冲击断裂；④

在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有好的环境稳定性。

2)弹簧钢的成分特点及主要钢种弹簧钢也分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类。由于这类零件性能以强度要求为主，故其成分特点是：①

一般碳素弹簧钢含碳量为0.6%～0.9%，合金弹簧钢含碳量为0.45%～0.70%，热处理后具有高的弹性极限与疲劳强度。②

弹簧钢以Si、Mn、Cr为主要合金化元素，作用是提高淬透性，强化铁素体F，并提高回火稳定性；Mo、W、V为辅加合金元素，克服Si引起的脱碳、Mn引起的过热，V还能细化晶粒。

表5-11列举了常用弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途。弹簧钢主要分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。(1)碳素弹簧钢。一般为优质碳素结构钢中的高碳钢，这类钢价格便宜，热处理后具有一定的强度，但淬透性差，适宜作界面较小的不重要弹簧，65Mn应用较广。(2)合金弹簧钢。以60Si2Mn为代表的硅锰系弹簧钢有较高的淬透性而价格不高，应用最多；铬系列弹簧钢有更高的淬透性，一定的耐热性，用于大截面重要弹簧，常用材料有50CrVA、60Si2VA等。

表5-11常用弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T1222—1984)

3)弹簧钢的热处理弹簧钢按其成型方法分为冷成型(强化后成型)和热成型(成型后强化)两类。其相应加工和热处理工艺为：(1)热成型弹簧。截面大于10mm弹簧，一般加热到奥氏体区进行热卷成型，并使成型温度略高于淬火温度，利用余热淬火，然后进行中温回火，得到回火托氏体组织，保证了高的弹性极限和足够韧性；由于加热过程易造成表面氧化和脱碳等缺陷，故一般还要补充进行一道表面喷丸处理，这样可大大提高其疲劳强度和寿命。如汽车板簧，用60Si2Mn热成型后，经喷丸处理可使其寿命提高3～5倍。

(2)冷成型弹簧。截面小于10mm的小型弹簧，如果是热处理强化后供应的弹簧钢丝，则冷拔或冷卷成型之后只进行低温回火；如果是退火供应的弹簧钢丝，就要和热成型弹簧一样进行淬火+回火处理。

2.滚动轴承钢1)滚动轴承钢的性能要求

滚动轴承由内圈、外圈、滚动体及保持架组成，制造滚动体及内外套圈的钢称为轴滚动承钢(保持架常用低碳钢08板冲制成型)。高速运转的滚动轴承工作时，实际受载面积很小，有很高的集中交变载荷的作用；接触部位不仅有滚动摩擦，还有滑动摩擦。因此其工作时性能要求为：①

高而均匀的表面硬度(61～65HRC)以提高耐磨性；②

高的弹性极限和接触疲劳强度；③

足够的韧性；④

足够的淬透性和耐蚀性。

2)滚动轴承钢的成分特点及主要钢种为满足轴承钢高性能的要求，常用轴承钢成分一般如下：①

高碳(一般为0.95%～1.15%)，满足了高硬度高耐磨要求。②

Cr为主加元素，Cr、Si、Mn的主要作用是提高淬透性，强化铁素体，同时细化组织，提高回火稳定性；Cr含量过高会使残余奥氏体Ar增多，导致钢硬度和零件的尺寸稳定性降低。③

高的接触疲劳性能要求对材料微小缺陷十分敏感，材料中的非金属夹杂应尽量避免，即应大大提高其冶金质量，严格控制其S、P含量(wS＜0.02%，wP＜0.02%)。

表5-12高碳铬轴承钢的牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T1222—1984)

3)滚动轴承钢的热处理

以常用的GCr15钢为例，其加工工艺过程为：锻造—→正火＋球化退火—→机械加工—→淬火＋冷处理—→低温回火—→磨削—→稳定化处理。预先热处理为：正火+球化退火。正火的目的是细化组织并消除锻造缺陷；球化退火的目的是降低硬度便于切削加工，同时为最终热处理作好组织准备。最终热处理为：淬火+低温回火，精密轴承需要在淬火后进行冷处理，以减少残余奥氏体的量。GCr15油淬得到隐晶状马氏体后立即于-80～-60℃低温冷处理，再低温回火，此时其显微组织为回火马氏体+细小弥散碳化物，提高了韧性，稳定了组织和尺寸；磨削后的稳定化处理在120～150℃进行，保温10～20h，目的是进一步稳定尺寸并消除磨削应力。

