钢的主要成分及其影响 on 组织和性能

1）碳钢的主要成分及其对组织和性能的影响

目前工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有很重要的地位。由于碳钢冶炼方便，加工容易，价格低廉，在许多场合碳钢的性能可以满足要求，故在工业中应用非常广泛。

碳钢是指wC＜2．11%的铁碳合金，主要元素是铁和碳，但由于原料或冶炼原因，实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，除碳以外，还含有少量的Mn、Si、S、P等元素以及N2、H2、O2等少量气体。它们对钢的性能有一定的影响，下面作简要介绍。

（1）碳的影响

碳是钢中的主要元素，为保证钢的韧性，常用碳钢的wC都小于1．6%。

碳钢的强度、硬度等力学性能主要取决于wC（如图5－3）。但这些力学性能也可通过热处理来改善。其淬硬性随含碳量增加而提高。因此，可通过含碳量的增减和不同的热处理获得不同的强度、硬度与塑性、韧性的配合。

图5－3　碳的质量分数对钢的力学性能的影响（热轧空冷状态）

（2）锰的影响

锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰能够清除钢中的FeO，改善钢的品质，降低钢的脆性；锰还能与硫化合成MnS，消除硫的有害作用，改善钢的加工性能。在碳钢中，wMn通常在0．25%～0．80%之间，锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体（含锰铁素体），使铁素体强化；一部分锰也能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体的相对量，并使它细化，从而提高钢的强度。当含锰量wMn不大时，对钢的性能影响并不显著。

（3）硅的影响

硅也是作为脱氧剂而加入钢中的，在镇静钢（脱氧完全的钢）中wSi通常在0．10%～0．40%之间，在沸腾钢（脱氧不完全的钢）中wSi只有0．03%～0．07%。大部分硅溶于铁素体，使铁素体强化，提高了钢的强度及硬度，但塑性、韧性下降。少部分硅存在于硅酸盐夹杂中。当含硅量wSi不大时，对钢的性能影响不显著。

（4）硫的影响

硫是在炼钢时由矿石、燃料带进钢中来的，硫不溶于铁，而以FeS的形式存在。FeS与Fe形成低熔点的共晶体，熔点为985℃，分布在晶界。当钢材在1 000℃～1 200℃进行热加工时，共晶体熔化，使钢材变脆，这种现象称为热脆性。为此，钢中的wS必须严格控制。

增加钢中wMn，可消除硫的有害作用。Mn与S形成熔点为1 620℃的MnS，MnS在高温时有一定的塑性，因此可避免热脆现象。

（5）磷的影响

磷是由矿石带到钢中来的，磷在钢中全部溶于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度。但在室温下使钢的塑性急剧下降，变脆，这种现象称为冷脆性。所以磷是一种有害的杂质，钢中的wP要严格控制。

硫和磷虽然是钢中的有害元素，但在某些情况下却有有利的一面，如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑，在易切钢中就是采用这种途径达到断屑的目的。而在低碳钢中加入磷和铜可以提高其在大气中的耐蚀性。

（6）N、H、O的影响

N在铁素体中的溶解度很小，并随温度下降而减少。因此，N2的逸出会使钢产生时效而变脆。一般可在炼钢时采用Al和Ti脱氮，使N形成AlN和TiN，以减少N存在于铁素体中的数量，从而减轻钢的时效倾向，这种方法称为“固氮”处理。

H在钢中既不溶于铁素体，也不生成化合物，它是以原子状态或分子状态出现。微量的H能使钢的塑性急剧下降，出现所谓的“氢脆”现象。若以分子状态出现，造成局部的显微裂纹，断裂后在显微镜下可观察到白色圆痕，这就是所谓的“白点”。它有可能使钢突然断裂，造成安全事故。在炼钢时进行真空处理是降低钢中H的质量分数的最有效方法。

O通常以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等氧化物夹杂的形式存在于钢中而成为微裂纹的根源，降低了钢的疲劳强度，对钢的性能也产生不良影响。

N2、H2、O2存在于钢中，严重影响钢的性能，降低钢材质量。

2）碳钢的应用

（1）碳素结构钢

碳素结构钢分为（普通）碳素结构钢和优质碳素结构钢。

常用的（普通）碳素结构钢的牌号和化学成分如表5－5所示。

表5－5　（普通）碳素结构钢牌号和化学成分（GB／T 700—2006）

注：a．表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一代号，沸腾钢牌号的统一数字代号如下：
Q195——U11950；
Q215AF——U12150；Q215BF——U12153；
Q235AF——U12350；Q235BF——U12353；
Q275AF——U12750
b．经需方同意，Q235B中，wC可不大于0．22%。

碳素结构钢大多以型材（钢棒、钢板和各种型钢）形式供应，供货状态为热轧（或控制轧制状态、空冷），供方应保证力学性能，用户使用时通常不再进行热处理。

碳素结构钢的质量等级分为A、B、C、D四级，A级、B级为普通质量钢，C级、D级为优质钢。碳素结构钢的力学性能随钢材厚度或直径的增大而降低（质量效应），如Q235在钢材厚度或直径不大于16mm时，其屈服强度Re为235 MPa，断后伸长率A为26%；而当钢材厚度或直径大于150mm时，其屈服强度Re下降到185MPa，断后伸长率A下降到21%。

碳素结构钢的力学性能及应用与冷弯试验见表5－6、表5－7。

优质碳素结构钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性和韧性较高，多用于制造较重要的零件。

优质碳素结构钢的牌号及化学成分、力学性能见表5－8。

表5－6　碳素结构钢的力学性能及应用

表5－7　碳素结构钢的冷弯试验

注：a．B为试样宽度，a为钢材厚度（或直径）。
b．钢材厚度（或直径）大于100mm时，弯曲试验由双方协商确定。

表5－8　优质碳素结构钢的牌号、化学成分及力学性能

优质碳素结构钢的力学性能主要取决于碳的质量分数及热处理状态。从选材角度来看，wC越低，其强度、硬度越低，塑性、韧性越高，反之亦然。锰的质量分数较高的优质碳素结构钢，强度、硬度也较高，其性能和用途与相同C而Mn较低的钢基本相同，但其淬透性稍好，可用于制造截面尺寸稍大或对强度要求稍高的零件。

08～25钢属低碳钢，组织为铁素体和少量珠光体，具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低，其压力加工性能和焊接性能优良，通常轧制成薄板或钢带，主要用于制造冲压件、焊接件和对强度要求不高的机器零件，如各种仪表板、容器和垫圈等；当对零件的表面硬度和耐磨性要求较高且高韧性要求时，可经渗碳、淬火加低温回火处理（渗碳钢），用于要求表层硬度高、耐磨性好的零件（如轴、轴套、链轮等）。

30～55钢属中碳钢，这类钢中含有一定的珠光体，具有较高的强度、硬度和较好的塑性、韧性，通常经过淬火、高温回火（调质处理）后具有良好的综合力学性能，又称为调质钢。对于综合力学性能要求不高或截面尺寸很大、淬火效果差的工件，可采用正火代替调质。这类钢除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件（如轴、齿轮、连杆等）。

60～85钢属高碳钢，这类钢中含有较多的珠光体，具有更高的强度、硬度及耐磨性，但塑性、韧性、焊接性能及切削加工性能均较差。经过淬火、中温回火后具有较好的弹性，主要用于制造各类弹簧、弹簧垫圈、弹簧钢丝等；这类钢还能通过淬火及低温回火来制造一些耐磨零件。

（2）碳素工具钢

碳素工具钢的wC高（0．65%～1．4%），高碳可保证淬火后有足够的硬度。常用碳素工

具钢牌号、化学成分及性能见表5－9。

表5－9　碳素工具钢的牌号、化学成分及性能

注：（1）高级优质钢（钢号后加A），wS≤0．020%，wP≤0．030%。
（2）用平炉冶炼的钢，wS不大于0．035%，高级优质钢不大于0．025%。
（3）钢中允许有残余元素，wCr≤0．25%，wNi＜0．20%，wCu＜0．30%。用于制造铅浴淬火钢丝时，钢中残余元素含量wCr＜0．10%，wNi＜0．12%，wCu＜0．20%，三者之和≤0．40%。

碳素工具钢的毛坯一般为锻造成形，再经机加工成工具产品。碳素工具钢锻造后因硬度高，不易进行切削加工，有较大应力，组织不符合淬火要求，故应进行球化退火，以改善切削加工性，并为最后淬火作组织准备。退火后的组织为球状珠光体，其硬度一般小于217HBW。

淬火加热温度应根据钢种来确定，同时也要考虑性能要求、工件形状、大小及冷却介质等。淬火冷却时，由于其淬透性较低，为了得到马氏体组织，除形状复杂、有效厚度或直径小于5mm的小刀具在油中冷却外，一般都选用冷却能力较强的冷却介质（如水、盐水、碱水）。

碳素工具钢经淬火及低温回火后，硬度可达60～65HRC，有良好的耐磨性和加工性能，但当作为刀具使用时刃部的温度大于200℃，硬度和耐磨性将明显下降（红硬性差）。因此碳素工具钢只能用于制造手动的刀具或低速的、小走刀量的机用刀具，还可用来制作尺寸较小的模具或量具。

常用碳素工具钢的牌号、热处理工艺及用途如表5－10所示。

3）铸钢

以铸造方式成形的钢称为铸钢。对于有些形状复杂、综合力学性能要求较高的大型零件，由于在工艺上难以用锻造方法成形，在性能上又不能用力学性能低的铸铁制造，因而只能采用各种钢材并以铸造方式成形，如轧钢机机架、水压机横梁与气缸、机车车架、铁道车辆转向架中的摇枕、汽车与拖拉机齿轮拨叉、起重行车车轮、大型齿轮等。目前铸钢在重型机械制造、运输机械、国防工业等部门应用较多。

表5－11和表5－12分别列出了常用工程碳素铸钢的化学成分和力学性能与应用。

表5－10　常用碳素工具钢的牌号、热处理工艺及用途

表5－11　铸钢的化学成分（摘自GB／T 7659—2010）

注：1．实际wC比表中碳上限每减少0．01%，就允许实际wMn超出表中锰上限0．04%，但总超出量不得大于0．2%。
2．残余元素一般不作分析，如需方有要求时，可作残余元素的分析。

表5－12　铸钢的力学性能与应用

（续表）

注：当无明显屈服时，测定规定塑性延伸强度Rp0．2。

为提高碳素铸钢的力学性能，可通过加入合金元素，形成相应的合金铸钢。

4）合金钢的主要成分及其对组织和性能的影响

如前所述，碳钢的生产（如冶炼）方便，加工（如各种成形加工）容易，价格低廉，还能通过控制其wC和进行各种热处理以满足不同的性能要求。因此，碳钢的应用极为广泛，约占工业用钢总量的80%左右。但是，碳钢由于受自身条件的制约，限制了它在现代工业生产中的使用。具体表现在以下几方面：

