模块八工业用钢

金属材料与热处理（第二版）2015年１月出版

HeatTreatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块八工业用钢钢是以铁、碳为主要成分并含有其他元素的多元合金，它的含碳量通常小于2.11%，是现代机械制造工业中应用最广泛的金属材料。钢的种类很多，钢的分类最为繁杂。为了便于管理、选用、熟悉和比较，根据某些特性，从不同角度出发，把钢划分为若干具有共同特点的类别，这些类别的名称，最常见的有以下几种：工业用钢的分类1、按用途分类按用途分类是主要的分类方法，我国钢的标准一般都是按用途分类编制的。按用途可划分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。①结构钢：用于制造各种机器零件及钢制构件的钢种。结构钢可分为工程构件用钢和机器制造用钢。工程构件用钢：属于这类钢的有普通碳素钢、普通低合金钢，这类钢很大一部分是做成型钢、钢筋、角钢、钢板等，广泛用于建筑、铁路、车辆、造船、桥梁、石油、化工、电站、国防等国民经济部门。机器制造用钢：属于这类钢有调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等。工业用钢的分类②工具钢：制造各种工具的钢种。根据工具的用途，工具钢又可分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢：属于这类钢的有碳素刃具钢、合金刃具钢和高速钢。模具钢：有冷变形模具钢和热变形模具钢。量具钢：用于制造各种测量工具的钢。③特殊性能钢：具有某种特殊物理或化学性能的钢种。特殊性能钢可分为不锈耐酸钢、耐热钢(氧化钢和热强钢）、耐磨钢、电工钢。工业用钢的分类2、按化学成分分类①按合金元素种类分为碳钢、铬钢、锰钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等②按合金元素含量划分按碳量分：低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）；高碳钢（含碳量＞0.6%）按合金元素分：低合金钢（元素总含量＜5％）；中合金钢（元素总含量为5％～10％）；高合金钢（元素总含量＞10％）。工业用钢的分类3、按金相组织分类①按平衡状态或退火状态的组织分类可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。②按正火组织分类可以分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。③按加热、冷却和室温时的金相组织分类铁素体钢：加热和冷却时，始终保持铁素体组织。奥氏体钢：加热和冷却时，始终保持奥氏体组织。复相钢：如半铁素体钢或半马氏体钢。工业用钢的分类4、按质量分类：根据钢中所含硫、磷量杂质的多少，工业用钢分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。

普通钢：在碳素结构钢中，A级含硫量≤0.050％、含磷量≤0.045％；B级含硫量、磷量均≤0.045%；C级含硫、磷量均≤0.040％；D级含硫、磷量均≤0.035％。低合金结构钢：含硫、磷量均≤0.045％优质钢：在结构钢中，含硫、磷量均≤0.035％，在工具钢中，含硫量≤0.030％，含磷量≤0.035%高级优质钢：在结构钢中，含硫、磷量均≤0.025％，在碳素工具钢中，含硫量≤0.020％，含磷量≤0.030%在合金工具钢中，含硫、磷量均≤0.035%特级优质钢：含硫、磷量均≤0.015％工业用钢的分类除此之外，还有其他分类方法：按脱氧制度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢按工艺特点分为铸钢、渗碳钢、氮化钢、易切钢按冶炼炉衬分为酸性钢、碱性钢按冶炼设备分为转炉钢、电炉钢；电炉钢又可分为电弧炉钢、感应炉钢、真空炉钢等等；上述分类方法，主要是为了方便和实际需要，因此同一种钢，可以根据其不同特点，划分为不同类型。例如：轴承钢，按用途特点可以归于结构钢；按成分分类是高碳铬钢，按质量分类属于高级优质钢；按退火组织分类是过共析钢。钢产品的牌号表示方法根据中国国家标准（GB/T221-2008）规定，钢铁产品牌号的命名，采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母。当和另一个产品所选用的字母重复时，可改用第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字中的第一个拼音字母为了便于现代化的数据处理设备进行存储和检索，我国还规定了钢铁及合金牌号统一数字代号体系。凡列入国家标准和行业标准的钢铁及合金产品应同时列入产品牌号和统一数字代号，相互对照，两种表示方法均有效。钢产品的牌号表示方法1．碳素结构钢和低合金结构钢这类钢分为通用钢和专用钢两类。通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母Q，屈服点数值（单位为MPa)和规定的质量等级、脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。例如：碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ；低合金高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D。钢产品的牌号表示方法碳素结构钢的牌号组成中，表示镇静钢的符号Z和表示特殊镇静钢的符号TZ可以省略低合金高强度结构钢分为镇静钢和特殊镇静钢，在牌号的组成中没有表示脱氧方法的符号。专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号Q、屈服点数值和规定的代表产品用途的符号等表示，例如：压力容器用钢牌号表示为Q345R，焊接气瓶用钢牌号表示为Q295HP；锅炉用钢牌号表示为Q390g；桥梁用钢表示为Q420q等。耐候钢是抗大气腐蚀用的低合金高强度结构钢，其牌号表示为Q340NH，Q340GNH。钢产品的牌号表示方法2．优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢优质碳素结构钢采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和规定的符号表示，以两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号F和b。例如：平均含碳量为0.08％的沸腾钢，其牌号表示为08F；平均含碳量为0.10％的半镇静钢，其牌号表示为10b。镇静钢一般不标符号。例如：平均含碳量为0.45％的镇静钢，其牌号表示为45。较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.50％，含锰量为0.70％~1.00％的钢，其牌号表示为50Mn。钢产品的牌号表示方法高级优质碳素结构钢，在牌号后加符号A。例如：平均含碳量为0.20％的高级优质碳素结构钢，其牌号表示为20A。特级优质碳素结构钢，在牌号后加符号E。例如：平均含碳量为0.45％的特级优质碳素结构钢，其牌号表示为45E。优质碳素弹簧钢的牌号表示方法与优质碳素结构钢相同。专用优质碳素结构钢，采用阿拉伯数字（平均含碳量）和规定的代表产品用途的符号表示。例如：平均含碳量为0.20％的锅炉用钢，其牌号表示为20g。钢产品的牌号表示方法3．易切削钢易切削钢采用规定的符号和表示平均含碳量（以万分之几计）的阿拉伯数字表示。加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号Y和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。例如：平均含碳量为0.15％的易切削钢，其牌号表示为Y15。