《鋼的成分、組織與性能》介紹常用鋼類的成分、組織、性能，以及它們之間的關系
，同時介紹了各鋼類相關標準及工程應用。《鋼的成分、組織與性能.下冊》為下冊，共4章
，內容包括專門用途的機械制造用結構鋼(彈簧鋼、軸承鋼、低溫鋼)、工具鋼
、不銹鋼、耐熱鋼與高溫合金四大鋼類。
《鋼的成分、組織與性能.下冊》適合從事鋼材研究
、應用的科研人員、工程技術人員閱讀，也適合高等院校材料類專業的師生閱讀
。
目 錄前言
第
7章 專門用途的機械制造用結構鋼821 7
1 彈簧鋼821 7
1 1 彈簧鋼的工作條件和性能要求821 7
1 2 彈簧鋼所含元素及其作用824 7
1 3 彈簧鋼的化學成分及其性能826 7
1 4 彈簧鋼的生產836 7
1 5 熱成形彈簧的熱處理838 7
1 6 冷成形螺旋彈簧的熱處理84 0 7
1 7 彈簧的特殊處理85 0 7
2 軸承鋼851 7
2 1 滾動軸承的工作條件及對滾動軸承鋼的要求851 7
2 2 合金元素在軸承鋼中的作用853 7
2 3 軸承鋼的冶金質量及其對軸承鋼性能的影響856 7
2 4 軸承鋼的冷拔材、鋼絲和管材的生產871 7
2 5 高碳鉻軸承鋼及其熱處理872 7
2 6 滲碳軸承鋼887 7
2 7 中碳軸承鋼89 0 7
2 8 不銹軸承鋼891 7
2 9 中溫、高溫、高溫不銹和高溫滲碳軸承鋼895 7
3 低溫鋼9 0 0 7
3 1 低合金低溫鋼9 0 0 7
3 2 鎳系低溫鋼9 01 7
3 3 超低溫奧氏體鋼9 07 參考文獻
9 08 第
8章 工具鋼912 8
1 工具鋼的分類和工具鋼的基本性能912 8
2 刃具用碳素及合金工具鋼923 8
2 1 碳素工具鋼923 8
2 2 合金工具鋼93 0
8 3 高速工具鋼941 8
3 1 高速鋼的化學成分942 8
3 2 高速鋼的組織947 8
3 3 碳及合金元素對高速鋼組織和性能的影響955 8
3 4 高速鋼的生產和熱加工97 0 8
3 5 高速鋼的淬火加熱978 8
3 6 高速鋼的淬火冷卻987 8
3 7 高速鋼的回火994 8
3 8 各類高速鋼的應用997 8
3 9 粉末冶金高速鋼1 0 09 8
3 1 0 高速鋼的表面處理1 017 8
4 冷作模具鋼1 024 8
4 1 冷作模具鋼對性能的要求1 024 8
4 2 碳素工具鋼1 027 8
4 3 低合金工具鋼1 028 8
4 4 高鉻及中鉻工具鋼1 033 8
4 5 含錳較高的空冷微變形鋼1 052 8
4 6 高速鋼1 054 8
4 7 基體鋼1 058 8
4 8 鋼結硬質合金1 063 8
4 9 冷軋輥用鋼1 067 8
5 熱作模具鋼1 074 8
5 1 熱作模具鋼對性能的要求1 074 8
5 2 熱鍛模具鋼1 076 8
5 3 高熱強性熱作模具鋼1 088 8
5 4 奧氏體型熱作模具鋼1115 8
6 塑料模具鋼1118 8
6 1 塑料模具用鋼的性能要求和分類1119 8
6 2 預硬型塑料模具鋼1121 8
6 3 時效硬化型塑料模具鋼1133 8
6 4 耐蝕塑料模具鋼1139 8
6 5 冷擠壓成型用塑料模具鋼1143 8
6 6 我國塑料模具鋼的行業標準1145 8
7 其他工模具用鋼1148 8
7 1 量具用鋼1148
8 7 2 耐沖擊工具用鋼1151 8
7 3 高耐磨熱作模具鋼1155 8
7 4 無磁模具鋼1156 參考文獻
1157 第