5.4.3其他机械结构用钢

1．易切削钢易切削钢是指具有优良切削加工性能的专用钢种。它是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其它元素形成一种对金属切削加工有利的夹杂物，使切削抗力降低，切屑易脆断，从而改善钢的切削加工性。目前，常用元素是硫、磷、铅，也用钙、硒、碲等。易切削钢主要适用于在自动机床上进行大批量生产的不太重要的零件，如Y12、Y15属于硫磷复合低碳易切削钢，用来制造螺栓、螺母、销等标准件和紧固件。由于不断研制新型易切削钢(合金易切削钢、易切削不锈钢等)，其应用不断扩大，如Y45Ca比45钢提高生产效率一倍以上，可制造重要的零件。表5-13列举了易切削结构钢的牌号、性能及用途。

表5-13常用易切削结构钢牌号、性能及用途(摘自GB/T8731—1988)

2.冷冲压用钢冷冲压用钢是指在冷态下成形各种冲压零件所用的钢。这类钢要求材料具有高的塑性，有时还要求有一定的承载能力，冲压零件表面要求平滑光洁。冷冲压钢含碳量小于0.20%～0.30%，变形量大、形状复杂的多采用含碳量小于0.05%～0.08%的钢；质量要求高的零件，材料的杂质元素要严格控制。常用的冷冲压钢有Q195、Q215、08F、08、08Al、10、15、20等。用量大的是08F和08Al，形状简单、外观要求不高的用8F；冲压性能要求高，外观要求严的用08Al(用铝脱氧)；变形不大的一般冲压件用10、15、20；要求不高的轻负荷冲压件可用Q195、Q215等。

3.超高强度钢超高强度钢一般指σb≥1500MPa或σs≥1400MPa的合金结构钢。超高强度钢是在合金结构钢的基础上，通过严格控制冶金质量、化学成分和热处理工艺等，提高钢的强度而形成的钢种。由于强度提高，可以减轻使用的重量，主要用于制造飞机起落架、机翼大梁、火箭及发动机壳体与武器的炮筒、枪筒、防弹板等。超高强度钢通常按化学成分和强韧化机制分为低合金超高强度钢、二次硬化型超高强度钢、马氏体时效钢和超高强度不锈钢等四类。

低合金超高强度钢是在合金调质钢的基础上加入一定量的合金元素制成。其含碳量小于0.45%，保证足够的塑性、韧性；加入合金元素可提高淬透性、回火稳定性和韧性；热处理采用淬火加低温回火。例如30CrMnSiNi2A钢，热处理后σb＝1700～1800MPa，是航空工业应用最广的一种低合金超高强度钢。二次硬化型大多含有强碳化物形成元素，经高温淬火和高温回火产生二次硬化提高钢的强度。这类钢有Cr-Mo-V型、Ni-Co型等，如4Cr5MoSiV(平均含碳量0.40%)。

马氏体时效钢含碳量极低(＜0.03%)，含大量镍(18%～25%)，并含有钼、钛、铌、铝等时效强化元素。这类钢淬火后在450～500℃时效处理，组织为低碳马氏体基体上弥散分布极细的金属化合物。因此，这类钢有极高的强度，良好的塑性、韧性及较高的断裂韧度，可以冷、热压力加工，焊接性良好，是制造超音速飞机和火箭壳体的重要材料。如Ni25Ti2AlNb(Ni25)和Ni18Co9Mo5TiAl(Ni18)等是典型钢种，时效处理后抗拉强度在2000MPa左右。

5.5工

具

钢

5.5.1刃具钢

1．碳素工具钢常用的碳素刃具钢有T8、T8A、T10、T12等，如表5-14所示。碳素工具钢满足一般工具加工条件，其价格便宜，耐磨性及加工性好。其中含碳量越高，钢的碳化物越多，耐磨性好，但韧性变差。碳素刃具钢的热处理主要包括：

表5-14碳素工具钢的成分、热处理、性能及用途(摘自GB/T1298—1986)

  (2)碳素工具钢以退火状态交货，双方也可商定。预备热处理：一般为球化退火，如果有网状碳化物，则应进行正火＋球化退火。组织为铁素体F＋细小均布的粒状渗碳体，硬度小于217HB，便于加工。最终热处理：淬火+低温回火，组织为M回＋粒状渗碳体＋少量Ar，硬度大于等于62HRC。碳素刃具钢的红硬性差，刃部温度大于200℃，其硬度耐磨性显著降低，且淬透性差。故其一般只用于手工工具、低速或小走刀量的机械加工工具和小尺寸模具、量具，用于加工低硬度材料。