较高含锰量的加硫或加硫磷易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.40%，含锰量为1.20％~1.55％的易切削钢，其牌号表示为Y40Mn含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号Y和阿拉伯数字后加易切削元素符号。例如：平均含碳量为0.15％，含铅量为0.15％~0.35％的易切削钢，其牌号表示为Y15Pb；平均含碳量为0.45％，含钙量为0.002％~0.006％的易切削钢，其牌号表示为Y45Ca。钢产品的牌号表示方法4．合金结构钢和合金弹簧钢合金结构钢牌号采用阿拉伯数字和规定的合金元素符号表示。用两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计），放在牌号头部。合金元素含量表示方法为：平均含量小于1.50％时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量，平均合金含量为1.50％~2.49％、2.50％~3.49％、3.50％~4.49％、4.50％~5.49％……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为0.30％、0.95％、0.85％、1.05％的合金结构钢，其牌号表示为30CrMnSi；碳、铬、镍的平均含量分别为0.20％、0.75％、2.95％的合金结构钢，其牌号表示为20CrNi3。钢产品的牌号表示方法高级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号A表示。例如30CrMnSiA。特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号E表示，例如：30CrMnSiE。专用合金结构钢，在牌号头部（或尾部）加规定的代表产品用途的符号表示。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为0.30％、0.95％、0.85％、1.05％的铆螺钢，其牌号表示为ML30CrMnSi。合金弹簧钢的表示方法与合金结构钢相同。例如：碳、硅、锰的平均含量分别为0.60％、1.75％、0.75％的弹簧钢，其牌号表示为60Si2Mn。高级优质弹簧钢，在牌号尾部加符号A。钢产品的牌号表示方法5．非调质机械结构钢非调质机械结构钢，在牌号的头部分别加符号“F”表示热锻用非调质机械结构钢，加符号“YF”表示易切削非调质机械结构钢。后面的牌号表示方法与合金结构钢相同。例如：平均含碳量为0.35％，含钒量为0.060~0.13％的易切削非调质机械结构钢，其牌号表示为“YF35V”；平均含碳量为0.45％，含钒量为0.06％~0.13％的热锻用非调质机械结构钢，其牌号表示为“F45V”。钢产品的牌号表示方法6．工具钢工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢三类。（1）碳素工具钢采用规定的符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量的以千分之几。普通含锰量碳素工具钢，在表示工具钢符号T后为阿拉伯数字。例如：平均含碳量为0.90％的碳素工具钢，其牌号表示为T9。较高含锰量碳素工具钢，在表示工具钢符号T和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.80％、含锰量为0.40％~0.60％的碳素工具钢，其牌号表示为“T8Mn”。高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加符号A。例如：平均含碳量为1.0％的高级优质碳素工具钢，其牌号表示为T10A。钢产品的牌号表示方法（2）合金工具钢表示方法与合金结构钢相同。但一般不标明含碳量数字，若平均含碳量＜1.00%，用一位阿拉伯数字表示含碳量的千分之几。例如：平均含碳量为1.60％，含铬量为11.75％，含钼量为0.50％，含钒量为0.22％的合金工具钢，其牌号表示为Cr12MoV；平均含碳量为0.90％，含硅量为1.40％，含铬量为1.10％的合金工具钢，其牌号表示为9SiCr。钢产品的牌号表示方法（3）高速工具钢无论含碳量是多少均不标出。平均含碳量为0.85％，含钨量为6.00％，含钼量为5.00％，含铬量为4.00％，含钒量为2.00％的高速工具钢，其牌号表示为W6Mo5Cr4V2。（4）低铬（平均含铬量小于1％）合金工具钢在含铬量（以千分之几计）前加数字“0"。例如：平均含铬量为0.60％的合金工具钢，基牌号表示为“Cr06”。钢产品的牌号表示方法（5）塑料模具钢在牌号头部加符号“SM”，牌号表示方法与优质碳素结构钢和合金工具钢相同。例如：平均含碳量为0.45％的碳素塑料模具钢，其牌号表示为“SM45”；平均含碳量为0.34％，含铬量为1.70％，含钼量为0.42％的合金塑料模具钢，其牌号表示为“SM3Cr2Mo”。钢产品的牌号表示方法7．轴承钢分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢、高温轴承钢等（1）高碳铬轴承钢在牌号头部加符号G，但不标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。例如：平均含铬量为1.50％的轴承钢，其牌号表示为GCrl5。（2）渗碳轴承钢采用合金结构钢的牌号表示方法，仅在牌号头部加符号G。例如：平均含碳量为0.20％，含铬量为0.35％~0.65％，含镍量为0.40％~0.70％，含铝量为0.10％~0.35％的渗碳轴承钢，其牌号表示为G20CrNiMo。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加A，例如：G20CrNiMoA。钢产品的牌号表示方法（3）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号G。例如，平均含碳量为0.90％，含碳量为0.18％的高碳铬不锈轴承钢，其牌号表示为9Cr18；平均含碳量为1.02％，含铬量为14％，含钼量为4％的高温轴承钢，其牌号表示为l0Cr14Mo4。钢产品的牌号表示方法8．不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢牌号采用规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示。易切削不锈钢和耐热钢在牌号头部加Y。①含碳量：用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以万分之几或十万分之几计）。只规定碳含量上限者，当碳含量上限不大于0.10％时，以其上限的3/4表示碳含量；当碳含量上限大于0.10％时，以其上限的4/5表示碳含量。例如：碳含量上限为0.08％，碳含量以06表示；碳含量上限为0.15％，碳含量以12表示。钢产品的牌号表示方法对碳含量不大于0.030％，用三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以十万分之几计）。例如：碳含量上限为0.030％时，其牌号中的碳含量以022表示。规定上、下限者，以平均碳含量X100表示。例如：碳含量为0.16～0.25％时，其牌号中的碳含量以20表示。②合金元素含量：合金元素含量表示方法同合金结构钢。钢中有意加入的铌、钛、锆、氮等含量很低的合金元素，也应在牌号中标出。钢产品的牌号表示方法9．焊接用钢焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号H。例如：H08、H08Mn2Si、HlCr19Ni9。高级优质焊接用钢，在牌号尾部加符号A。例如：H08A、H08Mn2SiA。合金元素的作用为改善和提高钢的某些性能或使之获得某些特殊性能而有目的在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。