（1）淬透性低　一般情况下碳钢要求水淬，水淬的最大淬透直径为15～20mm。对于直径大的零件，即使水淬也难淬透。因此，不能保证整个截面上的性能均匀一致。

（2）强度低，屈强比低　碳钢的强度低。而对于需承受高负荷、高强度的零件或结构件，若使用碳钢，则必须加大截面尺寸，势必将使零件或结构件过于庞大和笨重。而屈强比低则说明强度的有效利用率低。

（3）回火稳定性差　碳钢在回火时由于回火稳定性差，常常在为了得到高韧性时必须采用高温回火而牺牲强度，或为了获得高强度必须采用低温回火而牺牲韧性，很难获得较高的综合力学性能。

（4）不具备某些特殊性能　碳钢不能满足某些特殊性能要求，如耐腐蚀、抗氧化、耐热、耐磨以及特殊的电性能、磁性能等。

碳钢的上述制约可以通过合金化的途径来解决。

为了改善钢的性能，在碳钢的基础上有意识地加入一些合金元素后所获得的钢种称为合金钢。合金钢中常用的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、锆（Zr）、镍（Ni）、稀土（RE）等元素。

在合金化理论中，通常把合金元素按与碳的亲和力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。

非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。

碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。

合金元素的加入，不仅对钢中的基本相、Fe－Fe3C相图和钢的热处理相变过程有较大的影响，同时还将改变钢的组织结构和性能，其作用是一个非常复杂的物理、化学过程。其影响的大小程度取决于它们与钢中的铁或碳的相互作用。

（1）合金元素对钢中基本相的影响

①形成合金固溶体

碳钢中的基本相，在室温下的退火或正火状态均为铁素体和渗碳体。当钢中有意加入少量合金元素时，有可能一部分溶入铁素体中形成合金铁素体，一般非碳化物形成元素，基本上都溶入铁索体内。

凡溶入铁素体中的元素都不同程度地使其硬度、韧性发生变化，图5－4为退火状态各元素对钢的性能的影响。由图可见，Si、Mn的强化作用十分强烈，Ni也有较好的强化作用。当wSi小于1%、wMn小于1．5%时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有下降趋势。Cr、Ni在适当的含量范围内（wCr≤2%、wNi≤5%），对铁素体的强度和韧性都有所提高。因此，结构钢中的各元素含量都有一定的限度。

图5－4　合金元素对铁素体性能的影响（退火状态）

合金元素能引起强化的原因，是由于溶入元素的原子直径与铁的原子直径有差别，使铁素体晶格发生畸变，从而使塑性变形抗力提高。合金元素的原子半径与铁的原子半径相差愈大，或两者晶格类型不同，则造成的晶格畸变愈大，其固溶强化的效果也愈显著。

②形成合金碳化物

渗碳体Fe3C是一种稳定性最低的碳化物，因为Fe与C的亲和力较弱。合金元素溶入渗碳体内，增强Fe和C的亲和力，从而提高了它的稳定性。

Mn是一种弱碳化物形成元素，与C的亲和力比Fe强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（Fe、Mn）3C，这种合金渗碳体比渗碳体的稳定性高，难溶入奥氏体，也难聚集长大；Cr、Mo、W属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如（Fe、Cr）3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC，这些特殊碳化物的稳定性更高；Ti、Nb、V是强碳化物形成元素，它们溶于钢中优先形成稳定性更高的间隙相TiC、W2C、NbC、VC等。

碳化物的稳定性越高，热处理加热时，碳化物的溶解及奥氏体的均匀化越困难，同时，在冷却过程中碳化物的析出及聚集长大也越困难。

钢中随着这些碳化物含量的增多，将使钢的强度、硬度显著增加，耐磨性提高，而塑性、韧性降低。但是，当钢中存在均匀的弥散分布的特殊碳化物时，钢的强度、硬度和耐磨性明显提高，而塑性、韧性还不降低，这点对提高工具的使用性能是十分有利的。

（2）合金元素对铁碳合金相图的影响

合金元素的加入对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。

合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。C、N、Co、Ni、Mn、Cu等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，称之为奥氏体形成元素，特别以Ni、Mn的影响更大。图5－5a为Mn对铁碳合金相图中奥氏体区的影响。Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相区缩小，称之为铁素体形成元素。图5－5（b）为Cr对相图中奥氏体区的影响。

图5－5　Mn、Cr对铁碳合金相图的影响

由图5－5可见，随着Mn的含量增加，共析转变温度和共析成分向低温、低碳方向移动。因此，当Mn、Ni含量相当高时，由于扩大奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相奥氏体钢，如wMn为13%的ZGMn13耐磨钢和wNi为9%的1Cr18Ni9不锈钢均属奥氏体钢。而随着wCr的增加，其共析温度和共析成分向高温、低碳方向移动。因此，当wCr相当高时，由于缩小奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相铁素体钢。如wCr为17%的铬不锈钢属单相铁素体钢。此外，由于上述合金元素的作用，而使铁碳合金相图的S点和E点的wC降低，从而使钢中的组织与wC之间的关系发生变化。如wW为18%的高速工具钢W18Cr4V，即使其wC只有0．7%～0．8%，在其铸态组织中也会出现莱氏体。图5－6、5－7为合金元素对共析成分和共析温度的影响。

图5－6　合金元素对共析成分的影响

图5－7　合金元素对共析温度的影响

（3）合金元素对钢的热处理的影响

①合金元素对钢在加热时奥氏体化的影响

合金钢的奥氏体化的基本过程与碳钢一样，即包含晶核的形成、长大及碳化物的溶解和均匀化等过程。而这些过程基本上是由碳的扩散来控制。合金元素的加入直接对碳的扩散及碳化物的稳定性有影响，某些非碳化物形成元素能增加碳的扩散速度，如Co、Ni等，这可加速奥氏体的形成。而大部分合金元素减慢奥氏体的形成，因为它们使碳的扩散能力降低，特别是强碳化物形成元素，如Mo、W、V等与碳的亲和力大，形成特殊碳化物，阻碍碳的扩散，减慢奥氏体形成的速度。这种碳化物又难分解，使奥氏体的均匀化过程变得困难。因此，对含有这类元素的合金钢通常采用升高钢的加热温度或延长保温时间的方法来促进奥氏体成分的均匀化。此外，合金钢尤其是高合金钢导热性能差，所以加热时易变形、开裂。可采取缓慢加热或分段加热等措施预防变形、开裂。

合金元素对钢在热处理时的奥氏体晶粒度也有不同程度的影响。P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；Ti、Nb、V等可强烈阻止奥氏体晶粒长大；W、Mo、Cr等起到一定的阻碍作用；Si、Ni、Co、Cu等影响不大；Al与N形成AlN时，在低于950℃时可强烈阻止奥氏体晶粒长大，形成本质细晶粒钢。

②合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响

合金元素对过冷奥氏体等温分解过程的影响，表现在等温转变曲线（C曲线）的位置与形状上。

除Co外，所有合金元素溶入奥氏体后不同程度地阻碍碳的扩散，增大奥氏体的稳定性，因而也必然地减慢奥氏体分解能力，即使C曲线右移，从而提高钢的淬透性。

图5－8　合金元素对C曲线的影响示意图

非（或弱）碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu等，溶入奥氏体后，使C曲线右移（图5－8（a）），增大了过冷奥氏体的稳定性，起到提高淬透性的目的。

碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等溶入奥氏体后，不仅使C曲线右移，而且还由于延缓奥氏体向珠光体与贝氏体转变的程度不同使C曲线分离成两个“鼻子”。Mo、W、V、Ti强烈推迟珠光体转变，而Mn、Cr推迟贝氏体转变的作用更明显些（图5－8（b））。珠光体转变区和贝氏体转变区之间的过冷奥氏体区具有很大的稳定性。

值得注意的是，加入的合金元素只有完全溶于奥氏体中才能提高淬透性，如果未完全溶解，则碳化物会成为珠光体形成的核心，反而加速奥氏体的分解，使钢的淬透性降低。

Co在钢中有促进碳化物扩散的作用，因此，它加速了奥氏体的分解，使C曲线左移。图5－8为合金元素对C曲线影响的示意图。

③合金元素对马氏体转变的影响

除Co、Al外，由于大多数元素都使Ms、Mf线下降，因而增加了钢中的残余奥氏体的数量。有些高碳高合金钢中的残留奥氏体量可达30%以上。淬火组织中一定量的残留奥氏体有利于减少淬火变形。但是过多的残留奥氏体会使钢的淬火硬度不足，淬火组织不稳定。可以通过冷处理（即使钢冷至Ms线以下更低的温度），促使更多的残留奥氏体转变为马氏体；或进行多次回火，残留奥氏体因析出合金碳化物而使Ms、Mf线上升，并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体（即发生所谓二次淬火）。

此外，合金元素还影响马氏体的形态，Ni、Cr、Mn、Mo、Co等均会增强片状马氏体形成的倾向。

图5－9、图5－10分别为合金元素对马氏体开始转变点Ms和残留奥氏体量的影响。

图5－9　合金元素对Ms点的影响

图5－10　合金元素对残留奥氏体量的影响（wC为1．0%的钢在1 150℃淬火）

④合金元素对回火的影响

将淬火后的合金钢进行回火时，其回火过程的组织转变与碳钢相似，也是随着回火温度的升高，经历马氏体分解、残留奥氏体的分解，碳化物类型的转变，渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶等过程。这些过程是依靠原子的扩散来实现的。由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点：

a．提高钢的回火稳定性　回火稳定性是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。许多合金元素都可使回火过程中各个转变速度显著减慢。也就是使马氏体中碳化物的析出及残留奥氏体的分解速度减慢，从而将其转变推向更高温度，提高了铁素体的再结晶温度，碳化物难以聚集长大，保持一种较细小、分散的组织状态。因此，与碳钢相比，在同一温度回火时，合金钢的硬度和强度高。反之，当回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高。因此，它的内应力消除得较彻底，其塑性、韧性较高。图5－11所示是wC为0．35%的钢中加入不同量的钼，经淬火后回火时的硬度变化情况。

碳化物形成元素Cr、Mo、W、Nb、V等对提高回火稳定性有较强的作用。而非碳化物形成元素Si亦可以显著减慢马氏体的分解速度。

b．产生二次硬化　当含W、Mo、Ti元素较多的淬火钢，在500～600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，把这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。如图5－11，当wMo＞2%的钢均产生二次硬化。这是因为含上述合金元素较多的合金钢，在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC、TiC等。这类碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集长大，具有高温强度。如具有高热硬性的高速钢就是靠W、V、Mo的这种特性来实现的。