2．低合金刃具钢为克服碳素工具钢的缺点，在碳钢基础上加入少量的Cr、Si、Mn、W、Mo、V等合金元素(一般不超过3%～5%)就形成低合金刃具钢。表5-15列举了常用低合金刃具钢的牌号、热处理、性能及用途。

表5-15合金刃具钢的主要成分、热处理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

低合金刃具钢成分特点为：①

高的含碳量，保证钢具有高硬度及形成足够的合金碳化物，提高了耐磨性；②

钢中常加入Cr、W、Si、Mn、V等合金元素，大大提高了钢的淬透性和回火稳定性，并细化了晶粒。低合金刃具钢的热处理与碳素刃具钢类似，处理后的组织状态也类似，只是热处理工艺参数有所不同。与碳素工具钢相比，有较高的淬透性，较小的淬火变形，较高的强度与耐磨性，红硬性(一般小于300℃)有所提高，但仍属于低速切削刃具钢。例如，应用较多的9SiCr钢淬透性好，油淬透直径达40～50mm，且铁素体组织细化，碳化物细化并均匀分布，使其强韧性得到提高；同时加入Si后其回火稳定性提高，钢在250～300℃仍能保持60HRC以上。

3.高速工具钢1)性能及成分特点低合金刃具钢基本上解决了碳素工具钢淬透性低、耐磨性不足的缺点，红硬性也有一定程度提高，但仍满足不了高速切削和高硬度材料加工的生产需求。为适应高速切削，发展了高速工具钢，简称高速钢。高速钢突出的特点是红硬性高，刃部温度达600℃时，其硬度仍维持在55～60HRC；具有高的硬度和耐磨性；淬透性优良，甚至空冷也得到马氏体(也称“风钢”)；高速钢强度比碳素工具钢提高30%～50%。

高速钢的成分特点是：①

高碳(含碳量为0.70%～1.60%)，其作用是保证基体能溶入足够的碳，以获得高碳马氏体，形成足量碳化物，提高耐磨性、红硬性。②

W、Mo含量很高(10%以上)，主要用于提高钢的红硬性，1%的Mo可代替2%的W。含大量W、Mo的马氏体有很高的回火稳定性，且在500～600℃回火时析出弥散细小稳定的特殊碳化物，具有二次硬化效应，大大提高了材料的高温强度和耐磨性。③

Cr含量为4%左右，主要在奥氏体化时溶入奥氏体，大大提高钢的淬透性，同时回火时也能形成细小的碳化物，提高材料的耐磨性。④

V，其碳化物十分稳定，可细化晶粒；能部分溶于奥氏体，回火时产生二次硬化；可显著提高钢的硬度、耐磨性、红硬性。⑤

生产中还常加入Ti、Co、Al、B等合金元素，它们都以提高材料硬度和红硬性为主要目的。

2)常用高速钢高速钢按其成分特点可分为钨系、钨钼系和超硬系等，我国目前主要应用的高速钢是钨系高速钢W18Cr4V(即18-4-1)和钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)、W9Mo3Cr4V(9-3-4-1)三个钢号。表5-16是常用高速钢的成分、热处理及性能特点。

表5-16高速工具钢的成分、热处理、性能(摘自GB/T9943—1988)

W18Cr4V属于钨系高速钢，是发展最早、应用最广的高速钢，适合制造一般的高速切削刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀、丝锥、板牙等，但碳化物较粗大，热塑性差，热加工难，不适合作薄刃刃具、大型刃具等。W6Mo5Cr4V2属于钨钼系高速钢，正逐步替代W18Cr4V，其碳化物分布较均匀(耐磨性好)，有良好的热塑性，但加热易脱碳和过热，红硬性稍差，适合制造齿轮铣刀、插齿刀、麻花钻头等；W9Mo3Cr4V也属于钨钼系高速钢，有良好的热塑性，含钼低不易脱碳，具有18-4-1和6-5-4-2的共同优点，应用越来越多。

3)高速钢的锻造与热处理高速钢中大量合金元素的存在使其铸态组织中含有大量共晶莱氏体(如图5-6所示)，故称莱氏体钢。共晶碳化物呈鱼骨状，脆性大，用热处理方法是不能消除的，一般通过反复锻造打碎，使之均匀。