9章 不銹鋼1164 9
1 不銹鋼的性能要求和腐蝕類型1164 9
1 1 不銹鋼的性能要求1164 9
1 2 不銹鋼的腐蝕類型1168 9
2 不銹鋼的組織和分類1173 9
2 1 不銹鋼的組織1173 9
2 2 不銹鋼的分類1178 9
3 馬氏體不銹鋼12 01 9
3 1 碳及合金元素對馬氏體不銹鋼組織和性能的影響12 01 9
3 2 低碳及中碳的犆狉13型不銹鋼12 05 9
3 3 低碳含鎳的犆狉17犖犻2型不銹鋼121 0 9
3 4 高碳犆狉18型不銹鋼1214 9
4 鐵素體不銹鋼1215 9
4 1 鐵素體不銹鋼的組織和脆性1215 9
4 2 合金元素對鐵素體不銹鋼組織和性能的影響1218 9
4 3 常用鐵素體不銹鋼的鋼號、性能和應用1223 9
5 奧氏體不銹鋼123 0 9
5 1 奧氏體不銹鋼的組織123 0 9
5 2 一些元素對奧氏體不銹鋼組織和性能的影響1239 9
5 3 奧氏體不銹鋼的熱處理和冷變形強化125 0 9
5 4 常用奧氏體不銹鋼的鋼號、性能和應用1254 9
6 奧氏體-鐵素體不銹鋼1263 9
6 1 雙相不銹鋼的組織1263 9
6 2 雙相不銹鋼的性能特點1269 9
6 3 常用雙相不銹鋼的鋼號、性能和應用1284 9
7 沉淀硬化不銹鋼1294 9
7 1 馬氏體沉淀硬化不銹鋼1295 9
7 2 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼13 06 9
7 3 奧氏體沉淀硬化不銹鋼1312 9
8 其他不銹鋼1313 9
8 1 高氮不銹鋼1313
9 8 2 生物醫用不銹鋼1325 9
8 3 抗菌不銹鋼1329 參考文獻
1333 第
10章 耐熱鋼與高溫合金1339 1
0 1 對耐熱鋼與高溫合金的要求134 0 1
0 1 1 耐熱鋼與高溫合金的抗氧化性能134 0 1
0 1 2 耐熱鋼與高溫合金的高溫力學性能1356 1
0 1 3 耐熱鋼與高溫合金的強化137 0 1
0 2 熱強鋼1374 1
0 2 1 動力機組鍋爐用鋼管1374 1
0 2 2 電站機組用葉輪、緊固件用鋼14 06 1
0 2 3 汽輪機葉片用鋼1411 1
0 2 4 奧氏體熱強鋼1424 1
0 3 抗氧化鋼1435 1
0 3 1 鐵素體型和馬氏體型抗氧化鋼1435 1
0 3 2 奧氏體型抗氧化鋼1437 1
0 4 閥門鋼1442 1
0 4 1 閥門鋼的成分與性能1443 1
0 4 2 馬氏體閥門鋼1451 1
0 4 3 奧氏體閥門鋼1458 1
0 4 4 發動機排氣閥的技術條件1467 1
0 5 高溫合金1471 1
0 5 1 鐵基高溫合金1472 1
0 5 2 鎳基高溫合金1481 1
0 5 3 鈷基高溫合金1515 1
0 5 4 犜犻-犃犾系金屬間化合物高溫結構材料1523 參考文獻
1544 索引
1552
第7章 專門用途的機械制造用結構鋼7
1 彈 簧 鋼彈簧是一種十分重要的機械零件
，在各種機械中可以起著緩沖、減震、儲能、連接
、支承、傳動、密封等作用，在國民經濟的各個部門得到了廣泛的應用。彈簧鋼是制造各類彈簧和彈性件的主要材料
。雖然可用來制造彈簧的材料很多
，但是鋼材在目前和今后相當一段時間，仍是用量較大、用途最廣、綜合性能好
，而且價格的彈簧材料。汽車行業是彈簧鋼的較大用戶，消耗量占彈簧鋼總產量的
60％以上。彈簧鋼除了用做各類彈簧外