非有目的加入的元素通常称为杂质元素。钢中常用的合金元素有铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、铌(Nb)、锆(Zr)、钴(Co)、硅(Si)、锰(Mn)、铝(Al)、铜(Cu)、硼(B)、稀土(RE)等。磷(P)、硫(S)、氮(N)等在某些情况下也起到合金元素的作用。不同国家常使用的合金元素与各国的资源条件有很大的关系。合金元素的作用一、合金元素的分类1．根据与铁的作用分类铁在加热和冷却过程中会产生多晶型性转变。钢中的合金元素对α-Fe、γ-Fe和δ-Fe的相对稳定性以及多型性转变温度A3和A4均有极大的影响。合金元素溶入α-Fe中形成以α-Fe为基的固溶体，溶于γ-Fe形成以γ-Fe为基的固溶体。对于那些在γ-Fe中有较大的溶解度，并稳定γ-Fe固溶体的合金元素，称为奥氏体形成元素；在α-Fe有较大的溶解度，使γ-Fe不稳定的合金元素，称为铁素体形成元素。在纯铁加热和冷却过程中产生的多晶型性转变是在恒定温度下进行的。加入合金元素后，这个转变就成为在一个温度范围内进行，这样，α相或者δ相在这个温度范围内就会与γ相在平衡状态下同时存在。合金元素的作用根据合金元素加入后形成的相平衡图类型，可将合金元素分为两类，每类分为两组。（1）扩大γ相区的奥氏体形成元素：这类合金元素能够扩大与铁形成合金的γ相区域。合金元素含量越多，A3和A4的距离越大，即A3点下降而A4上升。根据扩大γ相区的情况又可分为两组。①开启γ相区元素：如镍、钴、锰、铂、铱等元素与γ-Fe可以无限固溶，使γ相区存在的温度范围变宽，使α和δ相区缩小。②扩大γ相区元素：如碳、氮、铜、锌、金、氢等元素，它们虽然使γ相区扩大、但与γ-Fe是有限固溶，碳、氮形成间隙固溶体，铜形成置换固溶体。这些元素也是属于奥氏体形成元素。合金元素的作用（2）缩小γ相区的铁素体形成元素：这类合金元素能够缩小与铁形成合金的γ相区域。合金元素含量越多，A3和A4的距离越近，即A3点上升而A4下降。根据扩大γ相区的情况又可分为两组。①封闭γ相区元素：这类元素使A3升高，A4下降，在一定浓度处汇合,γ相区为α相区所封闭，在相图上形成γ圈。属于这类元素有钒、铬、钛、钨、钼、铝、磷、锡、锑、砷等。其中钒、铬与α-Fe无限固溶，其余都与α-Fe有限溶解。②缩小γ相区：这类元素与封闭γ相区相似，但由于出现了金属间化合物，破坏了γ圈。这类元素有硼、锆、铌、钽、硫、铈等。合金元素的作用2．根据与碳的作用分类根据合金元素加入钢中与碳发生作用情况，可以将合金元素分为两类。（1）非碳化物形成元素：这一类元素包括Ni、Si、Co、A1、Cu等，以溶入α-Fe或γ-Fe中的形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物。另外，Si的含量高时，可使渗碳体分解，使碳游离并以石墨状态存在，所以，Si也称为石墨化元素。（2）碳化物形成元素：这一类元素包括Ti、Nb、Zr、V、Mo、W、Cr、Mn等，它们中的一部分可以溶入奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物，各元素在这两者之间的分配，决定于它们形成碳化物的强弱程度及含量。合金元素的作用2．根据与碳的作用分类合金元素与碳的亲和力越大，形成碳化物的趋势就越强，这种碳化物也就越稳定，越不易分解。合金元素形成碳化物的稳定程度由强到弱的排列次序为：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中的Ti、Zr、V、Nb为强碳化物形成元素，它们和碳有极强的化合力，只要有足够的碳，在适当的条件下，就能形成它们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶入固溶体中。中强碳化物形成元素为W、Mo、Cr，当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗族体，当其含量较高时，则可能形成新的特殊碳化物。Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶解于铁素体和奥氏体中。合金元素的作用根据碳原子半径rC与金属原子半径rM的比值，可以将碳化物分为两类：当rC/rM＞0.59时，形成间隙化合物，如Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C（如Fe3Mo3C、Fe3W3C）等。当rC/rM<0.59时，形成间隙相，或称之为特殊碳化物，如WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等，与间隙化合物相比，它们的熔点、硬度高，很稳定，热处理时不易分解，不易溶于奥氏体中。合金元素还可以溶入碳化物中形成多元碳化物，如Fe4Mo2C、Fe21Mo2C6、Fe21W2C6等，其中Fe、W或Fe、Mo的比例常有变化，而且还能溶解其他金属，故常以M6C、M23C6表示。合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体，如（FeCr）3C、（FeMn)3C等，常以(FeM)3C表示。合金元素的作用二、合金元素对铁碳相图的影响Fe-C相图是研究铁碳合金的相变以及对碳钢进行热处理时选择加热温度的重要依据。合金元素对钢的作用非常复杂，特别是多种元素同时加入钢中时更是如此，由于超过三元的相图现在还无法建立，就是三元相图也很复杂，因此，合金元素对钢的作用就转化为对Fe-C相图的相区、温度临界点、成分点的影响的研究，需要说明的是，这些影响只能是定性的，到现在为止还无法定量。合金元素的作用1．对奥氏体相区的影响凡是扩大γ相区的元素均使A1、A3线下降，这样，如果使γ相区扩展到室温以下，就可能在室温得到奥氏体钢，如含锰为13%的ZGMn13就是奥氏体钢。凡是缩小γ相区的元素均使A1、A3线上升。这样，如果使γ相区缩小到很小区域，就可能得到铁素体钢，如含铬为17%的1Cr17就是铁素体钢。合金元素的作用2．对温度临界点的影响凡是扩大γ相区的元素均使温度临界点A1、A3、Acm线下降，凡是缩小γ相区的元素均使温度临界点A1、A3、Acm线上升。从而改变奥氏体化的临界温度。3．对成分点位置的影响大多数合金元素均使Fe-C相图中的成分点S点、E点左移，这意味着合金钢中碳的质量分数不足0.77％时会成为共析钢或过共析钢而析出二次渗碳体；钢中碳的质量分数不足2.11%时，就会相应地出现共晶莱氏体，成为莱氏体钢。如含碳为0.4％的4Cr13钢已不是亚共析钢而是过共析钢，含碳为0.7~0.8％的W18Cr4V高速钢，在铸态组织中已出现了莱氏体，因此，不是共析钢或过共析钢而是莱氏体钢。合金元素的作用三、合金元素对钢热处理的影响1．合金元素对钢加热的影响合金钢加热进行奥氏体化是为了获得成分均匀的奥氏体，希望有尽可能多的合金元素溶入奥氏体中，只有溶入奥氏体，合金元素才能发挥其提高淬透性的作用。除了少数元素之外，大多数元素均减慢奥氏体的形成过程，奥氏体成分均匀化的时间要比碳钢长得多。因此，为了使奥氏体成分均匀化，必须将合金钢加热到更高的温度和保温更长的时间。合金钢加热也希望获得细小晶粒的奥氏体组织，因为奥氏体的晶粒大小决定着冷却转变生成物的实际晶粒大小。合金元素除Mn、P、C、N之外都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。一些强碳化物形成元素，如Ti、V、Zr、Nb都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用，所以含有这些元素的合金钢即使在高温下加热，也易于获得细晶粒组织。合金元素的作用2．合金元素对钢冷却的影响合金元素对钢冷却的影响表现在对过冷奥氏体分解C-曲线的影响上，除了Co之外，其他的合金元素均使C-曲线右移，提高了过冷奥氏体的稳定性，也就是提高了钢的淬透性，其中有些元素还使C-曲线的形状发生变化。（1）对珠光体转变的影响：除了Co和Al外，只要加热时合金元素能够溶入奥氏体，都会或多或少地推迟奥氏体向珠光体的转变。