图5－11　钼钢（wC为0．35%）的回火温度对硬度的影响

另外，碳化物形成元素含量较高的高合金钢中，淬火组织中的残留奥氏体稳定性很高，即使加热至500～600℃仍不分解，而是在冷却过程中有部分残留奥氏体转变为马氏体，从而增加钢的硬度，这种现象也称为“二次硬化”。

c．回火脆性　钢淬火后，在某一温度范围回火时，出现脆化现象，称为回火脆性。图5－12为Ni－Cr钢回火后的冲击性能与回火温度的关系。

图5－12　镍铬钢（wC为0．30%，wCr为1．47%，wNi为3．40%）的冲击性能与回火温度的关系

在350℃附近发生的脆性为第一类回火脆性。无论碳钢或合金钢，都会发生这种脆性，并且它与回火后的冷却方式无关。这种回火脆性产生后无法消除，故称为不可逆回火脆性。为了避免第一类回火脆性的发生，一般不在250～400℃温度范围内回火。有时为了保证所要求的力学性能而必须在此温度范围内回火时，可用等温淬火取代。

在500～650℃温度范围内回火时，将发生第二类回火脆性。它与某些杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。这种偏聚容易发生在回火后缓慢冷却过程中，最容易发生在含Cr、Mn、Ni等合金元素的合金钢中。如果回火后快冷，杂质便来不及在晶界上偏聚，就不易发生这类回火脆性。当出现第二类回火脆性时，可将其加热至500～600℃经保温后快冷，即可消除回火脆性，故称为可逆性回火脆性。对于不能快冷的大型结构件，加入适量的W或Mo元素，能消除或延缓杂质元素向晶界偏聚，可有效地防止第二类回火脆性的发生。

（4）合金元素对钢力学性能的影响

①合金元素对钢强度的影响

合金元素对钢的强度的影响，主要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用，也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来。

提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火。而合金元素加入钢中，通过固溶强化、细晶强化、第二相强化、加工硬化等强化机制，达到提高钢强度的目的。例如，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。

淬火钢的组织是含过饱和碳和合金元素的马氏体。这些过饱和的碳和合金元素是产生很强的固溶强化效应的根源；马氏体形成时产生高密度位错和较大的位错强化效应；奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化和位错强化的效果。因此淬火马氏体具有很高的硬度，但脆性较大。淬火并回火后，马氏体中析出细小碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出第二相的强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒、较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧度还大大改善。

合金元素的加入还能提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定，并使马氏体的微细晶粒及高密度位错保持到较高温度。这样，在相同韧度的条件下，合金钢比碳钢具有更高的强度。此外，有些合金元素还可使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。

②合金元素对钢的韧度的影响

与强度相比，韧度对组织更敏感，影响强度的因素，对韧度的影响更为显著。图5－13表示出各种强化机制对韧脆转换温度Tc的影响。从图中可见，细晶强化和部分元素的置换固溶强化能降低Tc，可用来提高钢的韧度；间隙固溶强化和位错强化会降低韧度，应该予以控制；时效强化对韧度的影响较小。合金元素对钢的韧度的改善作用体现在以下几个方面。

图5－13　各种强化机制对低合金高强度钢韧脆转变温度的影响

—碳的固溶强化；2—位错强化；3—时效强化；4—锰、镍元素的固溶强化；5—细晶强化

a．通过置换固溶改善韧度　将合金元素置换固溶于铁素体中，一般都能提高钢的强度，降低钢的韧度。但是，某些置换元素（例如Ni）溶入铁素体中能改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生大的应力集中，而不致产生脆性断裂，所以可大大改善基体的韧度。wNi＞13%时，甚至能消除韧脆转变现象，故大多数低温钢一般都是高镍钢。Mn也能有效地降低钢的Tc，改善钢的韧度。

b．通过细化晶粒改善韧度　钢中加入少量Ti、V、Nb、Al等元素，形成TiC、VC、NbC、AlN等细小稳定的化合物粒子，会阻碍奥氏体晶粒长大，使钢晶粒细化，增加晶界的总面积，这不仅有利于强度的提高，而且因增大了裂纹扩展的阻力，能显著提高钢的韧度，特别是低温韧度。

c．通过细化碳化物而改善韧度　一般含Cr的渗碳体和Cr、V的碳化物都很细小，分布也最均匀，常通过加入这些合金元素来提高过共析钢的韧度。由于粗大的碳化物会严重割裂基体，降低钢的强度和韧度。因此在考虑耐磨性而必须含有碳化物时，它们的粒子应尽量细小并分布均匀，这同时对强度和韧度都有利。在组织为铁素体和珠光体的钢中，锰对碳化物的细化作用最有效。

d．提高回火稳定性而改善韧度　钢的间隙固溶强化和位错强化是最有效的强化方法，但它们会带来较大脆性。加入合金元素，提高钢的回火稳定性，可以保证钢在达到相同强度的条件下回火温度提高。提高回火温度，能更充分地析出第二相质点而降低间隙固溶程度和位错密度，更多地减轻脆化作用，而使钢的韧度显著改善。

e．通过控制非金属夹杂和杂质元素而改善韧度　Mo、W因能抑制杂质元素的晶界富集，可消除或减轻钢的回火脆性。稀土元素具有强烈的脱氧和去硫能力，对氢的吸附能力也很大，另外还能改善非金属夹杂物的形态，使其在钢中呈粒状分布，显著改善钢的韧度，降低其韧脆转变温度。

（5）合金元素对钢工艺性能的影响

①合金元素对铸造性能的影响

有些合金元素的加入（如Cr、Mo、V、Ti、Al等），会在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，将增大钢液黏度，降低其流动性，使钢的铸造性能变差。

②合金元素对热变形加工工艺性能的影响

Cr、Mo、W、V等合金元素溶入固溶体中，或在钢中形成碳化物，都会使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降，锻造时容易开裂，其锻造性能比碳钢差得多。此外，合金元素还会降低钢的导热性和提高钢的淬透性，因此合金钢的终锻温度较高，锻造温度范围较窄，锻造时加热和冷却都必须缓慢，以防发生开裂。

③合金元素对焊接性能的影响

除钴外的合金元素都能提高钢的淬透性，促进脆性相马氏体组织的形成，降低焊接性能。

④合金元素对冷变形加工工艺性能的影响

合金元素溶于固溶体中时会提高钢的冷加工硬化率，使钢变硬、变脆、易开裂，或难以继续成形。Si、Ni、O、V、Cu等会降低钢的深冲性能；Nb、Ti、Zr和RE因能改善硫化物的形态，提高钢的冲压性能。含碳量增加，会使钢的拉延性能变坏，所以冷冲压钢都是低碳钢。

⑤合金元素对切削加工性能的影响

钢中特意加入一些合金元素（例如S、Pb和P等元素），这些合金元素可在钢中形成夹杂物或不溶微粒，破坏基体的连续性，使切屑易断，同时起润滑作用，改善钢的切削性能。易切削钢中wS控制在0．08%～0．30%，wPb控制在0．10%～0．30%，wP控制在0．08%～0．15%。

⑥合金元素对热处理工艺性能的影响

合金元素对热处理的影响在前已有详述，此处略。

5）合金钢的分类

合金钢种类繁多，分类方法也较多，一般可按化学成分、冶金质量和用途进行分类。

6）合金结构钢

（1）低合金高强度结构钢

低合金结构钢是一种低碳、低合金含量的结构钢，其wC＜0．2%，合金元素的含量小于3%。这类钢与wC相同的碳钢相比具有较高的强度，故又有“低合金高强钢”之称。它还有较好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性等，所以多用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、油罐、输油管等，如图5－14所示。

低合金高强度结构钢与碳钢相比，其屈服强度Re高，例如低合金高强度结构钢Q345的Re＝300～400 MPa，而普通碳素结构钢Q235的Re＝185～235 MPa。因此，若以低合金高强度结构钢代替普通碳素钢，就可以在相同载荷条件下使结构件的重量减轻20%～30%。例如南京长江大桥采用低合金高强度结构钢Q345比普通碳素结构钢Q235节约钢材15%以上。由于wC低，它还具有良好的塑性（A＞20%），便于冲压成形和焊接。此外，它比普通低碳钢有更低的冷脆临界温度。这对在北方高寒地区使用的结构件及运输工具都有十分重要的意义。

图5－14　南京长江大桥及远洋货轮

低合金高强度结构钢通常在热轧后经退火或正火状态使用，焊接成形后不再进行热处理。由于对压力加工性能和焊接性能的要求，决定了它的wC不能超过0．27%。因此它的使用性能主要靠加入少量的Mn、Ti、V、Nb、Cu、P等合金元素来提高。Mn是强化基体的元素，其wMn≤2．00%，除固溶强化外，还使A3点下降，细化铁素体晶粒，所以既提高了强度又改善了韧性和塑性。Ti、V、Nb等合金元素在钢中形成微细碳化物，起到细化晶粒和弥散强化的作用，从而提高钢的强度及冲击性能等。Cu、P可提高钢对大气的抗蚀能力。

表5－13列出了常用低合金结构钢的牌号、主要成分、性能及用途。

表5－13　常用低合金高强度结构钢的牌号、主要成分、性能及用途

注：元素V、Ti、Nb、Cu、Cr、Mo、B、Al及P和S的含量见GB／T 1591—2008。表中所列屈服强度为厚度不大于16mm、抗拉强度和断后伸长率为厚度不大于40mm、冲击能量为厚度在12～150mm时的数据。

（2）渗碳钢

许多机器零件是在冲击载荷和表面受到强烈的摩擦、磨损的条件下工作的，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机的凸轮等。这就要求零件表面具有高硬度、高耐磨性，而心部要有高韧性和足够的强度。为满足这种性能要求，常常采用低碳钢或低碳合金钢进行表面渗碳后经淬火和回火处理，称这类钢为渗碳钢。

①化学成分

渗碳钢中wC一般很低，在0．1%～0．25%之间，可保证渗碳零件的心部具有足够的韧性和塑性。碳素渗碳钢的淬透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高钢的淬透性、改善心部性能。常用的合金元素主要有Cr、Ni和Mn等。它们不仅可提高淬透性、改善心部性能，同时还可提高渗碳层性能（强度和韧性）。其中以Ni的作用最好。为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素Ti、V、Mo等。它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热现象。此外，微量的B（0．001%～0．004%）能显著提高淬透性。

②热处理特点

为了保证渗碳零件表面得到高硬度和高耐磨性，一般在渗碳后进行淬火和低温回火（180～200℃）处理。大多数合金钢采用渗碳后直接淬火再低温回火。

渗碳后的钢，表层碳浓度为0．85%～1．0%，经淬火和低温回火后，表层组织由合金渗碳体、回火马氏体及少量残留奥氏体组成，硬度可达60～62HRC左右。而心部的组织与钢的淬透性与零件的截面有关，当全部淬透时是低碳马氏体，硬度可达40～48HRC。多数情况下是屈氏体、少量的低碳马氏体及铁素体的混合组织，硬度25～40 HRC，冲击韧度αk≥60J／cm2。