，還可用于制造彈性零件，如彈性軸，以及某些機械零件和耐沖擊的工模具等
。7
1 1 彈簧鋼的工作條件和性能要求機械行業常用的彈簧
，根據外形可分為螺旋彈簧、鋼板彈簧、扭桿彈簧、碟形彈簧
、平面蝸卷彈簧等。螺旋彈簧結構簡單
，儲能比較大，得到廣泛的應用。螺旋彈簧不管是受壓還是受拉
，其承受的應力均主要是扭轉應力，在彈簧的內表面應力值較大。因此，在動負荷的情況下
，螺旋彈簧的主要破壞方式是疲勞，疲勞源一般在內表面。鋼板彈簧主要用于機車
、汽車、拖拉機上，在車輪和車架之間起連接的作用。它除了承受巨大的車廂及載物的重量
(靜負荷)外，還要承受因地面不平所引起的沖擊負荷和振動
。板簧本身有棱角和中心孔，應力集中很明顯。斷口分析表明，汽車板簧斷裂絕大多數是疲勞破壞引起的
。目前汽車使用的鋼板彈簧主要采用的結構形式為多片等截面鋼板彈簧和少片
變截面鋼板彈簧
。多片等截面鋼板彈簧的片數一般多于
5片，各片厚度相同，長度不同。截面為矩形的鋼板彈簧結構較簡單
，其中性軸在截面的對稱位置上工作時，鋼板的上表面承受的拉應力和下面承受壓應力值相等
，但鋼的抗壓能力高于抗拉能力，所以承受拉應力的上表面首先出現疲勞斷裂
。為改善鋼板表面的應力分布，設計出單面雙槽鋼板彈簧
，即在承壓面沿縱向開出兩個槽，使中性軸上移，降低了表面拉應力
，可節約鋼材10％，降低了動態應力，提高了使用壽命。少片變截面鋼板彈簧的片數為1～4片，各片的長度相同，彈簧厚度延長方向不等厚
。與多片鋼板彈簧相比，少片變截面鋼板質量可減輕30％～50％。少片變截面鋼板彈簧還可減輕片間摩擦
，減少接觸疲勞，降低運動噪聲，改善客車行駛的平順性
，提高乘坐舒適性。雖然這種鋼板的軋制工藝比較復雜，但近年來各國在汽車工業中發展變截面彈簧的趨勢卻有增無減
。扭桿彈簧
，即一端固定而另一端與工作部件連接的桿形彈簧，在汽車、鐵路機車
、軍事裝備上得到廣泛的應用。汽車使用的扭桿彈簧，其一端固定在車架上而另一端與車輪連接
，車輪上下跳動時扭桿產生扭轉變形，靠扭轉彈力來吸收振動能量
。因為扭桿彈簧單位質量儲能量比鋼板彈簧大許多，所以扭桿彈簧懸架質量小，目前在輕型客車和貨車上得到廣泛的應用
。彈簧鋼按生產工藝可分為熱成形彈簧用鋼和冷成形彈簧用鋼兩種
。熱成形彈簧用鋼包括線材和棒材
(圓鋼、方鋼和扁鋼)，其規格較大，主要用做汽車
、機車等行業的螺旋彈簧、扭轉彈簧和鋼板彈簧。熱成形彈簧用鋼可在熱軋、熱鍛
、冷拉或退火狀態交貨。由于尺寸較大，彈簧需采用熱成形，然后再經淬火及中溫回火處理
，以形成回火屈氏體組織，可使彈簧獲得優良的力學性能和疲勞性能
。為了改善彈簧的耐疲勞性能，在熱處理后，可再進行低溫氣體氮化或采用噴丸強化處理
。冷成形彈簧用鋼包括鋼絲
、鋼帶，其規格小，一般加工成小型彈簧。鋼絲又分為冷拉鋼絲和油淬火鋼絲
。冷拉鋼絲一般經預先熱處理并冷作強化
。這類鋼絲的表面質量高，強度也高，較高抗拉強度可在3000犕犘犪以上。用這類鋼絲冷卷成彈簧后
，僅進行消除應力退火(俗稱低溫回火)，不再經淬火-回火處理
，制成的彈簧尺寸精度高，表面質量好。小型彈簧大多采用冷拉鋼絲。油淬火鋼絲是在鋼絲生產的階段進行連續淬火
-回火處理，獲得規定的力學性能。鋼絲制成彈簧后
，只進行消除應力的低溫退火。油淬火鋼絲是油淬火-回火鋼絲的簡稱
。彈簧鋼帶有碳素鋼鋼帶
、合金鋼鋼帶及不銹鋼鋼帶，主要用做盤簧、彈簧擋環、碟形彈簧
、墊圈等小型彈性元件。儀表中的簧片和鐘表發條多是采用冷軋的高級品質碳素鋼鋼帶制作而成