因此。合金钢的退火和正火工艺比碳素钢的加热温度要高，保温时间要长，冷却速度要慢。（2）合金元素对贝氏体转变的影响：Cr、Mn、Ni等元素对贝氏体转变有较大的推迟作用。Si对贝氏体转变也有着强烈地阻滞作用。强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti对贝氏体转变有一定的延缓作用。（3）合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al之外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使Ms温度降低，其中碳的作用最强烈，依次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。合金元素的作用3．合金元素对钢淬火后回火的影响合金元素主要提高了钢的回火稳定性，使回火过程的转变速度减慢，并把转变温度推向更高的温度。（1）对马氏体分解的影响:碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等使马氏体分解减慢。在碳钢中，碳从马氏体中的析出温度约在250~300℃左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度（400~500℃），其中V、Nb的作用比Cr、W、Mo更强烈。非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但Si可以显著减慢马氏体的分解速度。（2）对残余奥氏体转变的影响:合金元素大都使残余奥氏体的分解温度向高温方向推移，其中Cr、Mn的作用最显著。在含有较多的W、Mo、V等元素的高合金钢中，残余奥氏体在回火过程中析出碳化物，在冷却过程中转变为马氏体。回火之后，淬火钢的硬度不但不降低，反而有所升高，这种现象称为二次硬化。

合金元素的作用（3）对碳化物的形成、聚集和长大的影响：随着回火温度的升高，合金元素能够进行明显地扩散时，开始在α相和渗碳体间重新分配，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换Fe原子，形成合金渗碳体。非碳化物形成元素将离开渗碳体。与此同时，将发生合金渗碳体的聚集长大，Ni对其聚集长大没有影响，而Si和V、W、Mo、Cr则对其聚集长大过程起阻碍作用。在含有Ti、Nb、Zr、V、Mo强碳化物形成元素较多的钢中，在回火时可能析出细小弥散的特殊碳化物，使钢的强度、硬度显著提高，产生二次硬化。（4）对铁素体回复再结晶的影响：大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再结晶过程，其中Co、Mo、W、Cr、V显著提高α相的再结晶温度，Si、Mn的影响次之，Ni的影响不大。合金元素可以显著地提高再结晶温度合金元素的作用（5）对回火脆性的影响：第一类回火脆性不可能用热处理和加入合金元素的方法消除，但Si、Mn等元素可将脆化温度提高至350~370℃，从而避开在正常温度回火产生的第一类回火脆性。Ni、Cr、Mn增加第二类回火脆性的脆向，而Mo和W则有抑制和减轻回火脆性的倾向。合金元素的作用四、合金元素对钢性能的影响钢中加入合金元素的主要目的是为了使钢具有更优异的性能，对于结构材料来说，首先是提高其力学性能，即既要有高的强度，又要保证材料具有足够的韧性。钢材除了具有优良的力学性能之外，还应具有良好的工艺性能（如铸造性能、冷成型性能、压力加工性能、切削性能、焊接性能及热处理工艺性能等），若钢材的工艺性能不能满足要求，尽管力学性能优异，也很难被接受。合金元素加入钢中主要是通过固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化等来提高钢的强度。合金元素的作用四、合金元素对钢性能的影响1、通过加入合金元素的固溶方法来强化钢，使钢具有高的强度，根据固溶强化的规律，随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，强化效果越大，则塑性韧性下降得越多，使材料的可靠性受到较大的损害，因此为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应当加以控制。2、细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性，这一点是其他强化方式所不具备的。为此，可向钢中加入Al、Ti、V、Zr、Nb等元素，形成难溶的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则对奥氏体化时晶界迁移的阻力越大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，则冷却转变后得到的铁素体、马氏体等的尺寸越小。合金元素的作用3、第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。第二相粒子越细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。第二相粒子对钢的塑性有危害作用。而均匀弥散分布的细小球状粒子可改善钢的塑性，可采用控制碳化物尺寸、数量、形状及分布，减少钢中夹杂物，将片状珠光体改变为粒状珠光体的方法改善钢的塑性。4、金属中的位错密度越高，金属的强度越高。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。钢中的相变，尤其是马氏体转变，不论是在母相还是在新相中，均能形成大量的位错。合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖，加入合金元素细化晶粒，提高钢的淬透性，造成弥散分布的第二相和形成固溶体等，都是增加位错密度十分有效的方法。这也是马氏体能够提高钢的强度的一个重要原因。工程结构钢工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种，它广泛应用于国防、化工、石油、电站、车辆等领域，如用于制造船体、建筑钢结构件、油井或矿井架、高压容器、输送管道、桥梁等，在钢总产量中占90%左右。工程结构钢包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。工程结构钢一、工程结构钢的基本要求工程结构钢大多用于制造工程结构件，其主要性能要求为足够的强度和良好的焊接性能、成形工艺性及一定的耐蚀性。1.足够的强度和韧性工程结构钢要求有足够的强度，工程结构件就能承受较大的载荷，减轻整个金属结构件的质量。2.良好的焊接性和成形工艺性焊接是构成金属结构的常用方法，因此要求有优良的焊接性。金属结构件成形时，常需要塑性变形，如剪切、冲孔、热弯、深冲等，因此还要求有良好的冷、热加工性和成形性等工艺性能。3.良好的耐腐蚀性主要指钢在各类气候条件下的抗腐蚀能力。工程结构钢二、碳素结构钢1.性能特点碳素结构钢一般是含碳量低于0.25%的低碳结构钢，它含有害元素及非金属夹杂物较多，但由于冶炼容易、工艺性能好、价格低廉，而且力学性能也能满足一般使用要求，因此，常用于制造普通的工程结构件及普通零件。碳素结构钢在热轧状态下供应，可制成钢板或各种型钢如槽钢、角钢、扁钢、圆钢、工字钢、钢筋等。2.牌号的表示方法碳素结构钢牌号的表示方法:Q+数字+（质量等级）+（脱氧方法）+（专门用途）符号。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。对于专门用途的碳素结构钢，例如桥梁钢、船用钢等，在钢号最后附加表示用途的字母。例如Q345R表示为压力容器用钢，Q345q为桥梁的专业用钢。工程结构钢3.