③常用的合金渗碳钢

渗碳钢按淬透性的高低分为低淬透性钢（如15Cr、20Cr等），中淬透性钢（如20CrMnTi、20CrMnMo等）及高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4W等）三类。常用渗碳钢的成分、热处理、性能及用途列于表5－14中。

下面以某厂的凸轮轴齿轮为例，说明渗碳工艺过程：

技术要求：渗碳层深度1．0～1．5 mm，渗层浓度0．8%～1．0%，齿表面硬度55～60 HRC，心部硬度30～45HRC。

选用材料：20CrMnTi。

齿轮的生产工艺路线如下：

下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火（油冷）→低温回火→喷丸→精磨

机加工前的正火是为了改善锻造的不正常组织，以利于切削加工。该钢的渗碳、淬火及回火工艺如图5－15所示。

经大约930℃渗碳后直接预冷至840℃保温后油淬，再经230℃回火后齿轮的性能基本满足技术要求。齿面为回火马氏体，具有很高硬度55～60 HRC，而心部具有较好的强韧性。喷丸处理的目的是消除氧化皮，使零件表面光洁及增加表面压应力，提高疲劳强度。

表5－14　常用渗碳钢的牌号、成分、热处理、性能及用途

图5－15　20CrMnTi齿轮最终热处理工艺曲线

除用渗碳钢经热处理后达到表面强化外，还可采用淬透性较低的中碳钢经表面淬火也能达到表面强化的目的。例如，某些机械零件有时采用40、45、40Cr钢等，进行表面淬火代替合金渗碳钢。但它们的淬透性还稍高，不能得到合适的轮廓表面硬化层。目前我国已研制了典型的低淬透性钢，其wC为0．5%～0．65%，含Si和Mn量很低，加进适量的Ti。主要牌号为55Tid、60Tid。这种钢经感应加热表面淬火后，既保证零件表层的硬度，又保证心部有足够的韧性和强度。

（3）调质钢

合金调质钢是指经调质处理后使用的合金结构钢，经过调质处理后钢的组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能，即强度高、塑性和韧性好。调质钢广泛用于制造各种受力复杂的、重要的机器零件，如齿轮、连杆、轴及螺栓等，如图5－16所示。

图5－16　齿轮、轴

①化学成分

为了满足良好的强度与韧性相配合的要求，钢中wC一般控制在0．25%～0．50%之间。碳量过低不易淬硬，得不到所需要的强度；碳量过高，硬度、强度虽高，但韧性低。因此，一般碳素调质钢选用40、45、50钢等。由于合金元素代替了部分碳的强化作用，所以合金调质钢的wC可偏于取下限，如30CrMo、40Cr、30CrMnTi等。

合金调质钢中的合金元素，主要作用是提高钢的淬透性和保证良好的强度和韧性。淬透性是调质钢的一个重要性能。淬透性差的钢，由于淬不透，在整个截面上得不到均匀一致的力学性能，没淬透的部位强度低，韧性差。因此，调质钢是在中碳的基础上，加入Cr、Ni、Mn、Si、B合金元素，以提高钢的淬透性。

调质钢属于亚共析钢，钢中存在着一定量的铁素体组织，因此铁素体本身的性能必定影响钢的性能。在钢中加入Si、Mn、Cr、Ni等元素都有强化铁素体的作用，当wSi＜1．5%、wMn≤2%时，不仅可提高其强度，还可改善其韧性。

此外，在调质钢中还常常加入少量的Mo、V、Al等合金元素。Mo主要起的作用是防止合金调质钢在高温回火时发生第二类回火脆性，V主要起细化晶粒的作用，Al的作用是促进合金调质钢的氮化过程。

②热处理特点

通常为了改善调质钢的锻造组织及切削加工性能，而选择合理的预先热处理工艺。一般对于合金含量不太高的调质钢，如40Cr钢、40MnB钢等采用正火既可细化晶粒又可改善切削性能，同时也有利于消除内应力。对于合金含量较高的钢，往往采用正火后加650～700℃高温回火，以降低硬度（200HBW左右）改善切削性能。

合金调质钢经淬火加高温回火的调质处理后，获得综合力学性能良好的回火索氏体组织。图5－17是40Cr钢的性能与回火温度的关系。

图5－17　40Cr经不同温度回火时的力学性能

某些零件不仅要求有良好的综合力学性能，而且还要求表面硬度高，耐磨性好。因此，对于这种零件经调质处理后还要进行感应加热表面淬火或氮化处理。

根据需要，调质钢也可在中、低温回火状态下使用，其金相组织分别为回火屈氏体、回火马氏体，它们具有更高强度和硬度，但冲击性能低。如锻锤锤杆采用中温回火，凿岩机活塞和混凝土振动器的振动头等，采用低温回火。但为了保证其必要的韧性和塑性，一般wC常取下限（≤0．3%）。

③常用的合金调质钢

碳素调质钢的力学性能不高，只适用于尺寸较小、负荷较轻的零件（如40钢、45钢、50钢等）。40Cr钢由于Cr的存在可使淬透性提高，并改善钢的综合力学性能，故广为应用。

Cr－Ni、Cr-Mn、Si－Mn等钢，经500～650℃回火后缓慢冷却时会出现第二类回火脆性。因此，对于大截面的零件，难以抑制回火脆性的发生，所以采用加入Mo、W的办法，如35CrMo、40CrMnMo等钢。这种钢不仅防止回火脆性的发生，而且淬透性好、晶粒细化，可做一些重要零件，如汽轮机转子、重型机械主轴等。

为了节省Cr元素，我国采用40MnB钢代替40Cr钢做大截面调质钢，Mn提高淬透性和强化铁素体，但会产生第二类回火脆性。

此外，调质钢中还有专门用于氮化的钢，钢中含有一定数量的Al、Cr、Mo等元素，它们可提高钢的氮化效果，特别是Al的作用更大，可使氮化层硬度达1 200 HV。38CrMoAl钢是典型的氮化钢，用来制造精密齿轮、镗杆等。

表5－15为常用调质钢的化学成分、热处理、性能及用途。

下面以某车辆厂的汽缸螺栓为例，说明调质钢的工艺过程。

性能要求：Rm≥900 MPa，Re≥700MPa，A5≥12%，Z≥50%，K≥63J，硬度为300～341HBW。

选用材料：42CrMo钢。

工艺路线如下：

下料→锻造→正火→机械加工（粗加工）→调质→机械加工（精加工）→喷丸

表5－15　常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能及用途

锻造后的正火是为了改善锻造组织，细化晶粒，降低硬度以利于切削加工，并为调质处理做组织准备。

调质工艺如图5－18所示，经880℃油淬后得到马氏体组织，570℃回火后其组织为回火索氏体，可满足性能要求。

图5－18　42CrMo钢螺栓调质工艺曲线

（4）弹簧钢

弹簧钢是制造各种弹性零件的主要材料，特别是制造各种机器、仪表中的弹簧。它主要是利用弹性变形来储存能量和缓和振动。弹簧一般是在动载荷下工作的，受到反复弯曲或拉、压应力，因此要求弹簧钢具有较高的弹性极限、疲劳强度、足够的塑性、韧性以及良好的表面加工质量，以减轻材料（弹簧）对缺口的敏感性，尤其是要有高的屈强比（Re／Rm），以防弹簧在高载荷下产生永久变形，还要有良好的淬透性及较低的脱碳敏感性。

①化学成分

碳素弹簧钢的wC为0．6%～0．85%，属中、高碳。如65、70、75钢等，其淬透性差，只适于制造小截面尺寸（直径一般小于12～15mm）的弹簧，大截面弹簧一般选用合金弹簧钢。

合金弹簧钢中wC控制在0．45%～0．7%之间。钢中主加元素为Si、Mn，其主要作用是提高钢的淬透性、回火稳定性和强化铁素体，经热处理后具有高弹性和较高的屈强比。但Si有使钢脱碳和石墨化的倾向，使钢的疲劳强度降低。加Mn可减少脱碳倾向，加入少量的Cr、Mo、V等元素也可防止脱碳，并细化晶粒及进一步提高弹性极限、屈强比等，还有利于提高弹簧的高温强度。

②弹簧的成形及热处理特点

弹簧钢按其成形工艺可分为热成形和冷成形两种。一般直径或厚度＞10～15mm的弹簧采用热成形方法，直径或厚度＜10mm，则采用冷成形方法。由于成形方式不同，因而热处理特点也不同。

a．热成形弹簧

这类弹簧用热轧钢板或圆钢制成，经淬火、中温回火（450～550℃）处理后，有很高的屈服强度和弹性极限，同时还具有一定的塑性和韧性。中温回火后的组织为回火托氏体。

热成形弹簧的工艺路线如下（以板簧成形为例）。

扁钢下料→加热压弯成形→淬火→中温回火→喷丸

通常为减少弹簧的加热次数，把热成形与淬火结合起来进行，如图5－19所示的工艺。

图5－19　热成形弹簧的成形及热处理工艺曲线

目前也有采用高温形变热处理的办法生产弹簧，即将轧制板材在较高温度下立即成形，随即进行淬火和中温回火，这既可节能又可使弹簧的性能和使用寿命显著提高。

表5－16　常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、性能和用途

b．冷成形弹簧

这类弹簧是用冷拉弹簧钢丝或冷轧弹簧钢带在冷态下制成的，适于制造直径小或厚度薄的弹簧。其制造工艺有以下两种类型：

（a）弹簧经过冷成形后，只进行消除内应力的低温退火，使弹簧定型。这种钢丝在成形前已有很高的强度和足够的塑性与韧性。

（b）弹簧钢丝是退火状态供应的，经冷成形后必须进行淬火和中温回火处理，以满足所需要的性能。其热处理工艺与热成形弹簧相同。(www.xing528.com)

冷成形弹簧所用的钢丝，常常采用冷拔强化。冷拔前先进行“铅淬”处理，也叫“索氏体化”处理，即加热至Ac3以上，然后淬到450～550℃的熔化铅液中等温，获得索氏体组织。

弹簧最后要进行喷丸处理，造成表面的残余压应力，以提高其疲劳强度。

③常用的合金弹簧钢

常用的合金弹簧钢有65Mn、60Si2Mn等，其淬透性好，强度较高，可制作截面尺寸较大的弹簧，但这类钢有回火脆性及过热倾向，热处理时要加以注意。在高温及高负荷下可采用淬透性更好，强度更高的钢种，如50CrVA、55SiMnMoV等。

常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表5－16。

60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧钢，适合制造厚度小于10mm的板簧和直径小于25mm的螺旋弹簧，它们在重型机械、铁道车辆、汽车、拖拉机上都有广泛的应用。