图5-6高速钢的铸态组织

高速钢预先热处理：锻后必须缓冷，并进行球化退火，消除了内应力，获得索氏体+粒状碳化物组织，硬度为207～255HBS，可以进行机械加工。高速钢的最终热处理：合理的淬火+回火。高速钢的导热性较差，淬火加热必须预热以防止产生变形、开裂；高速钢淬火温度高，保证有足够碳化物溶入奥氏体，使奥氏体中固溶碳和合金元素含量高；淬火冷却多用分级淬火或油淬，正常淬火组织为隐晶状马氏体+粒状碳化物+大量残余奥氏体，硬度为61～63HRC；高速钢通过产生二次硬化来保证它的热硬性，回火通常采用三次550～570℃高温回火，高速钢回火后组织为极细的M回+较多粒状碳化物+少量Ar(小于1%～3%)，回火后硬度为63～66HRC。图5-7所示是高速钢W18Cr4V的淬火、回火工艺曲线。

图5-7高速钢的淬火、回火工艺曲线

5.5.2模具钢

1.冷作模具钢1)冷作模具钢的工作条件和性能要求冷作模具钢主要是指冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉深模、拉丝模等所用的钢。模具工作时温度不高，工作部分受到很大的压力、摩擦力、拉力、冲击力，尤其是模具刃口受到强力的摩擦和挤压。工作条件与刃具用钢比较类似，性能要求高硬度、高耐磨性，较高的强韧性等；但由于模具在冷态下工作，对材料红硬性要求不高，但磨损面大，摩擦力更大；工作时受到冲击大，且模具形状复杂，尺寸常常较大，因此冷作模具钢较刃具钢需要更高的耐磨性，更高的强韧性，而且要求淬透性高，热处理变形应尽可能小。

2)常用冷作模具钢按冷作模具钢使用条件，大部分刃具用钢都可以用来制造某些冷作模具。表5-17列举了部分冷作模具钢的成分、热处理、性能及用途。

表5-17冷作模具钢的成分、热处理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

(1)碳素工具钢。碳素工具钢以T10A为主，加工性能好，价格低廉；但淬透性较低，耐磨性差，淬火变形大，使用寿命短。因此，适合制造尺寸不大、形状简单、工作负荷不大的模具。(2)低合金冷作模具钢。低合金冷作模具钢主要有9CrWMn、CrWMn、9Mn2V等。CrWMn钢中锰、铬、钨等元素的加入，提高了淬透性和耐磨性；另外，合金元素使钢的Ms降低，淬火后有较多的残余奥氏体，淬火变形小。9Mn2V不含Cr，价格较低，常代替CrWMn，适合制作尺寸较大、形状复杂、易变形高精度的模具，也可作不剧烈受热、变形小、耐磨性高的刃具，如长丝锥、长铰刀、拉刀等。

(3) Cr12型冷作模具钢，如Cr12、Cr12MoV等。Cr12型钢成分中含碳1.45%～2.30%，含铬11%～13%，形成足够的铬碳化物，能细化晶粒并提高耐磨性，且可大大提高钢的淬透性(油淬临界直径200mm，空冷也能淬硬)，淬火变形小；另外，有些钢还加入1%的Mo、V等合金元素能进一步细化晶粒，使碳化物分布均匀，从而进一步提高耐磨性和韧性。因此这类钢可用于制作截面大、负荷大的冷冲模、挤压模、滚丝模和剪裁模等。

Cr12型钢为莱氏体钢，其铸态的网状共晶碳化物和铸造组织缺陷(碳化物不均)必须在模具成型前反复锻造来改善。Cr12型钢的热处理包括：预备热处理常用球化退火，目的是消除应力，降低硬度以便于切削加工，组织为球状珠光体＋均匀分布碳化物；最终热处理一般采用淬火＋低温回火，组织为M回＋弥散粒状碳化物＋少量Ar。值得注意的是，这类钢的热处理往往比较复杂，要确定合理的热处理工艺以满足不同结构和尺寸模具的要求。高温淬火＋高温回火或低温淬火＋低温回火是常采用的两种方式。图5-8说明了Cr12MoV钢在不同淬火和回火温度时的硬度的变化情况。