常用碳素结构钢的特性及用途常用钢可分为Q195、Q215、Q235和Q275四个牌号Q195、Q215(AB)具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低用于制造铁钉和各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）、马口铁（镀锡薄钢板），也可用作冲压板材或焊接结构件Q235(ABCD)具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度和好的冷弯性可以满足钢结构的要求，应用最广、最多，常轧制成各种型钢、钢板、钢筋、棒材等，用来制造各种钢结构以及机器零件，如拉杆、螺栓、连杆、焊接件等Q275具有较高的强度、较好的塑性和切削加工性能、一定的焊接性能。小型零件可以淬火强化。用于制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、链轮、键、螺栓、螺母、农机用型钢、链条等工程结构钢三、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是指在碳素结构钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素结构钢的一类工程结构用钢。目前工业上广泛使用的低合金高强度结构钢的使用状态多为热轧或正火，冶金厂都是轧制成钢板、型钢和钢管供制造厂家选用。一般要经过塑性变形和焊接加工，除厚板、高强度钢焊接件外，一般不进行热处理。低合金高强度结构钢主要用于各类工程结构中承载大、自重轻、高强度的工程结构件。工程结构钢1.成分特点：含碳量较低，多数为0.1%～0.2%。一般以稍高含量的Mn（0.8%～1.8%）和适当含量的Si来固溶强化，附加V、Ti、Nb等合金元素产生细晶强化和沉淀强化。加入少量的Cr、Ni及Al，可以提高钢的耐大气腐蚀性，尤其是在钢中同时含Cu、P时，效果更佳。工程结构钢2.性能特点（1）高的强度和良好的塑性（2）良好的焊接性能（3）良好的低温韧性：低合金高强度结构钢的脆性转变温度约为-40℃，而碳素结构钢在-20℃左右，因而低合金高强度结构钢适宜制造在寒冷地区使用的构件。（4）良好的耐蚀性：由于低合金高强度结构钢构件的截面尺寸较小，又常在室外使用，故要求比普通碳素结构钢有更高的抵抗大气、海水、土壤腐蚀的能力。在低合金高强度结构钢中加入少量的Cu、P及Al等，可使耐蚀性明显提高。工程结构钢3.常用牌号和用途这类钢按屈服强度可分为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等牌号。低合金高强度结构钢按用途还可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专用钢按显微组织可分为铁素体-珠光体钢、微珠光体钢、针状铁素体钢、低碳回火马氏体钢、低碳贝氏体钢和双相钢。工程结构钢Q345、Q390钢综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性用于船舶、锅炉、压力容器、石油储罐、桥梁、电站设备、起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件Q420钢强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件Q460钢经正火或淬火+回火后有很高的综合力学性能，冶炼时用Al脱氧，质量等级为C、D、E级，可保证钢的良好韧性，用于各种大型工程结构及要求强度高、载荷大的轻型结构机器零件用钢机械制造结构钢又称为机器零件用钢，主要用于制造各种机械零件，如各种类型的轴、齿轮、轴承、弹簧、连杆、紧固件等。它们要求有良好的服役性能，有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳极限等。根据钢的生产工艺和用途，应用较多的有渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等根据化学成分，又分为碳素钢和合金钢两类。机器零件用钢与工程结构钢相比，硫、磷等有害杂质限制在较低范围内，钢的质量等级都是优质和高级优质。另外，为了更好地发挥钢的性能，一般均应进行热处理。机器零件用钢二、渗碳钢1.工作条件和性能要求工作条件：渗碳钢用来制造齿轮、凸轮、活塞销等。这些零件往往在滑动、滚动等相对运动的工况下工作，工件之间有摩擦，同时还承受了一定交变弯曲应力和接触疲劳应力，有时还有一定的冲击力。这些零件常见的失效形式有过量磨损、表面剥落，甚至断裂等。性能要求：表面具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳抗力，而心部应具有良好的综合力学性能。用渗碳钢制造的零件，通过渗碳淬火工艺，使表面有高的弯曲和疲劳极限及耐磨性，而心部又有高的强度和韧性。实际上，经过渗碳处理后的钢是一种很好的复合材料，表层相当于高碳钢，而心部是低碳钢。机器零件用钢2.化学成分渗碳钢中碳的含量决定了渗碳零件心部的强度和韧性，从而影响到零件整体的性能。一般渗碳钢的碳含量为0.12%～0.25%，个别钢种可达到0.28%。低的碳含量可保证心部在淬火时得到强韧性好的板条马氏体组织。渗碳钢中常用的合金元素Mn、Cr、Ni的主要作用是提高渗碳钢的淬透性，使较大尺寸的零件在淬火时心部能得到大量板条马氏体组织，以获得较高的强度和良好的韧性。根据零件承受负荷大小的不同情况，心部需要的显微组织也有所差别。Mo、W、V、Ti等合金元素可以阻止奧氏体晶粒在高温渗碳时长大，能细化晶粒。机器零件用钢3.常用渗碳钢及热处理①常用渗碳钢：渗碳钢都是低碳钢或低碳合金钢。常用渗碳钢按淬透性大小可分为低淬透性钢、中淬透性钢和高淬透性钢三类。低淬透性钢的典型代表是20和20Cr钢。由于渗碳时晶粒容易长大，所以不宜采用渗碳后直接淬火工艺。淬透性低，正火、退火后硬度低，切削性能不良，用于制造截面较小、载荷小的零件等。机器零件用钢中淬透性钢的典型代表是20CrMnTi钢。由于多元复合合金元素的作用，其淬透性好，渗碳淬火后具有较高的耐磨性和高的强韧性，特别是低温冲击韧性比较好;钢的渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。一般制造承受高速、中载或重载及承受冲击的渗碳零件。高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。12Cr2Ni4具有高的综合力学性能，冲击韧性高，有回火脆性和形成白点倾向，工艺性能较差。用于制造截面较大且承受重负荷的重要渗碳零件。18Cr2Ni4WA有良好的强韧性配合，缺口敏感性小，高淬透性，工艺性能较差，一般情况下切削性、磨削性较差，可进行渗碳、氮化处理，也可在其他热处理后使用。用于大截面、高强度又需要良好韧性和缺口敏感性很小的重要渗碳零件。机器零件用钢②渗碳钢的热处理一般渗碳件的渗碳热处理温度为930℃左右，渗碳后淬火处理常有直接淬火、一次淬火和二次淬火等方法。碳素钢和低合金钢常用直接淬火和一次淬火。例如20CrMnTi钢齿轮在930℃渗碳后可以预冷到870℃直接淬火18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等中合金渗碳钢，经渗碳后直接淬火，渗碳层将存在大量残留奥氏体，因此，一般是淬火后进行冷处理或者是淬火前进行高温回火，使残留奥氏体分解，生产上常用高温回火、淬火后再低温回火，使渗碳表层获得高硬度和高耐磨性的回火马氏体加上细小碳化物，而心部组织则根据钢的淬透性及零件尺寸而定，可获得低碳回火马氏体或其他组织，它们具有足够的强度和塑性，使零件达到表硬里韧的要求。机器零件用钢三、调质钢1.工作条件和性能要求这类钢主要用来制造在多种负荷下工作，受力情况比较复杂，要求具有良好综合力学性能的连杆、螺栓、主轴、半轴等。调质钢要具有一定的综合力学性能，首先是要求有足够的淬透性，使经淬火后零件的截面上得到尽可能厚而均匀的马氏体层，再加上回火控制碳化物尺寸和弥散度，这样才可保证达到性能要求。调质钢在机械零件中是用量最大的一类钢种。机器零件用钢2.化学成分大多数调质钢的碳含量为0.25%～0.45%。随着碳含量的增加，钢的强度、硬度和耐磨性升高，而塑性、韧性下降。