50CrVA的力学性能与60Si2Mn相近，但淬透性更高，Cr和V提高弹性极限、韧性和耐回火性。可用于大截面、大负荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。

对更高耐热、耐蚀等要求的应用场合，应选择不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金弹簧钢或其他弹性材料（如铜合金等）。

（5）滚动轴承钢

滚动轴承钢主要用来制作各种滚动轴承的内圈、外圈及滚动体或各种耐磨零件（如柴油机油泵油嘴偶件、精密丝杠、精密量具、小型冷冲模等），如图5－20所示。滚动轴承在工作时承受较大的局部交变负荷，滚动体与套圈之间产生极大的接触应力。因此，要求轴承钢具有很高的硬度、耐磨性以及良好的耐疲劳强度。此外，还要有足够的韧性及耐腐蚀性能。

图5－20　滚动轴承组件

①化学成分

滚动轴承钢中wC约0．95%～1．15%，wCr约为0．40%～1．65%。

高碳是为了保证钢经热处理后具有高硬度和获得一定量的高耐磨性合金碳化物。钢中Cr为主要合金元素，可提高淬透性并与碳形成合金渗碳体（Fe、Cr）3C，阻止奥氏体晶粒长大，淬火后获得细小的隐晶马氏体组织，提高钢的强度、韧性及接触疲劳强度。Cr的含量不宜过高，否则增加残余奥氏体量，降低钢的强度和硬度。

对于大型轴承，可加入Si、Mn、Mo、V等元素，以提高钢的强度、弹性极限，并进一步改善淬透性。

此外，滚动轴承钢的纯净度要求很高，含杂质量要求极低（wS＜0．02%、wP＜0．027%），因为它们的存在会降低钢的疲劳强度，影响轴承的使用寿命。

除了传统的铬轴承钢外，在实际生产中还研发了一些特殊用途的滚动轴承钢。如为节省铬资源的无铬轴承钢，为提高抗冲击能力的渗碳轴承钢，为提高耐蚀性的不锈轴承钢，为提高高温强度和抗高温氧化的高温轴承钢等。

②热处理

滚动轴承钢的热处理工艺主要为球化退火、淬火和低温回火。

球化退火是为了降低钢的硬度（180～207HBW），以利于切削加工，同时还为零件的最终热处理做组织准备，经退火后钢的组织是球化珠光体。

如果钢的原始组织中有粗大的片状珠光体和网状碳化物时，则在退火前需要进行一次正火处理，以改善原始组织。

淬火和低温回火是决定轴承钢性能的主要热处理工序。对GCr15来说，淬火温度要求十分严格，在825～845℃之间，如果淬火加热温度过高会使残留奥氏体量增多，并由于过热而形成粗大的片状马氏体，使钢的疲劳强度及韧性降低，温度过低则硬度不足。图5－21是淬火温度对GCr15钢的性能影响。钢经淬火后应立即低温回火，回火温度为150～160℃，保温2～3h，回火后的组织由极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状合金渗碳体及少量残留奥氏体组成，硬度为61～65HRC。

图5－21　淬火温度对GCr15钢的性能影响

精密轴承必须保证尺寸的稳定性，而残留奥氏体和内应力的存在会使钢在使用过程中产生尺寸的变化，因此淬火后立即进行低于－60℃的冷处理，以减少残留奥氏体量，然后再进行低温回火消除冷处理时的内应力。轴承钢经精磨后要在120～130℃温度下进行10～15h的低温时效处理，也可进一步提高尺寸稳定性。

③常用的滚动轴承钢

最常用的滚动轴承钢为GCr9、GCr15。这种钢多用于制造中、小型轴承。对于大型、重载荷、承受较大冲击的滚动轴承，常用渗碳轴承钢，其主要牌号有G20CrMn、G20Cr2Ni4A、G20Cr2Mn2MoA等；对要求耐腐蚀的滚动轴承钢可用不锈轴承钢G9Cr18、G9Cr18Mo甚至1Cr18Ni9Ti来制造；而耐高温的轴承可用高碳的GCr14Mo4V、GCrSiWV、高速钢或渗碳钢12Cr2Ni3Mo5A来制造。

表5－17列出了常用的铬轴承钢和无铬轴承钢的牌号、化学成分、热处理及主要用途。

表5－17　常用的铬轴承钢和无铬轴承钢的牌号、化学成分、热处理及主要用途

某精密镗床主轴轴承（套圈、滚珠）制造的热处理技术要求为硬度不小于62HRC，选用材料为GCr15。工艺路线为：

下料→锻造→球化退火→机加工（粗加工）→淬火→冷处理→低温回火→磨削→稳定化处理

球化退火是为了降低硬度，便于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。退火后的组织为球化珠光体。

淬火的正常加热温度为825～845℃。由于是精密轴承，淬火后应立即进行低于－60℃的冰冷处理，以减少残留奥氏体，然后再进行低温回火，回火后组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状合金碳化物及少量的残留奥氏体，硬度为62～65HRC。

为了消除磨削应力，进一步稳定组织，常在磨削后进行稳定化处理，即采用低温长时间回火。

（6）易切钢

在钢中加入一定量的S、Pb、P、Ca、Se等合金元素，从而提高钢的可切削性，称这类钢为易切钢。

铅完全不溶于钢中，而以1～2μm的小颗粒均匀分布在钢的基体上，能改善可切削性能。铅的含量不宜过多，一般控制在0．10%～0．30%范围内，过多会引起偏析，反而不利于切削。

在易切钢中的含硫量比普通钢中含量高，一般在0．04%～0．33%范围内，这类钢中必须有足够的含Mn量，S与Mn形成MnS夹杂物分布在钢的基体上，中断基体的连续性，从而提高切削性能。但这种钢容易形成纤维组织，呈现各向异性。因此，可在其中加Ti、Zr、RE等元素，抑制硫化物在热加工过程中的延伸，防止钢的各向异性的形成。

在钢中加入微量的Ca（0．002%～0．06%），可形成高熔点（约1 300～1 600℃）的Ca－Al－Si氧化物，附在刀具上，提高刀具的耐磨性，以改善切削性能。

此外，在合金工具钢或不锈钢中加入适量的S、Pb、Se等元素，也可有效地提高其切削性能。

表5－18列出常用的几种易切钢的牌号、化学成分和性能。

表5－18　几种易切钢的牌号、成分和性能

易切钢常用于制造受力较小、强度要求不高，但要求尺寸精度高、表面粗糙度低且进行大批量生产的零件（如螺栓等）。这类钢在切削加工前不进行锻造或预备热处理，以免损害其切削加工性能，通常也不进行最终热处理（但Y45Ca常在调质后使用）。

（7）超高强度钢

超高强度一般指抗拉强度Rm＞1 500 MPa或屈服强度Re＞1 380 MPa，并兼有优良塑性及韧性的钢。这类钢是近几十年来，为适应航空、火箭、导弹等技术需要而发展起来的新钢种，主要用于制造飞机起落架、机翼大梁、火箭及发动机壳体和武器装备的炮筒、枪筒、防弹板等。

对于高强度材料来讲，往往带来塑性低、缺口敏感性大、脆断的几率大等弊端，因此，在设计超高强度钢的性能指标时，不仅要具有高强度，而且还要考虑有足够的断裂韧度KIC值相配合，以保证材料在使用过程中的安全可靠性。此外，还应该有良好的加工工艺性、冷变形和焊接性。为了保证其极高的强度要求，这类钢材充分利用了马氏体强化、细晶强化、弥散强化与固溶强化等多种机制的复合强化作用，而改善韧性的关键是提高钢的纯净度（如降低S、P含量和非金属夹杂物含量）、细化晶粒（如采用形变热处理工艺），并减小对碳的固溶强化的依赖程度（超高强度钢中的含碳量低，属于中、低碳，甚至是超低碳）。

超高强度钢按化学成分和强韧化机理的不同，可分为低、中和高合金超高强度钢三种类型。

①低合金超高强度钢

这类钢是在调质钢的基础上发展起来的，其wC为0．3%～0．45%，合金元素总量不大于5%，保证有良好的韧性和塑性，常加入的合金元素是Ni、Cr、Si、Mn、Mo、V等，其主要作用是提高钢的淬透性、回火稳定性及韧性。其最终热处理工艺是淬火＋低温回火。这类钢是当前最主要的飞机结构用钢。

几种超高强度钢的牌号、化学成分、热处理及性能列于表5－19中。

②中合金超高强度钢（二次硬化型超高强度钢）

由于低合金超高强度钢的使用温度低（＜200℃），因而研制出这类钢。其含合金元素5%～10%，大多为强碳化物形成元素。如Cr、Mo、V等，此类钢是经淬火＋高温回火后，主要利用马氏体回火时产生二次硬化达到强化目的。其牌号、化学成分、热处理及性能见表5－19。

③高合金超高强度钢（马氏体时效钢）

马氏体时效钢是以铁镍为基的高合金钢，其wC极低（＜0．03%）、wNi高（18%～25%），并含有Mo、Ti、Nb、Al等时效强化的元素。

这类钢经815℃固溶处理后获得稳定的超低碳单相板条马氏体组织，将其加热至450～500℃进行时效处理时，析出极微细的金属间化合物（Ni3Mo、Ni3Ti、Fe2Mo等），它们弥散分布在马氏体基体上，显著提高钢的强度。

马氏体时效钢有极高的强度、良好的塑性、韧性以及较高的断裂韧性，因而保证了使用的安全可靠性。此外，其淬透性好，空冷可淬透，故热处理变形小，并有良好的冷变形及焊接性能。它是制造超音速飞机及火箭壳体等的重要材料。

典型的马氏体时效钢有Ni25Ti2AlNb等，其成分、热处理及性能见表5－19。

表5－19　几种超高强度钢的牌号、化学成分、热处理及性能

7）合金钢工具钢

工具钢是用于制造刃具、模具、量具等各种工具用钢的总称。如图5－22所示，虽然其使用目的不同，但作为工具钢必须具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性以及小的变形量等。因此，有些钢是可以通用的，既可做刃具又可做模具、量具。