。根據彈簧鋼的工作條件及其失效模式的分析
，對彈簧鋼提出以下的力學性能要求
［1，2］。(
1)具有高的強度，特別是彈性極限σ犲(σ0 01)，一般在考慮一定安全系數后可采用
σ0 2。對于減震彈簧，從吸收能量的角度考慮，要求有高的彈性極限，因為在彈性范圍內單位體積的彈性應變能為
σ犲2/2犈，所以σ犲越大，能吸收的較大彈性應變能也就越大
。此外，還要求有高的屈強比σ狊/σ犫，以提高強度的利用率。目前彈簧鋼生產大都采用淬火加中溫回火以得到回火屈氏體組織
。(2)具有高的疲勞極限(包括缺口疲勞強度)，因為重要的彈簧大都在反復應力
下工作，疲勞破壞是其失效的主要形式。一般說來，在一定硬度之下(500犎犅以下
)，鋼的疲勞極限和強度之間有一定的比例關系，強度極限越高，疲勞極限也相應地越高
。但是疲勞性能對于零件的表面狀態很敏感，因此彈簧的表面質量是非常重要的
，要求不應有裂紋、折疊、斑疤、發裂、氣泡、夾雜和壓入的氧化鐵皮等缺陷。這就要求注意冶金質量
，在加熱過程中，盡量預防表面缺陷和減輕表面脫碳。彈簧鋼還應具有低的裂紋擴展速率
，在裂紋萌生后，可以有較長的裂紋擴展過程，有利于彈簧件使用壽命的延長
。(
3)斷裂韌度表征了彈簧鋼韌性儲備的高低，這一指標對于防止在高強度、高應力條件下工作的彈簧發生具危險性的脆斷具有重要意義
，因此斷裂韌度也常作為彈簧鋼性能的一個指標
。斷裂韌度還能反映彈簧鋼的冶金質量、夾雜物的大小和
數量。(
4)彈簧鋼的抗松弛能力(或彈性減退抗力)是保障彈簧在長期工作中具有良好形狀及尺寸穩定性的一個指標
。彈性減退是指彈簧在動、靜載荷下，在室溫下發生塑性變形和模量降低的一種現象
，彈減失效也是彈簧最常見的破壞形式。目前彈性減退的試驗方法有多種
，如拉伸與壓縮應力松弛試驗法、彎曲及扭轉應力松弛試驗法
、實物彈簧松弛試驗法［3，4］。國家制定了犌犅/犜10120—1996《金屬應力松弛試驗方法
》。彈性減退實質上是材料長期在靜
、動載荷作用下，在室溫發生塑性變形的一種現象
。因此各種影響材料塑性變形的因素都會影響彈性減退抗力，可以通過以下途徑提高彈簧鋼的彈減抗力
：固溶強化、沉淀強化和細晶強化。彈簧鋼還應具有比較好的工藝性能
，包括淬透性、脫碳傾向、成形性能等。彈簧用鋼在卷成以前要有一定的塑性是為了便于成形
。經熱處理后的成形彈簧也要有適當的塑性和韌性
，但要求并不太高。下面主要討論淬透性和脫碳傾向。(
1)淬透性。汽車彈簧特殊的使用和受力狀態，要求彈簧整個截面都具有良好的綜合力學性能
，尤其是變截面板簧的發展，彈簧截面的增加對淬透性提出了更高的要求
。目前廣泛使用的變截面板簧的較大厚度為32犿犿，要求板彈簧截面中心以油淬可得到
80％的馬氏體，作為彈簧鋼選擇鋼種淬透性的依據。這一要求較原來的截面中心油淬可得到
50％馬氏體作為淬透性的要求有較大的提高
。(
2)脫碳傾向。脫碳使鋼的表面硬度降低，影響彈簧的疲勞壽命和彈性減退抗力
，因此要求彈簧鋼的脫碳敏感性越小越好。鋼中的化學元素是影響其脫碳的主要因素
。碳含量越高，脫碳傾向越大，這是因為碳濃度越高
，脫碳時的碳濃度梯度越大。合金元素主要是通過改變鋼中的碳原子的活度
，從而改變其擴散系數來影響鋼的脫碳。硅明顯提高碳的活度，增大碳的擴散系數，使鋼的脫碳傾向增大。能降低鋼中碳活度的合金元素都能降低鋼的脫
碳傾向，如一些強碳化物生成元素犞、犕狅、犆狉等(參閱圖3 3和式(3 31))。影響脫碳層厚度的另外一個因素是加熱時的氣氛和溫度
。在氧化性氣氛中加熱時