因此，应根据零件的具体性能要求来选择钢材的碳含量，在保证强度的前提下，尽量选择较低的碳含量，以保证零件的韧性。调质钢中常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、B、W、Ti等，Mn、Cr、Si、Ni、B等主要作用是提高钢的淬透性，尤其是几种元素的复合作用效果更好。W、Mo、V、Ti等细化晶粒及提高钢的回火稳定性，;W、Mo防止或减缓高温回火脆性，使钢具有更好的综合力学性能。机器零件用钢3.常用调质钢及热处理调质钢是按淬透性高低来分的。一般分为低淬透性钢、中淬透性钢和高淬透性钢。低淬透性调质钢中，应用最多的是45和40Cr钢等。45钢等碳素钢生产工艺简单、价格便宜，用于制造力学性能要求不高、形状简单、尺寸较小的零件，也可经表面淬火代替渗碳钢制造各种齿轮、轴、活塞销等。而40Cr钢用于制造较重要的调质件及表面淬火件，如汽车上的传动轴、转向节及机床上的主轴、变速齿轮等。为了节省铬，可用40MnB、42SiMn等钢代替40Cr钢。机器零件用钢中淬透性合金钢有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi钢等。高淬透性的调质钢有40CrNiMo、37CrNi3、40CrMnMo钢等。调质钢的热处理一般采用淬火后再进行500～650℃高温回火（调质处理），得到回火索氏体，使其具有良好的综合力学性能。具体温度则取决于钢的成分和零件的性能要求。高温回火时应注意防止某些合金钢产生的高温回火脆性。如果零件还要求表面有很好的耐磨性，还可再进行表面淬火或化学热处理（氮化）。机器零件用钢

四、弹簧钢1.工作条件和性能要求弹簧是机械和仪器上的重要零件，应用非常广泛。弹簧主要有板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。弹簧的主要作用是储能、减振，它一般在动负荷下工作，即在冲击、振动或长期均匀的周期改变应力的条件下工作，起到缓和冲击力的作用，使与它配合的零部件不致受到冲击而早期破坏。板簧主要承受弯曲载荷，螺旋弹簧根据它的不同用途有压簧、拉簧和扭簧等，主要承受扭转应力。弹簧主要失效形式为疲劳破坏。弹簧是利用其弹性变形来吸收和释放外力的，所以要求弹簧有高的弹性极限和较高的屈强比。为防止在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有高的疲劳极限和足够的塑性和韧性。对于特殊条件下工作的弹簧，还要有某些特殊性能，如耐蚀性、耐热性等。在工艺性能上，对于淬火强化处理的弹簧钢还应有足够的淬透性。机器零件用钢2.化学成分普通常用的弹簧材料是碳素钢和低合金弹簧钢，碳素钢碳的含量为0.6%～1.05%;低合金弹簧钢碳的含量为0.40%～0.74%，常加入Si、Mn、Cr、V等合金元素。合金元素的主要作用是:Cr和Mn提高淬透性;Si提高弹性极限;V提高淬透性和细化晶粒。为保证弹簧有高的疲劳寿命，要求钢的纯净度高，非金属夹杂少，表面质量高。另外，Si和V还能提高回火稳定性，以进一步提高钢的弹性极限、屈强比及耐热性。机器零件用钢3.常用弹簧钢根据弹簧的尺寸及性能要求不同，弹簧钢分碳素钢及低合金钢。碳素钢有60、65及60Mn、65Mn等。这类钢价格较便宜，热处理后具有一定的强度，但由于淬透性差，故只适宜制作直径小于10mm的不太重要的弹簧60Si2Mn是合金弹簧钢中最常用的钢号，它淬透性较高，弹性极限高，疲劳极限也较高，主要用于250℃以下工作的铁路机车、汽车、拖拉机上的钢板弹簧。50CrVA淬透性高，弹性极限和疲劳极限也很高，可用于制造特别重要的承受大应力的多种尺寸螺旋弹簧以及大截面、工作温度在300℃以下的重要弹簧。机器零件用钢4.弹簧钢的热处理弹簧的尺寸不同，其成形与热处理方法也不同。弹簧丝直径＜8～10mm的弹簧，常用冷拔弹簧钢丝后冷卷成形。在冷成形后进行200～400℃去应力退火即可，保留着冷加工的强化作用。有的可在冷成形前进行盐浴等温淬火，得到索氏体；有的在冷拔钢丝中间进行再结晶退火，以便于继续加工。机器零件用钢弹簧丝直径或弹簧钢板厚度大于10～15mm的螺旋弹簧或板弹簧，一般在热态成形;根据弹簧的性能要求，热成形弹簧的热处理为淬火+中温回火，以获得回火屈氏体组织。热成形弹簧一般是将淬火加热与热成形结合起来，即加热温度略高于淬火温度，加热后进行热卷成形，然后利用余热立即进行淬火。淬火后根据性能要求选350-500℃中温回火。为了提高弹簧的强度和疲劳寿命，形变热处理及喷丸、渗氮等表面处理工艺在弹簧制造中得到了广泛的应用。机器零件用钢五、滚动轴承钢1.工作条件和性能要求滚动轴承是各种机械传动部分的基础零件之一。滚动轴承由内、外套圈和滚动体及保持架组成。滚动轴承钢主要用于制造内、外套圈及滚动体，保持架用08F和10钢制造。工作条件：滚动轴承工作时，套圈和滚动体之间呈点接触或线接触，在接触面上承受着极大的交变负荷，从而容易造成疲劳破坏。滚动轴承钢在高速运转时，既有滑动摩擦，也有滚动摩擦，并不时受到冲击，还要受到大气及润滑剂的腐蚀作用。因此，滚动轴承是在繁重而恶劣的条件下工作的，疲劳剥落和磨损是其主要损坏形式。性能要求：滚动轴承钢必须具有足够的抗压强度和疲劳极限；高的硬度、耐磨性及一定的韧性；耐蚀性和尺寸稳定性。为了满足轴承的性能要求，对于轴承钢来说，正确的化学成分、高的冶金质量和合理的加工工艺是保证性能要求的三个关键因素。机器零件用钢2.化学成分轴承钢其含碳量为0.95%～1.15%，高的碳含量是为了保证轴承钢具有高的强度、硬度和耐磨性。常加的合金元素是Cr用以提高钢的淬透性，并使其在热处理后与碳形成均匀细小的碳化物，提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时还能提高钢的耐蚀性。但Cr含量过高，则会增加淬火后残余奥氏体量，使硬度及尺寸稳定性下降，同时会增加碳化物的不均匀性，从而使疲劳极限下降。制造大型轴承的钢，为了进一步提高其淬透性，还加入Si、Mn等元素。轴承钢对S、P含量极其严格（WS<0.020%、WP<0.007%），原因是S、P会形成非金属夹杂物，降低轴承钢的疲劳极限。机器零件用钢3.常用轴承钢目前应用最广泛的轴承钢是高碳铬轴承钢系列，如GCr15、GCr15SiMn等。GCr15钢用于制造中、小型轴承的内、外套圈及滚动体，GCr15SiMn钢应用于较大型滚动轴承。此外根据不同工作条件，还有渗碳轴承钢，如G20CrNiMo、G10CrNi3Mo等，以及不锈轴承钢，如9Cr18、9Cr18Mo等。另外，铬滚动轴承钢是性能较好的过共析钢，除大量制造滚动轴承外，还可以用于制造精密量具、冷冲模、形状复杂的刃具及某些精密零件。机器零件用钢4.滚动轴承钢的热处理滚动轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理是球化退火：滚动轴承钢在切削加工前必须进行球化退火，其目的是均匀组织、降低硬度、便于切削加工，同时为最终热处理做组织准备。球化退火后的组织为球状珠光体，硬度低于210HBW。当有粗大的网状碳化物时，应先正火消除再进行球化退火最终热处理是淬火+低温回火：淬火+低温回火的目的是使钢的力学性能满足使用要求，即获得高强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。淬火和低温回火的组织为极细的回火马氏体、细小均匀的碳化物及少量的残余奥氏体，硬度为61～65HRC，回火温度为150～170℃。对于精密轴承零件，为了提高其尺寸稳定性，一般在淬火后立即进行一次-70℃左右的冷处理，以尽量减少钢中的残余奥氏体量，然后再进行低温回火，并在磨削加工后再进行120～130℃、5～10h的时效处理。工具钢对各种材料进行加工，需要采用各种工具，用来制造刀具、模具、量具等工具的钢称为工具钢。例如钻头是由刃部和柄部组成的。工作时，钻头刃部因伸入被加工金属内部进行钻削，被金属包围，散热困难，升温快，冷却条件差，尤其是在高速强力切削时，刃部温度可达600℃左右，即使在低速切削时，刃部温度也在100℃以上。因此，要求刃部应具有高的硬度、耐磨性和热硬性，并保持适当的强度、韧性，防止工作时受力折断。