图5－22　工具钢的典型用途

（1）刃具钢

①性能要求

刃具钢用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀等。刀具在切削时，刃部承受很大的应力，并与切屑之间发生严重的摩擦、磨损，又由于产生“切削热”而使刃部温度升高，有时可达500～600℃，在切削的同时还要受到较大的冲击和振动。因此要求刃具钢具有如下的性能：

a．高硬度

一般机械加工刀具的硬度应大于60HRC。刀具的硬度主要取决于钢中马氏体的wC，因此刃具钢的wC较高，约为0．6%～1．5%。

b．高耐磨性

耐磨性的好坏直接影响着刀具的寿命，耐磨性好可以保证刀具的刃部锋利，经久耐用。影响耐磨性的主要因素是碳化物的硬度、数量，大小及分布情况。实践证明，一定量的硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的金属基体中，可获得较高的耐磨性。

c．高的热硬性（红硬性）

刀具在切削时，由于产生“切削热”而使刃部受热。当刃部受热时，刀具仍能保持高硬度（≥60HRC）的能力称为热硬性。热硬性的高低与钢的回火稳定性及特殊碳化物的弥散析出有关，一般在刃具钢中加入提高回火稳定性的合金元素可增加钢的热硬性。

d．足够的强度、塑性和韧性

刃具钢还要有足够的强度、塑性和韧性，以免在受到冲击和振动载荷时产生折断和崩刃。

如前所述，碳素工具钢的wC很高，在0．6%～1．3%范围之间，经淬火后有较高的硬度和耐磨性。碳素工具钢的淬透性低，水中能淬透的直径约为20mm，并容易产生淬火变形及开裂。碳素工具钢的热硬性也很差，当刃部受热至200～250℃时，其硬度和耐磨性明显降低。因此，碳素工具钢只能用于制造刃部受热程度较低的手用工具和低速、小走刀量的机用工具等。一般wC高的T10、T12等钢，硬度高、塑性差，主要用做钻头、锉刀等。wC低的T7、T8、T9等钢，硬度较低些但韧性较高，主要做木工刀具、锤子、錾子、带锯等。

由于碳素钢存在上述缺点，对于形状复杂、截面尺寸较大、精度要求较高的刀具不宜选用，通常选用合金刃具钢来制造。

②低合金刃具钢

a．成分特点

合金刃具钢是在碳素钢的基础上添加某些合金元素，获得所需要的性能。因此，wC高达0．9%～1．5%，加入Si、Cr、Mn等元素可提高钢的淬透性和回火稳定性，使其在230～260℃回火后硬度仍保持60HRC以上，从而保证一定的热硬性。加入强碳化物形成元素W、V等形成WC、VC或V4C3等特殊碳化物，提高钢的热硬性及耐磨性。

b．常用合金刃具钢及热处理

常用的低合金刃具钢有9SiCr、CrWMn等，其牌号、化学成分、热处理及用途见表5－20。

低合金工具钢的热处理基本上与碳素工具钢相同，为了改善切削性能的预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火和低温回火。淬火介质大多采用油。因此变形小、淬裂倾向低。

下面以某厂制造圆板牙为例，说明低合金刃具钢制造的工艺过程。

首先根据圆板牙的性能要求选择合适的材料。

圆板牙是用来切削外螺纹的薄刃刀具，为避免切削崩刃，要求材料中的碳化物分布均匀；板牙的螺距要求精密，要求热处理后齿形变形小；为减小磨损、延长使用寿命，要求硬度高。为此，可选用9SiCr。

然后制订合理的生产工艺路线：

下料→锻造→球化退火→机械加工（粗加工）→淬火、低温回火→精加工

球化退火是为便于后续的机械加工提供合适的硬度（197～241HBW）。其奥氏体化温度为800～810℃，保温2～4h，炉冷至700～720℃，在此温度等温退火6～8h。

9SiCr钢的合适淬火温度为850～870℃，淬火加热前先在600～650℃预热，以减少高温停留时间，防止氧化脱碳。当奥氏体化后在160～200℃的硝盐浴中进行等温淬火，使其发生下贝氏体组织转变。这种下贝氏体组织比直接油淬获得的马氏体组织具有更好的韧性和硬度的配合，且淬火变形小。淬火后在190～200℃进行低温回火。

③高速钢

高速钢是一种具有很高耐磨性和很高热硬性的工具钢。在高速切削条件下（如50～80m／min）刃部温度高达500～600℃时，硬度无明显下降，仍保持刃口锋利，从而保证高速切削，高速钢因此而得名（俗称锋钢）。

a．化学成分

常用的高速钢按其所含的主要元素可分为以下两类，即以W18Cr4V为代表的钨系和一部分W被Mo所代替的W6Mo5Cr4V2为代表的钼系。它们共同的特点是wC较高（0．7%～1．25%），并含有许多的碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等。

高速钢中碳的主要作用是经热处理后，其一部分溶入马氏体中增加其硬度及耐磨性，另一部分与合金元素形成特殊碳化物。Cr的主要作用是提高钢的淬透性，淬火加热时全部溶入奥氏体中以增大其稳定性。W在淬火加热时一部分与碳形成Fe4W2C，阻止晶粒长大，另一部分溶入马氏体中提高钢的回火稳定性，在560℃左右回火时析出W2C，产生“二次硬化”，提高钢的热硬性。Mo与W有同样效果，1%Mo大约可代替2%W的作用，Mo的碳化物比W的细小，且退火时易于球化，因此Mo系具有较好的韧性。其wW为6%～19%、wMo为0～6%左右。V与C形成稳定的VC，具有很高的硬度和耐磨性，VC在高温时部分固溶，未固溶的VC阻止奥氏体晶粒长大，在560℃回火时也产生“二次硬化”。但含V量不宜过高，否则会使钢的韧性降低。在W系中wV为1%、Mo系中wV为2%～3%左右。

b．高速钢的锻造与热处理

（a）高速钢的锻造

高速钢中较多的合金元素及碳，不仅使相图中的E点明显左移，而且使C曲线明显右移，故其铸态组织中是由大量粗大的鱼骨状共晶碳化物和树枝状马氏体与托氏体组成的亚共晶组织，属于莱氏体钢，如图5－23所示。组织中的共晶碳化物，使钢的力学性能降低，这种碳化物不能用热处理来消除，只有采用反复锻击的办法将其击碎，并均匀分布在基体上。终锻温度不宜过低，以免锻裂。锻后必须缓冷以避免形成马氏体组织。

图5－23　高速钢的铸态组织

（b）退火

高速钢经锻造后，存在锻造应力及较高硬度。经退火处理可降低硬度及消除内应力，并为随后的淬火做组织准备。其退火方法有普通退火法和等温退火法。

普通退火法的退火温度为860～880℃，保温以后冷至500～550℃出炉，其工艺曲线如图5－24（a）所示。这种退火工艺操作简单，但周期长。为了缩短退火周期，生产上一般采用等温退火，如图5－24（b）所示的工艺曲线。

图5－24　W18Cr4V钢退火曲线

高速钢经退火后的组织是索氏体及细粒状碳化物，如图5－25所示。退火后的硬度为207～225HBW。

图5－25　W18Cr4V造退火后的组织

（c）淬火和回火

高速钢只有通过正确的淬火和回火，才能使性能充分发挥出来，图5－26是W18Cr4V钢的最终热处理工艺曲线。它的淬火温度很高，为1 270～1 280℃（W6Mo5Cr4V2为1 210～1 230℃）。高速钢刀具之所以具有良好的切削能力，是由于它有较高的热硬性，而热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量。为此，选定高速钢刀具的加热温度时，应该考虑合金元素最大限度地溶入奥氏体中。图5－27为淬火温度对奥氏体成分的影响，可见，W、V在大于1 000℃时溶入量显著增加，虽然温度愈高其含量愈多，但是奥氏体的晶粒会粗大，淬火后残留奥氏体的量也会增加，从而降低性能。

图5－26　W18Cr4V钢淬火与回火工艺曲线

图5－27　W18Cr4V钢淬火温度对奥氏体成分的影响

由于高速钢淬火温度高，为了防止高温下氧化、脱碳，一般在盐炉中加热。又因大量的合金元素使钢的导热性变差，所以加热时必须进行预热，对于复杂形状的刀具甚至采用两至三次预热，以防刀具变形或开裂。

淬火时，对于尺寸小、形状简单的刀具，采用油淬可得到马氏体。形状复杂或者要求变形量小的刀具，采用分级淬火。

淬火后的组织是马氏体、残留奥氏体和合金碳化物。图5－28为W18Cr4V钢的淬火组织。

图5－28　W18Cr4V钢淬火后的组织

高速钢淬火后，残留奥氏体的量可达20%～30%，必须进行多次回火以促使其发生转变。通常在550～570℃温度进行三次回火。在这个温度范围回火时，一方面从马氏体中沉淀析出细小分散的W2C、MoC、VC，形成“弥散硬化”。另一方面从残留奥氏体中析出合金碳化物，降低残留奥氏体中合金的浓度，使Ms点上升，当随后冷却时，残留奥氏体转变成马氏体，产生“二次淬火”。图5－29是W18CrV钢的硬度与回火温度的关系。回火后的组织为回火马氏体、合金碳化物及少量的残留奥氏体，如图5－30所示。

（d）为了提高高速钢刀具的寿命，有时经上述处理后还进行表面处理，如软氮化、蒸汽处理等。经氮化处理的钢，不仅提高了硬度，还可降低刀具与工件间的摩擦系数和咬合性。刀具寿命可提高0．5～2倍。

“蒸汽处理”是将钢加热至340～370℃，通入蒸汽，并加热至550℃保温1h左右，使表面形成一层硬而多孔的Fe3O4薄膜，它可防止切屑粘着，从而提高刀具耐磨性，使用寿命可提高20%左右。

图5－29　W18Cr4V的硬度与回火温度的关系

图5－30　W18Cr4V钢淬火回火后的组织

常用高速钢的牌号、化学成分、热处理及应用见表5－20。

④硬质合金

硬质合金是将特制的高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成形，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。

硬质合金主要用作切削工具。其硬度高（87～93 HRA）、热硬性高（可达1 000℃左右）、耐磨性好。与高速钢相比，切削速度提高4～7倍，寿命提高5～8倍。可切削淬火钢、奥氏体钢等。由于它的硬度高、性脆，不能被切削加工。通常制成一定规格的刀片，采用机械或镶焊的方法固定在刀体上。

目前常用的硬质合金有以下几类：

a．钨钴类硬质合金

它是以WC粉末和软的Co粉末混合制成的。Co起粘结作用。牌号以YG（“硬钴”的汉语拼音字首）表示。例如YG3是含Co量为3%的硬质合金，其余为WC量。随Co的含量增加其韧性升高，但硬度、耐磨性降低。这种合金制造的刀具主要用作加工铸铁、有色金属及塑料等。

b．钨钴钛类硬质合金

它是以TiC、WC和Co的粉末制成的合金。牌号以YT（“硬钛”汉语拼音字首）来表示。如YT5表示含TiC为5%，共余含量为WC和Co。钨钴钛类硬质合金有很高的硬度、热硬性，但抗弯强度与韧性比YG类低。用这种合金制造的刀具主要加工合金钢、耐热钢等。表5－21列出部分硬质合金的牌号、化学成分及性能。

c．钢结类硬质合金

这是一种新型工具材料。是以WC、VC、TiC为硬化相，以高速钢或钼钢等粉末作为粘结剂，用粉末冶金法制成的合金。与前两类硬质合金比，其碳化物粉末的含量少得多。因此，韧性好，热硬性和耐磨性较低，但比高速钢高。这种合金还可进行冷、热加工及热处理，适于制造各种形状较复杂的刀具。如麻花钻头、铣刀等，也可制造模具及耐磨件等。其牌号、化学成分及性能见表5－21。