图5-8淬火、回火温度对Cr12MoV硬度的影响

2.热作模具钢1)热作模具用钢的工作条件和性能要求热作模具是指在高温下对金属进行热加工的模具，如锤锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。这类模具工作时会反复受热和冷却，大多工作温度在200～700℃，同时还会在热态下受到摩擦冲击等作用，因此其主要性能要求是：①

良好的综合力学性能。这主要在于模具工作时要承受较大载荷，且会受冲击，对强韧性都有较高要求。②

高的热疲劳抗力和耐磨性。模具工作时循环冷却加热的应力及表面氧化等会引起材料的破坏失效，即热疲劳失效。③

淬透性高。这是为了保证模具整体较高的力学性能；同时还要求热作模具钢导热性好，减少热应力并避免型腔表面温度过高。

2)常用热作模具钢根据性能要求，热作模具钢一般使用中碳合金调质钢，含碳量为0.30%～0.60%，保证了淬火、回火后钢材的硬度和韧性；在模具材料中还常加入Cr、Ni、Mn、Mo、Si等合金元素以提高淬透性及材料的整体性能均匀性，提高回火稳定性并有固溶强化作用，Cr、W、Mo还形成碳化物提高了材料的耐磨性；合金元素还可提高材料的共析温度，保证材料高温组织和性能稳定性，提高了模具抗热疲劳能力。常用的热作模具钢是：5CrMnMo及5CrNiMo(其在截面尺寸较大时使用)一般作锤锻模；对压铸模钢常用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV和4CrW2Si。表5-18为常用热作模具钢的选材举例。

表5-18热作模具钢的成分、热处理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

3.塑料模具钢1)塑料模具用钢的性能要求塑料模具是指用于制造塑料制品的模具。按塑料原材料性能和成型方法分为热塑性塑料模和热固性塑料模两种。热固性塑料模一般是在加热(160～250℃)、加压条件下进行工作的，承受摩擦、一定的冲击与腐蚀；热塑性塑料模工作温度一般在150℃以下温度下持续受热，压力和摩擦较小。但值得注意的是含有氯、氟的塑料在压制时常析出有害的气体，对模腔有较大的腐蚀作用。塑料模具一般较复杂，制造成本高，而原材料费用只占模具成本的极小部分，因此一般优先选用工艺性能好、性能稳定的钢种。

由上述塑料模具的工作条件，对塑料模具钢有如下性能要求：模具有足够的强度和韧性；较高的硬度和耐磨性，模面要有一定的表面硬化层，硬度一般在38～55HRC；一定的耐热性和耐蚀性；良好的切削加工性，保证尺寸精度和表面粗糙度；良好的热处理工艺性能及表面处理工艺性，工艺简单，变形小等。

2)常用塑料模具用钢塑料模具用钢包括：渗碳型20、20Cr、12CrNi3A、20CrNiMo等；调质型45、40Mn、40Cr、4Cr5MoSiV、38CrMoAl等；淬硬型T7A、T8A、T10A、5CrNiMo、9SiCr、9CrWMn、GCr15、3Cr2W8V、Cr12MoV等；预硬型3Cr2Mo、Y20CrNi3AlMnMo(SM2)、5NiSCa、Y55CrNiMnMoV(SM1)等；耐蚀性3Cr13、2Cr13、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)、1Cr18Ni9等；时效硬化型18Ni140级(18Ni类型)、10Ni3MnCuAl(PMS)、06Ni16CrMoVTiAl(06Ni)等。

目前列入国家标准的塑料模具用钢为3Cr2Mo(GB/T1299—2000)，相当于美国的P20，该钢属于中碳钢，具有良好的强韧性及较好的硬度和耐磨性；合金元素Cr提高淬透性，形成碳化物，提高模具的耐磨性；Mo细化晶粒，减少变形，防止回火脆性。3Cr2NiMo是3Cr2Mo的改进型，有更高的淬透性、强韧性和耐蚀性。这类钢主要用作中、小型或大型复杂、精密塑料模具。塑料模具发展很快，目前国家标准和一些行业标准推荐部分塑料模具用钢，也引用了一些国外通用钢种。表5-19列举了一些塑料模具用钢。

表5-19常用塑料模具用钢

5.5.3量具钢1．量具钢性能要求量具是用于测量工件尺寸的工具，如卡尺、千分尺、块规及塞规等。量具一般有如下的性能要求：量具最基本的要求是保证长期存放和使用中尺寸不变，形状不变，即要求高的尺寸稳定性；量具存放和使用时具有高的硬度和耐磨性，有一定的韧性和耐蚀性。