此外，钻头在使用过程中，刃部不断磨损，故需经常刃磨，要求整个刃部都应淬透。柄部不承担切削，仅要求具有足够的强度、韧性及一定的硬度。工具钢按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢;按化学成分工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两大类。高速工具钢（简称高速钢）因其成分和组织的特殊性以及产量大，一般单独作为一类。工具钢刃具钢1.刃具的工作条件和性能要求工作条件：刃具主要是指用于切削金属或非金属的刀具，如车刀、铣刀、钻头等。刃具在工作时，受到弯曲、剪切、冲击、扭转、振动、摩擦等力的作用产生热量，有可能使刀刃温度升高到600℃甚至更高，同时刃部也发生磨损。切削量越大，切削速度越快，刃部温度越高。性能要求：要求刃具必须具备高硬度、高耐磨性、一定的韧性和塑性，有的还要求有热硬性。工具钢2.碳素工具钢①化学成分为了保证刃具具有高的硬度和耐磨性，碳素工具钢的碳含量高达0.65%～1.35%，并且对Si、Mn、S、P等杂质元素含量控制严格。②常用碳素工具钢常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11、T12和T13。高级优质的T7A～T13A钢。碳素工具钢淬火、回火后的硬度差别不大，但随着钢中碳含量的增加，未溶渗碳体量增多，钢的耐磨性提高，而韧性降低。虽然碳素工具钢的加工性能好，价格低廉，有较高的硬度和耐磨性，但由于其淬透性和热硬性差，所以应用受到限制。工具钢③热处理碳素工具钢的热处理包括锻后球化退火和加工成形后的淬火+低温回火。淬火温度在Ac1+30～50℃，以保证淬火后得到在马氏体基体上分布着均匀、细小、颗粒状的碳化物组织，使其具有较高的硬度和耐磨性。由于碳素工具钢的淬透性较低，为了获得马氏体组织，淬火冷却时，除了形状复杂、有效厚度小于5mm的小刃具在油中冷却外，一般都选用水冷，故变形和开裂倾向较大。淬火后应立即进行回火，采用180～200℃的低温回火。工具钢3.低合金工具钢①化学成分为了弥补碳素工具钢的不足，加入合金元素Cr、Mn、Si、W、V等，其总的含量在5%以下。其中Cr、Mn、Si的主要作用是提高钢的淬透性和强度；W和V的主要作用是在钢中形成硬而稳定的碳化物，以提高钢的硬度和耐磨性，并防止钢在加热时的过热现象，保持其细小晶粒;另外，Si还能提高回火稳定性，Mn还能提高淬火后的残余奥氏体量，使淬火变形小。工具钢②常用低合金工具钢常用的低合金工具钢有9SiCr、CrWMn等。9SiCr钢有高的淬透性和回火稳定性，适用于制造变形要求小的薄刃刀具，如丝锥、板牙、铰刀等。CrWMn钢具有高的淬透性、高的硬度和耐磨性、淬火变形小的特点，它适用于制造截面较大、切削刃口不剧烈受热、要求淬火变形小、耐磨性高的工具，如长丝锥、长铰刀、拉刀等。低合金工具钢广泛用于制造精度要求较高、形状复杂、尺寸较大的低速切削刃具。工具钢③热处理低合金工具钢的热处理与碳素工具钢基本相同，包括球化退火和淬火+低温回火。由于合金元素的作用，使合金工具钢的导热性较差，所以形状复杂或截面尺寸较大的刃具淬火加热时，要进行一次600～650℃预热。淬火加热时既要保证一部分碳化物溶入奥氏体中，以提高钢的淬透性，又要留有一部分碳化物来提高其耐磨性。淬火加热温度要根据刃具的形状、尺寸、性能要求等确定。淬火冷却时，由于低合金工具钢的淬透性较高，一般可采用油淬、分级淬火或等温淬火。回火温度一般为160～200℃。淬火、低温回火后的组织为回火马氏体和颗粒状的合金碳化物及少量的残余奥氏体，硬度为60～65HRC。工具钢

4.高速钢高速钢适用于制造高速切削刃具，可保证刃部在650℃时的硬度仍高于50HRC，从而具有优良的切削性和耐磨性。

①化学成分高速钢含碳量较高并含有大量的W、Mo、Cr、V等元素。C：较高的碳含量可以保证形成足够的合金碳化物，从而获得高的硬度、耐磨性及热硬性。碳含量必须与其他合金元素含量相匹配，过高、过低对性能都有不利影响，碳含量都应限定在较窄的范围内。W：钨是获得热硬性的主要元素，它在高速钢中形成碳化物。淬火加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有钨及其他合金元素的、有很高回火稳定性的马氏体，在560℃左右回火时，以W2C形式弥散析出，造成二次硬化，使高速钢具有高的热硬性，并且提高钢的耐磨性。淬火加热时未溶解的碳化物阻碍奥氏体晶粒的长大。工具钢Mo：作用与W相似，1%的Mo可以代替2%的W。Cr：在高速钢中的主要作用是提高淬透性。几乎所有的高速钢中Cr的含量均为4%左右，当Cr的含量为4%时，空冷即可得到马氏体组织;其次，Cr还能提高钢的抗腐蚀能力及抗氧化脱碳能力。V：能显著提高钢的热硬性、硬度及耐磨性，并能细化晶粒，降低钢的过热敏感性，因此，V是强碳化物形成元素。淬火加热时V部分溶入奥氏体中，并在淬火后存在于马氏体中，回火时提高回火稳定性并产生二次硬化。回火时析出的VC具有极高的硬度（83～85HRC），同时VC极为稳定，在1200℃以上才开始明显溶入奥氏体中，未溶解的VC阻碍奥氏体晶粒长大。但V含量过高，其磨削性能差，一般高速钢中V的含量为1%～4%。工具钢②铸态组织由于高速钢中含有大量的合金元素，使碳在γ-Fe中的最大溶解度点E显著左移，故高速钢的铸态组织中出现了莱氏体，属于莱氏体钢，铸造高速钢的莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状，组织和化学成分极不均匀，并且不能用热处理的方法加以消除，必须经过反复锻造才能使其破碎、均匀。工具钢③常用高速钢：目前常用的高速钢主要是钨系和钼系两大类。钨系：典型的牌号为W18Cr4V，W18Cr4V钢发展较早，使用比较成熟，能满足一般性能要求。但其碳化物偏析较严重，热塑性差，成形较难，在加工特别硬或韧性好的材料时，硬度和热硬性显得还不够理想，而且含钨量高，价格较贵，所以主要用于制造截面较小的刃具和普通钻头等。钨钼系：以W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3等。该类钢是用钼代替一部分钨，并提高了钒的含量，碳化物的偏析程度有所改善，热塑性较好，便于成形，热处理时过热倾向减小，强度、韧性提高，通用性进一步提高，使用寿命延长，而且价格低。其使用日益增多，一般可代替W18Cr4V钢制造钻头、滚刀、铣刀、插齿刀、扩孔刀等，更适合制造薄棱刃具及大截面的刃具。工具钢含钴高速钢：如W18Cr4VCo5、W6Mo5Cr4V2Co5，这类钢热硬性好，但是价格昂贵。超硬高速钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al，具有高硬度（65～70HRC）、高热硬性的特点，成本比钴高速钢低。各种高速钢具有高的热硬性、耐磨性及较高的强度和韧性，不仅可以制作高速切削、大切削量的刃具，也可以制造载荷大、形状复杂、贵重的切削刃具，如拉刀、齿轮铣刀等。此外，还可以用于制造冷冲模、冷挤压模及某些要求耐磨性高的零件。高速钢是较贵重的高合金钢，故应该节约使用。工具钢④热处理高速钢的热处理包括锻造后退火和加工后的淬火+回火。高速钢锻造后必须进行等温球化退火。退火后的组织为索氏体基体上均匀地分布着细小的碳化物颗粒，硬度为207～255HBW。高速钢淬火、回火的特点是淬火加热温度高（一般为1200～1300℃），淬火后要在500℃左右多次回火。高速钢淬火、回火后的组织为极细的回火马氏体、较多的颗粒状碳化物及少量残余奥氏体，硬度为63～66HRC。为了提高高速钢刃具的使用寿命，可在淬火、回火后再进行表面强化处理。常用的表面强化处理方法有气体软氮化、硫氮共渗、蒸气处理、离子渗氮及气相沉积等。工具钢三、模具钢模具是机械制造工业中制造零件的主要加工工具。根据其工作条件不同，模具又分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。1.冷作模具钢（1）工作条件和性能要求工作条件：冷作模具钢是指金属在冷态下变形所用的模具钢。冷变形通常是将板或棒材拉延、冲压、冷镦或冷挤压成形。