表5－20 常用合金工具钢的牌号、化学成分、热处理及用途

表5－21　部分硬质合金的牌号、化学成分及性能

d．涂层硬质合金

涂层硬质合金是在高速钢或硬质合金的表面上用气相沉积法涂覆一层耐磨性高的金属化合物，以改善刀具的切削性能。

常用的涂覆材料有TiC、TiN、Al2O3、NbC、BN等，其中以前三者应用最广。TiC的硬度高（3 200HV），耐磨性好，可涂覆于易产生强烈磨损的刀具上；TiN的硬度比TiC低些，但在空气中抗氧化性能好；Al2O3具有高温稳定性，因此，适用于在切削时产生大热量的场合。

涂层硬质合金比基底材料有更良好的性能，它的硬度高，耐磨性好，热硬性高，可显著提高刀具的切削速度及使用寿命。

（2）模具钢

用于制造模具的钢种称为模具钢。模具一般分为热作模具和冷作模具两类，由于工作条件不同，其性能要求也有所区别。

①冷作模具钢

冷作模具钢用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模和搓丝板等。这类模具在工作时要求有很高的硬度、强度、良好的耐磨性及足够的韧性。

尺寸小的冷作模具钢，其性能基本与刃具钢相似，可采用T10、T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。

大型冷作模具必须采用淬透性好、耐磨性高、热处理变形小的钢种，一般采用高碳高铬的Cr12型钢种，如Cr12、Cr12MoV等。Cr12型钢的化学成分、热处理及用途见表5－20。

现以Cr12MoV钢为例，说明其合金元素的作用及工艺路线。

Cr12MoV钢的wC为1．45%～1．70%，以保证有足够的合金碳化物和部分碳溶入奥氏体中，经相应的热处理后获得高硬度和高耐磨性；Cr是主加元素，含量高，可显著提高钢的淬透性，使截面厚度≤400mm的模具在油中可淬透，并形成Cr7C3合金碳化物，具有极高的硬度（约1 820HV）和耐磨性。这种钢变形量很小，故称为低变形钢。加入V、Mo除可提高钢的淬透性外，还可以改善碳化物偏析，细化晶粒，从而增加钢的强度和韧性。

Cr12MoV钢制作冲孔落料模生产工艺路线如下：

下料→锻造→退火→机械加工→淬火→回火→精磨或电火花加工→成品

这种钢类似高速钢（也属于莱氏体钢），也需反复锻造把大块的碳化物打碎。由于其淬透性极高，经锻造空冷后会产生淬火马氏体组织。因此锻造后要缓冷，以免产生裂纹。锻后退火工艺也类似高速钢（850～870℃加热3～4h，然后在720～750℃等温6～8h），退火后硬度≤255HBW。经机械加工后再按图5－31的工艺进行淬火和回火。

图5－31　Cr12MoV钢制冲孔落料模具淬火回火工艺

为提高冷作模具的耐磨性和抗疲劳强度，常使用化学热处理方法，如氰化、离子渗氮、软氮化、渗硼等。

②热作模具钢

热作模具钢用于制造热锻模和热压模。

热作模具在工作时，除承受较大的各种机械应力外，还使模膛受到炽热金属和冷却介质（水、油和空气）的交替作用产生的热应力，易使模膛龟裂，即热疲劳现象。因此，这种钢必须具有如下的性能：

a．具有较高的强度和韧性，并有足够的耐磨性和硬度（40～50HRC）。

b．有良好的抗热疲劳性。

c．有良好的导热性及回火稳定性，以利于始终保持模具良好的强度和韧性。

d．热作模具一般体积大，为保证模具的整体性能均匀一致，还要求有足够的淬透性。

热作模具钢中一般wC≤0．5%，以保证良好的强度和韧性的配合，加入合金元素Cr、Ni、Mn、Si等，可提高钢的淬透性；加入Mo、W及V等，可提高钢的回火稳定性及减少回火脆性（这种钢要高温回火）。这类钢又常含有较多的Cr、W元素等，它们都是缩小奥氏体区的元素，因此在模具受到交替加热和冷却时，组织比较稳定，提高了模具抗疲劳的能力。

常用的热锻模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo等（后者比前者性能好，常用作大型热锻模），热挤压模由于承受较小冲击，但热强度要求高，通常采用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV等钢制作。

常用的热作模具钢的成分、热处理及用途见表5－20。现以5CrMnMo钢制扳手热锻模为例，其生产工艺路线如下：

下料→锻造→退火→机械加工→淬火→回火→精加工（修型、抛光）

锻造时必须消除轧制时形成的纤维组织，消除各向异性，锻后缓冷以防产生裂纹。退火是为消除锻造应力，改善切削性能并细化晶粒等。退火加热温度780～800℃，保温4～5h，然后炉冷。

图5－32为5CrMnMo钢热锻模的淬火回火工艺。为了防止开裂，加热时要预热，使其内外温度均匀，冷却时要预冷后油淬，冷至Ms点时（不能冷至室温），取出立刻回火。回火后的组织为回火屈氏体或回火索氏体，硬度为41～44HRC，具有良好的冲击韧度和足够的耐磨性。

图5－32　5CrMnMo钢淬火回火工艺

（3）量具钢

量具钢是用作制造各种测量工具的钢种，如制作量规、块规、千分尺等。

为了保证量具的精确度，制造量具的钢应具有良好的尺寸稳定性、较高的硬度及耐磨性。

量具没有专用钢，前面介绍的工具钢都可以选用。通常简单量具可选用碳素工具钢（T10A、T12A等）制造。高精度量具可采用低合金工具钢（9SiCr、CrWMn等）或滚动轴承钢GCr15等制造。特别是CrWMn钢，由于含Cr、W、Mn元素，不仅提高了钢的淬透性，而且还由于淬火后组织中存在有较多的残留奥氏体，减小钢的淬火变形，故称为“微变形钢”。在腐蚀介质中工作的量具，则可以采用9Cr18，4Cr13等不锈钢制造。

量具经淬火和低温回火后，组织为回火马氏体和残留奥氏体。在长期放置和使用过程中，由于组织发生变化，致使量具的尺寸和形状发生变化。为确保量具的精度，提高尺寸和形状的稳定性，通常在淬火后立即进行－80℃左右的冷处理，使残留奥氏体转变；然后取出进行低温回火；最后经磨削加工后，还要进行去应力回火，使量具的残余应力保证在最小限度。

8）特殊性能钢

具有特殊的物理、化学性能的钢称为特殊性能钢。其种类很多，在本节仅对机械工程比较重要的不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢作些简单介绍。

（1）不锈钢

不锈钢是指在空气、酸、碱或盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢并不是绝对不腐蚀，只不过腐蚀速度慢一些。在同一介质中，不同种类的不锈钢耐腐蚀能力不同。在不同介质中，同一种不锈钢其腐蚀速度也不一样。因此，掌握各类不锈钢的特点，对于正确选用不锈钢是很重要的。

①金属的腐蚀与防腐蚀

金属的腐蚀一般分化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指金属与外界介质发生纯化学反应而被腐蚀。如钢在高温加热时发生的氧化，脱碳现象就属于化学腐蚀。电化学腐蚀是在腐蚀过程中有电流产生。这类腐蚀现象比较普遍，如金属在电解质溶液中发生的腐蚀现象，钢在室温下的氧化（生锈）等，都属于电化学腐蚀。对不锈钢，最重要的是电化学腐蚀。电化学腐蚀的原理如下：

把锌板和铜板用导线连接起来，并放在装有电解质的容器内，其回路中便有电子从低电位金属流向高电位金属形成原电池，如图5－33所示。通常规定电位较高的电极为阴极，电位较低的电极为阳极。锌板电位较低为阳极，将不断失去电子，出现腐蚀现象，而作为阳极的铜板受到保护。

原电池的电化学腐蚀现象非常广泛。例如钢中存在的夹杂物、表面局部应力、晶体内的不同相、晶界、偏析等，都会在电解质溶液中产生不同的电极电位，导致钢的电化学腐蚀。图5－34所示为几种腐蚀因素。

图5－34　引起腐蚀的冶金原因

图5－33Zn　Cu原电池原理图

由于上述各种因素会造成钢的腐蚀，因此，必须采取有效的措施以提高钢的耐腐蚀能力。

图5－35　铁铬合金的电极电位曲线

呈单相固溶体组织的钢，可避免原电池的形成。如在不锈钢中同时加入Cr、Ni，可以获得单相奥氏体组织。如果是双相组织，可加进某些合金元素提高基体的电极电位，力求使两相的电极电位接近。如加入Cr、Ni元素以提高基体的电极电位。实践证明，当钢中wCr＞12%时，其电极电位由－0．56V增至0．2V，如图5－35所示。在金属表面形成致密、连续的氧化膜，也可起到防止腐蚀的作用，如加进Cr、Al等，形成Cr2O2、Al2O3。

②不锈钢的种类、化学成分、热处理及性能

a．铁素体不锈钢

典型的铁素体不锈钢是Cr17型钢，其wC＜0．12%，wCr为16%～18%，加热时没有α→γ的转变，始终为单相铁素体组织，耐腐蚀性能好，塑性好，强度低，不能热处理强化。主要制作化工设备的容器、管道等。

b．马氏体不锈钢

典型的马氏体不锈钢为1Cr13、2Cr13等。这类钢中碳的平均质量分数为0．1%～0．45%之间，随wC的增加，其强度也增加，但耐蚀性下降。平均wCr为13%，其主要作用是提高耐蚀性，因为wCr＞12%时，能在阳极区的基体表面形成富Cr的氧化膜，阻止阳极区域反应（称为钝化现象），并增加基体的电极电位，减慢其电化学腐蚀过程，从而提高耐蚀性。这种钢只有在氧化性介质中（如大气、水蒸气、海水、氧化性酸等）有较好的耐蚀性。

马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的牌号、化学成分、热处理及性能列于表5－22中。

c．奥氏体不锈钢

最典型的钢种是18－8型镍铬不锈钢。wCr为18%，其主要作用是增加钢的钝化能力，提高耐蚀性；wNi为9%，可扩大γ区，使钢在室温下具有单相奥氏体组织。由于Cr与Ni在奥氏体中的共同作用，更进一步地提高了钢的耐蚀性。