2．常用量具用钢为满足上述要求，量具钢一般可采用含碳量高的钢，保证钢淬火后的硬度和耐磨性；为了保证尺寸稳定性，应用淬火变形小的钢再配合适当的热处理工艺。(1)低合金工具钢(包含滚动轴承钢)。这是常用的钢种，其中8MnSi、9SiCr、Cr2等可以制造各种量具，高精度、形状复杂的量具采用微变形钢合金工具钢(如CrWMn、CrMn等)和滚动轴承钢GCr15制造。

(2)碳素工具钢。淬火变形大，淬透性小，适合制作形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具，如T10A、T12A等。(3)渗碳钢(渗碳淬火)及中碳钢(表面淬火)。这些钢的心部有良好的韧性，做直尺、卡规、样板等易受冲击的量具，如15、20、15Cr渗碳淬火，55、65、60Mn调质后表面淬火。(4)不锈钢。常用于精度高、耐蚀性高的量具，如4Cr13、9Cr18等。

3．量具用钢的热处理量具钢通常具有高的含碳量，其热处理先用球化退火，最后进行淬火、低温回火，淬火、回火后得到稳定均匀的马氏体组织；高精度量具，如块规等，淬火、回火后还要进行稳定化退火(110～150℃，24～36h)，保证尺寸稳定性。此外热处理时还应注意：量具淬火加热温度应尽可能低一些，淬火一般不采用分级淬火和等温淬火，淬火后进行冷处理，尽量减少残余奥氏体的量；许多量具在最终热处理后一般要进行电镀铬防护处理，可提高表面的装饰性和耐磨、耐蚀性。

5.6特

殊

性

能

钢

5.6.1不锈钢1．金属的腐蚀腐蚀通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类，大部分金属的腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀是金属与电解质溶液接触时所发生的腐蚀现象，腐蚀过程伴随有电流产生，而化学腐蚀过程中不产生电流。电极电位不同的金属或金属内部不同的相在电解质溶液存在时，将形成原电池或微电池，电极电位低的金属或相将成为阳极而不断被腐蚀，电极电位高的成为阴极而不被腐蚀。

根据电化学腐蚀的基本原理，对不锈钢通常采取以下措施来提高其耐蚀性能：(1)尽量获得单相的均匀的组织，从而不会产生微电池作用。如在钢中加入一定的Ni可获得单相奥氏体组织，提高了钢的耐蚀性。(2)提高金属基体的电极电位。钢中含铬量与其电极电位关系服从n/8规律，即铬原子数含量为n/8(n=1，2，3，…)时电位发生突变而升高，如铁素体中含铬原子个数为1/8(即wCr

=11.7%)时钢中铁素体电极电位由-0.56V提高到+0.2V，使金属耐蚀性明显提高。

(3)形成钝化膜。加入合金元素使金属表面在腐蚀过程中形成致密保护膜如氧化膜，使金属材料与介质隔离开，防止进一步腐蚀。如Cr、Al、Si等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜Cr2O3、Al2O3、SiO2等。

2.不锈钢的分类及常用不锈钢不锈钢按组织特点分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、双相不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。常用不锈钢牌号、热处理及用途见表5-20。

表5-20常用不锈钢牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T1220—1992)

表5-20常用不锈钢牌号、热处理、性能及用途(摘自GB/T1220—1992)

(1)马氏体型不锈钢。其含铬量为12%～18%，含碳量为0.1%～1.0%。钢的含碳量增加，耐蚀性下降，但钢的强度、硬度和耐磨性得到改善；铬含量降低，则耐蚀性下降。常见的钢种有Cr13型(1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等)和Cr18型(7Cr17、9Cr18、9Cr18Mo等)不锈钢，这类钢有较好的力学性能、热加工性、切削加工性能和一定的耐蚀性，价格较低，应用广泛。1Cr13和2Cr13等低碳不锈钢具有优良的抗大气、蒸汽等介质腐蚀能力，可进行调质处理，常用作为耐蚀结构件，如汽轮机叶片、螺栓、螺母、锅炉管附件等；3Cr13、4Cr13、9Cr18等进行淬火+低温回火后，具有高的硬度，用于耐磨、耐蚀类零件，如医疗机械、量具、滚动轴承、塑料模具等。