这类模具在工作过程中共同的特点是工作温度不高，模具主要承受高的压力和冲击力，有强烈的摩擦。失效形式一般是磨损，也有断裂、崩刃和变形超差。性能要求：具有高硬度和高耐磨性，以及一定的韧性;在工艺上则要求具有足够的淬透性。另外，冷变形加工后的零件一般不再加工或很少加工，因而还要求热处理时变形要小，以保证模具较高的尺寸精度。工具钢（2）常用钢种①碳素工具钢，如T8A、T10A、T12A等，主要用于工作时受力不大、形状简单、尺寸较小、变形要求不太严的模具。②低合金工具钢，如9SiCr、CrWMn、9Mn2V、GCr15等，用于制造工作时受力不大，但形状复杂或尺寸较大的模具。③高碳高铬钢，如Cr12、Cr12MoV、Cr4W2MoV等，主要用于制造要求高耐磨性、高淬透性和变形量小的高精度、重负荷模具。④高速钢，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，主要用于制造冷压、冷镦模具。工具钢（3）典型钢种的热处理碳素工具钢、低合金工具钢及高速钢的热处理特点与刃具钢基本相同。但冷作模具对淬火变形的要求比刃具高，更应注意防止淬火变形，一般都采用下限加热温度。Cr12型模具钢的热处理：Cr12型模具钢属于莱氏体钢，必须经过锻造后等温球化退火，退火后硬度为207～269HBW。最终热处理有两种方法：①一次硬化法：采用较低的淬火温度+低温回火。如Cr12钢采用980℃左右淬火、160～180℃回火，可获得61～63HRC的高硬度与高耐磨性，并且淬火变形小。②二次硬化法：采用较高的淬火温度+多次回火。如Cr12钢采用1100℃左右的温度淬火，由于加热时溶解的碳化物多，Ms点低，残余奥氏体多，淬火后硬度较低，但经多次510～520℃回火，产生二次硬化，硬度可达到60～63HRC，可获得较高的热硬性，但韧性较低，变形量较大，适于在400～500℃条件下工作的模具或需进行氮化处理的模具。工具钢2.热作模具钢热作模具钢是用来制造使加热金属或液态金属获得所需要形状的模具。这种模具是在反复受热和冷却的条件下进行工作的。变形加工过程完成得越慢，模具受热的时间就越长，受热的程度就越严重。根据模具的具体工作条件，热作模具可分为热锻模、热挤压模和压铸模等。工具钢（1）热锻模热锻模是通过冲击加压使被加热金属发生塑性变形的工具。它在工作过程中承受很大的冲击载荷、复杂的应力及强烈的摩擦力，同时还要经过反复的加热和冷却，其主要失效形式是产生疲劳裂纹。因此要求热锻模具钢具有较高的高温强度和耐磨性、良好的耐热疲劳性和导热性、良好的冲击韧性，较大型热锻模用钢还要有高的淬透性等。热锻模一般采用碳含量为0.45%～0.6%的中碳合金钢，以保证热处理后获得优良的强度与韧性、一定的硬度和耐磨性、良好的导热性。合金元素Cr、Mn、Ni的主要作用是提高淬透性，Ni还能提高韧性，合金元素Mo的主要作用是提高回火稳定性及防止高温回火脆性。工具钢常用的热锻模用钢是5CrNiMo、5CrMnMo。5CrNiMo钢具有良好的韧性、强度与耐磨性，并在500～600℃时力学性能几乎不降低，并且淬透性非常好，常用来制造大、中型热锻模。而5CrMnMo钢用Mn代替贵重的Ni，使综合力学性能与抗热疲劳性和淬透性稍低，它适于制造中、小型热锻模。热锻模经锻造后需进行退火，然后再进行淬火+回火，以获得要求的使用性能。5CrNiMo、5CrMnMo钢经820～860℃淬火加热，在空气中预冷到780℃左右油淬后可在520～580℃范围内回火，具体回火温度按模具大小而定。工具钢（2）压铸模压力铸造是在高的压力下使液态金属挤满型腔成形。在工作中模具反复与炽热金属接触，因此对压铸模用钢要求有高的耐热疲劳性、较高的导热性、良好的耐磨性及耐蚀性和一定的高温强度等。目前常用的压力铸造大致可分为锌合金、铝合金、镁合金、铜合金和黑色金属等五大类。这些金属的熔点、压铸温度不同，模具的工作温度和硬度要求也不同。压铸模具钢的选择要根据浇注金属的温度和种类来决定。常用的压铸模用钢钢号有3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、3Cr3Mo3VNb等，其中3Cr2W8V钢应用最广。3Cr2W8V钢碳含量为0.3%～0.4%，但由于所含合金元素多，属于过共析钢。合金元素Cr、W、V等可使钢的Ac1提高到820～830℃，因而其抗热疲劳性较高，主要用于制造浇注温度较高的铜合金、铝合金的压铸模，也可用于制作挤压钢、铜合金的模具。3Cr2W8V钢锻后必须进行球化退火，以改善组织，降低硬度，便于切削加工。切削加工后，一般加热到1050～1150℃空冷或油冷淬火，形状复杂的用分级淬火。淬火后在560～660℃范围内2～3次回火。淬火、回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物及少量残余奥氏体。

工具钢

3.塑料模具钢塑料模具钢应用于塑料制品成形用模具的制造。目前研究开发的专门系列钢号还比较少，基本上都是其他材料应用于塑料模具。（1）工作条件和性能要求塑料制品很多是采用模压成形的，压制塑料所受的温度常在200～250℃范围内。部分塑料品种在压制时析出有害气体，对型腔有较大的侵蚀作用。因此要求模具加工面有低的粗糙度值（模具材料夹杂物少，组织均匀，表面硬度高），表面有一定耐磨耐蚀性，足够的强度和韧性，热处理时变形要小。工具钢（2）常用钢种塑料模具专用钢主要有SM45、SM50、SM55等，其用量比较大，主要用于一般零件或次要零件上。对于中、小型且不是很复杂的模具，现在还较多地采用T7A、T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr2等工具钢制造。使用硬度一般为45～55HRC。对于大型塑料模具，可采用SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV1钢。要求较高耐磨性时可选用SMCr12Mo1V1和Cr12MoV钢。对于压制时会析出有害气体的塑料模具，可采用SM2Cr13、3Cr13、4Cr13Mo、9Cr18等不锈钢制造。对于SM2Cr13、3Cr13钢制造的模具，可在950～1000℃加热淬火，油中冷却，在200～220℃回火。工具钢

四、量具钢1.工作条件和性能要求：在机械制造行业大量使用的量规、卡尺、样板等，都称为量具。量具的用途是测量工件的尺寸和形状，所以量具最重要的要求是具有稳定而精确的尺寸。引起量具尺寸精度降低的原因主要有两个:一个是量具在使用过程中经常与被测工件接触而被磨损，另一个是量具在长期使用和存放过程中由于组织和应力变化引起尺寸变化。为此，量具钢必须要有高的硬度和耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性，特别精密的量具还要求有良好的耐蚀性。工具钢2.常用量具钢：量具用钢没有专用的钢号，都是选用各类结构钢和工具钢等常用钢种来制造。常用的量具钢有碳素工具钢、高碳低合金钢及渗碳钢等。碳素工具钢有T10A、T12A等，主要用于制造形状简单、精度要求不是很高的量具，如量规、样圈等圆形量具。高碳低合金钢有GCr15、CrWMn等，主要用于制造形状复杂、高精度的量具。渗碳钢有15、20、15Cr、15CrMn等，主要用于制造长形或平板状量具，并经渗碳、淬火和低温回火后使用。对于要求耐腐蚀的量具，可用9Cr18不锈钢制造。工具钢3.量具的热处理：量具热处理的目的是提高硬度、耐磨性及尺寸稳定性。因此，除了要进行球化退火及淬火加低温回火以获得高硬度、高耐磨性外，还要采取措施使量具有高的尺寸稳定性。工具钢量具尺寸不稳定的原因有三个:残余奥氏体转变成马氏体，引起体积膨胀;马氏体在使用过程中继续分解，正方度降低，引起体积收缩;残余内应力的存在和重新分布，引起变形。因此，量具的热处理特点是：①淬火：在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减小应力，降低马氏体正方度及残余奥氏体量。②冷处理：淬火后必须进行冷处理，减少残余奥氏体量。③回火：一般用低温（150～160℃）长时间回火，在保证高硬度的前提下，尽量降低应力。④时效处理：淬火、回火后，再在