这类钢容易在晶界上析出Cr23C6，使晶界wCr降低，造成晶间腐蚀，所以有时加入Ti、Nb元素以抑制晶间腐蚀的发生。

奥氏体不锈钢需经固溶处理后使用，对于含Ti、Nb元素的奥氏体不锈钢，固溶处理后还要进行稳定化处理。常用的热处理工艺为以下几种：

（a）固溶处理　为了保证18－8型不锈钢具有最好的耐蚀性，必须设法使它获得单相奥氏体组织。为此需要进行固溶处理，即将它加热至1 050～1 150℃，使所有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快冷，使单相奥氏体组织保留至室温。经固溶处理后其耐蚀性高，塑性、韧性好，强度低。

（b）稳定化处理　对于含Ti或Nb的18－8型不锈钢，经固溶处理后还需再进行一次稳定化处理，其目的在于彻底消除晶间腐蚀倾向。稳定化处理的加热温度为850～880℃，保温6h左右，使（Cr、Fe）23C6完全溶解，Ti或Nb的碳化物部分溶解，随后缓慢冷却，使Ti或Nb的碳化物充分析出，经此处理后，碳几乎全部稳定于碳化钛或碳化铌中（稳定处理即由此而得名），而不会再析出（Cr、Fe）23C6，从而提高固溶体中的wCr，即可提高钢基体的电极电位。

（c）消除内应力　经冷加工或焊接的奥氏体钢，存在有残余内应力。为避免发生应力腐蚀，必须对其进行去应力退火。消除冷加工应力的加热温度为300～350℃，消除焊接残余应力的加热温度在850℃以上。

常用的奥氏体不锈钢的成分、热处理、性能及用途列表于5－22中。

（2）耐热钢

耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢，因此耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两种。

表5－22　几种不锈钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途

①抗氧化钢

当金属在高温下与燃烧气体中的CO2、H2O、SO2等作用发生氧化，表面氧化膜的结构因温度和金属的化学成分而有不同的化学稳定性。若表面氧化膜是一层致密、高熔点的氧化膜，则可阻止表面氧化膜层下的金属进一步氧化，从而产生高温抗氧化性。在高温下具有较好的抗氧化性而且具有一定强度的钢叫做抗氧化钢，俗称耐热不起皮钢。这类钢是通过向钢中加入Cr、Si、Al和RE等元素，使钢的表面形成一层致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。

a．铁素体型抗氧化钢

这类钢是在铁素体不锈钢的基础上加入适量的Si、Al而发展起来的。其特点是抗氧化性强，但高温强度低、焊接性能差、脆性较大。常分为四小类：（a）低中Cr型，如1Cr3Si、1Cr6Si2Ti，工作温度在800℃以下；（b）Cr13型，如1Cr13SiAl，工作温度；（c）Cr18型，如1Cr18Si2，工作温度1 000℃左右；（d）Cr25型，如1Cr25Si2，工作温度1 050～1 100℃。这类钢主要用于受力不大的炉用构件。

b．奥氏体型抗氧化钢

这类钢是在奥氏体不锈钢的基础上加入适量的Si、Al而发展起来的。其特点是比铁素体型的热强性高，铸造和焊接性较好。典型钢号有Cr－Ni型（如3Cr18Mn12Si2，工作温度1 100℃）、节Ni型（如2Cr20Mn9Ni2SiN及3Cr18Mn12Si2N，工作温度850～1 050℃）及无Cr－Ni型（如6Mn28Al9TiRE，工作温度低于1 000℃）。

奥氏体抗氧化钢多在铸态下使用（此时为铸钢，如ZG3Cr18Ni25Si2），也可制作锻件。

表5－23列出了常用的抗氧化钢的化学成分、热处理、性能及用途

表5－23　常用抗氧化钢的化学成分、热处理、性能及用途

②热强钢

高温工作的金属材料在恒定应力作用下（即使小于屈服强度），随着时间的延长会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为“蠕变”。其主要原因是高温下金属晶体的晶内缺陷（如位错）的活动能力显著增大，致使晶内滑移和晶界滑动。由于蠕变的发生将使金属零件产生过量的变形，甚至断裂。因此，在高温下工作的金属零件，除必须具备上述的抗氧化性外，还应具备一定的高温强度。我们把在高温下有一定抗氧化能力和较高高温强度以及良好组织稳定性的钢称为热强钢。

通常用“蠕变极限”和“持久强度”来评定高温强度。

“蠕变极限”是指试样在一定温度下，经过一定时间后使其残余变形量达到一定数值的应力值。它表征了金属材料在高温下抵抗塑性变形的能力。如表示金属试样在700℃下经过100h产生0．2%残余变形量的最大应力值。其值愈高，则高温下的塑性变形抗力愈大，热强性愈高。而对于在使用中不考虑变形量大小，只要求在一定应力下具有一定使用寿命的某些金属零件，可用“持久强度”。持久强度是指试样在一定温度下，经过一定时间发生断裂的应力值。它表征了金属材料在高温下抵抗断裂的能力。如表示金属试样在500℃下经过100 000h发生断裂的应力值。

热强钢中常加入Cr、Ni、Mo、W、V、Mn等合金元素，用以提高钢的高温强度。Cr可提高钢的再结晶温度，Mo和W溶入固溶体后，既能提高钢的再结晶温度，还能析出较稳定的碳化物，Ni主要促使形成稳定的奥氏体组织，Mn和Ni的作用相似。碳在高温下由于碳化物聚集，使碳对钢的强化作用显著降低，碳还会使钢的塑性、焊接性、抗氧化性降低，因此，耐热钢中wC一般较低。

常用的热强钢有珠光体型、马氏体型、奥氏体型等几种，见表5－24。

a．珠光体热强钢

这类钢是低、中碳（wC为0．10%～0．40%），低合金（总的合金元素含量不超过3%～5%）热强钢。常用低碳珠光体热强钢有15CrMo、12CrMoV等，它们是在正火状态下使用，此两种钢后者比前者抗蠕变性能好。常用中碳珠光体热强钢有35CrMo、35CrMoV等，它们是在调质状态下使用。低碳珠光体热强钢适合做锅炉材料而中碳珠光体热强钢常用于制造汽轮机转子（主轴、叶轮等）和耐热的紧固件，因此又称紧固件及汽轮机转子用钢。

珠光体热强钢的使用温度为600℃以下。

b．马氏体热强钢

马氏体型不锈钢（Cr13型）也作为热强钢被广泛应用。作为热强钢使用时，通常在Cr13型钢的基础上加入一定量的Mo、W、V等元素。Mo可溶入铁素体中使其强化，并提高钢的再结晶温度；V可形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度；W可析出稳定的合金碳化物，显著提高再结晶温度。这些元素都是铁素体形成元素，加入量不宜过多，否则出现脆性相，使材料的韧性和耐热性降低，所以必须控制其含量。

这类钢作为热强钢使用时，其工作温度不能超过700℃，否则蠕变强度显著下降，所以必须控制在600～650℃以下。为保持在使用温度下钢的组织和性能的稳定，需经淬火及回火处理，回火温度高于使用温度。Cr13型马氏体热强钢多用于制造汽轮机叶片等。

c．奥氏体热强钢

当工作温度高于650℃时，常采用奥氏体热强钢。

18－8型奥氏体不锈钢同时也是被广泛使用的奥氏体热强钢。它的wCr高，可提高钢的高温强度和抗氧化性。wNi高，可形成稳定的奥氏体组织。在700℃左右温度下工作时，长时间受到高应力的作用也不会脆化。

常用的奥氏体热强钢为1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo等。1Cr18Ni9Ti钢作为热强钢使用时，要进行固溶处理加时效处理，即固溶处理后再经高于使用温度60～100℃的温度进行时效处理，以进一步稳定组织。

表5－24　几种热强钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途

当工作温度达800～1 050℃时，可酌情选用镍基、钴基、钼基等高温合金。若工作温度升至1 050℃以上，就要使用以高温合金为基的复合材料，甚至要用工程陶瓷。

（3）耐磨钢

耐磨钢是指在受强烈冲击或摩擦时具有很高的抗磨损能力的钢。目前工业生产中，耐磨钢通常指的是高锰钢。其主要成分特点是高碳高锰（wC为0．9%～1．4%、wMn为10%～15%），有时根据需要还可适量地加入Cr、Ni、Mo等元素。这种钢的机械加工非常困难，一般都是铸造成形。经铸造后缓慢冷却时，在奥氏体晶界处析出碳化物，使钢变脆，耐磨性也差。为了改善其性能，必须将高锰钢加热至1 050～1 100℃保温，使碳化物全部溶解，然后迅速水冷，形成单相奥氏体组织，这种处理称为“水韧处理”。经水韧处理的钢硬度并不高，仅为180～220HBW。但当受到激烈的冲击或强大的压力作用时，会使表层由于塑性变形使位错密度增加并诱发ε碳化物沿滑移面形成。因此，可明显提高表层的硬度和耐磨性，硬度可达450～550HBW。而心部仍保持软而韧的奥氏体组织，有较高的耐冲击能力。

高锰钢的牌号以ZGMn13表示（ZG为“铸钢”两字汉语拼音的字首），它广泛应用于既要求耐磨又抗激烈冲击的一些零件，如破碎机齿板、大型球磨机衬板、挖掘机铲齿、坦克和拖拉机履带及铁轨道岔等。又由于它在受力变形时，吸收大量能量，不易被击穿，因此可制造防弹装甲车板、保险箱板等。

当易磨损件所受的冲击载荷或压力较小时，例如电力、冶金系统所用的风扇磨煤机的冲击板等，选用ZGMn13制造，显然不能充分发挥材料性能的潜力。目前已研制出一种新钢种ZGMn8，由于它的wMn低，可降低奥氏体的稳定性，经适当地固溶加时效处理后，能提高硬化速率，在保证足够的冲击韧度的基础上，具有较高的耐磨性。ZGMn8已用来制造某发电厂的风扇磨煤机的冲击板，其使用寿命比ZGMn13提高50%。

（4）低温用钢

低温用钢是指用于制造在低温下（低于0℃，也有认为低于－40℃）工作的零件的钢种。广泛应用于冶金、化工、冷冻设备、海洋工程、液体燃料的制备与贮运装置等。

低温用钢中wC低（＜0．2%），含P、Si量低，以保证低温冲击韧度，此外加入Mn、Ni、V、Ti、Nb、Al等合金元素，以提高低温韧性，其中Ni的效果最明显，而V、Ti、Nb、Al等元素的加入可细化晶粒以进一步改善低温韧性，低温用钢的晶体结构类型和组织状态对低温韧性的影响很大，面心立方结构（如奥氏体钢、铝、铜等）的低温韧性良好，而体心立方结构（如铁素体）的低温韧性不及面心立方结构，其冷脆现象明显。

常用低温钢列表于5－25。

表5－25　常用低温钢的牌号、温度等级和组织类型

（续表）