(2)铁素体型不锈钢。其含铬量为12%～30%，含碳量小于0.15%，从室温加热到高温(1000℃左右)组织无明显变化，保持单相铁素体，耐蚀性优于马氏体不锈钢，但力学性能不高。常见的钢种有Cr13型(0Cr13Al等)、Cr17型(1Cr17、1Cr17Mo等)和Cr28-30型(01Cr30Mo2、01Cr27Mo)不锈钢。铬含量越高，碳含量越低，耐蚀性越好；为了提高耐蚀性，还可加入合金元素Mo、Ti、Cu等。从表5-20中，可以看出，01Cr30Mo2是具有耐强腐蚀介质的耐酸钢。铁素体型不锈钢主要用于对力学性能要求不高而耐蚀要求高的环境下，如用于硝酸和氮肥等化工生产结构件。

(3)奥氏体不锈钢。在Cr18Ni8型(简称18-8)钢基础上发展起来的钢种，GB/T1220—1992中已超过30种，是应用最广的不锈钢。由于镍的加入，扩大了奥氏体相区，在室温下就能得到亚稳定的单相奥氏体组织。18-8型不锈钢退火状态呈奥氏体＋少量碳化物组织，而碳化物的存在将大大降低钢的耐蚀性，因此它通常要采用1100℃加热并水冷，使碳化物不析出而获得单项奥氏体组织(称固溶处理)。

奥氏体不锈钢在450～850℃加热或焊接时，容易在晶界处析出铬碳化物Cr23C6，使晶界附近贫铬，引起晶间腐蚀。降低钢的含碳量可以防止形成碳化物，从而预防晶间腐蚀；钢中常加入一定量的Ti、Nb等强碳化物元素，形成极稳定的弥散碳化物(固溶处理之后，进行稳定化退火，析出碳化物)，抑制了铬碳化物的析出，也可以避免晶间腐蚀的发生。

奥氏体不锈钢不仅耐蚀性好，而且其冷成型和焊接性也较好，广泛用于制造化工设备、管道等；奥氏体不锈钢具有很强的加工硬化特性，因此可以通过加工硬化实现材料的强化，另外它还具有较好的耐热性；奥氏体型不锈钢切削加工性能很差，这是因为奥氏体易粘刀，又易加工硬化，同时导热性差。

(4)其他类型不锈钢：①

铁素体-奥氏体(双相)不锈钢。这类钢具有铁素体型不锈钢和奥氏体型不锈钢各自的一些优点，但其优越性只有在正确的加工条件和合适的环境中才能保证。0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi等都属于双相不锈钢。②

沉淀硬化型不锈钢。这类钢主要用作要求高强度、高硬度而又耐蚀的化工机械设备的零配件及某些航空航天设备零件和军工机械中。如0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等均属于这类钢。这类钢含Ni较低，经热处理可形成不稳定的奥氏体甚至马氏体，经时效可沉淀析出金属间化物(如Ni3Al、Ni3Nb等)，使材料强化而不失其耐蚀性，其抗拉强度可达1250～1600MPa。

5.6.2耐热钢1．钢的耐热性(1)高温抗氧化性。钢的抗氧化性是指钢在高温下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高温氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。一般向钢中加入Cr、Si、Al等元素后，钢在高温氧化环境下表面就容易生成高熔点、致密的且与基体结合牢固的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，或与铁一起形成致密的复合氧化膜，阻止了氧的扩散。高温工作时受力较小的一些炉用构件用钢常加入大量的耐氧化元素，其又称为耐热不起皮钢，如1Cr3Si、1Cr13SiAl、1Cr18Si2、1Cr25Si2、3Cr18Ni25Si2等。

(2)高温强度(又称热强性)。高温强度是钢在高温下抵抗塑性变形(蠕变)和破断的能力。提高钢高温强度的方法包括：加入Mo、W、Cr、Co等元素产生固溶强化；加入Nb、Ti、V、Ni、Al等形成化合物产生弥散强化；一般高温下晶界强度低于晶内强度，因此在钢中加入B、RE等使晶界净化并强化。

2．常用耐热钢耐热钢按使用性能分为抗氧化钢和热强钢；耐热钢按组织特点可分为铁素体型、珠光体型、马氏体型和奥氏体型等多种类型。表5-21列举了一些耐热钢的牌号、热处理及用途。

表5-21常用耐热钢牌号、热处理及用途(摘自GB/T1221—1992)

表5-21常用耐热钢牌号、热处理及