，表面脫碳與表面氧化同時發生。有些元素通過改變氧化層的性質影響脫碳。鉻增加了鐵氧化層的致密度
，使含鉻鋼既不易氧化也不易脫碳。硼在鋼中增加氧化層的脆性
，使之易破裂而脫掉，加劇了氧化反應，脫碳層卻減薄，使含硼鋼易氧化而不易脫碳
。溫度的影響表現在
，較低溫度下，脫碳層隨溫度的升高而逐漸增厚，高溫時氧化速率快于脫碳
，氧化層變得疏松易脫落，使脫碳層減薄。上面所述是對一般彈簧用鋼的性能要求
，某些在特殊條件下工作的彈簧還有特殊的要求
。在較高溫度下工作時，需要耐熱彈簧鋼；在腐蝕介質中使用時，需要耐蝕彈簧鋼
；在精密儀表中工作時，要求在長時間內和一定溫度范圍內有穩定的彈性等
。7
1 2 彈簧鋼所含元素及其作用彈簧鋼按化學成分可分為碳素彈簧鋼
、合金彈簧鋼和高合金彈簧鋼。其中，合金彈簧鋼具有性能優良
、適應性強、價格低廉等優點，因此用途廣泛，是最重要的彈簧材料
。常用合金彈簧鋼的化學成分與合金結構鋼相比，除碳含量較高外，沒有其他大的差別
。但隨著工業的不斷發展，彈簧的設計應力不斷提高，彈簧尺寸不斷增大
，壽命要求也不斷提高等，近年來國內外開發出一些新的彈簧鋼。下面分析彈簧鋼中常含有的各元素的作用
［5，6］。碳
碳在彈簧鋼中是主要的強化元素，在合金彈簧鋼中碳含量大多在0 45％～0
75％。較高的碳含量對強度、硬度、彈性、疲勞性能是有利的，但對塑性和韌性不利
。2
0世紀80年代以來，國內外均開發出碳含量較低的、適于制造汽車板簧的彈簧鋼
，碳含量在0 20％～0 40％。由于碳含量低，熱處理后得到低碳板條馬氏體組織
，塑韌性好，淬火后可自行回火，加工性能好。與此相反，為了獲得更高的強度
、硬度，以滿足提高工作應力的要求，也有增加彈簧鋼碳含量的趨勢。一些新研制的高強度彈簧鋼的碳含量上限達到
0 7％，甚至更高。硅
硅在鋼中有固溶強化作用并能提高鋼在低溫、中溫的回火穩定性。硅雖然不是碳化物形成元素
，卻能影響回火時析出的碳化物粒子的形狀、數量、粒度和間距
。由圖7 1可以看出，在含0 60％犆、0 90％犕狀、0 20％犕狅的鋼中，隨硅含量的提高
，碳化物數量幾乎直線上升，而間距則相應減小。圖中還列入犛犃犈9260(含2
2％犛犻)和犛犃犈5160(含0 24％犛犻)兩種鋼有關數據進行對比。犛犃犈9260鋼中的滲碳體呈橢球狀
，而在犛犃犈5160鋼中的滲碳體則呈棒狀。成分：0 60％犆、0.90％犕狀、0 20％犕狅研究表明
，在所有合金元素中，硅提高彈減抗力的能力最強，所以新研制的一些彈減抗力優良的彈簧鋼都含有較多的硅
。硅之所以能有效地提高彈減抗力，是由于硅具有強烈的固溶強化能力
，并能抑制滲碳體在回火過程中晶核的形成和長大
，從而改變滲碳體的形狀和間距。但迄今為止，對鋼中的硅含量尚無一致的看法
，但基本上是1 5％～2 0％。硅可以防止氧化
，但卻促進脫碳傾向，應特別注意保護，提高鋼中的錳含量可以減輕脫碳傾向
。當鋼中硅、碳含量較高時，會出現石墨化現象，產生黑色斷口
。錳
錳提高鋼的淬透性，有固溶強化的作用，但錳含量較高時有粗化晶粒的傾向
，故彈簧鋼中錳含量的范圍通常為0 60％～1 30％。鉻
鉻對彈簧鋼的多種性能有良好的作用。鉻能顯著提高淬透性和抗氧化、抗腐蝕的能力
，提高回火穩定性，有利于提高鋼的力學性能。加入0 5％犆狉可使σ
0 2提高16％，脫碳層深度減小約50％。鉻還能有效防止犛犻-犕狀彈簧鋼球化退火時出現石墨化
。鉻降低鋼的抗彈減性，當其含量小于0 7％時，對抗彈減性沒有什么影響
。鉻在彈簧鋼中的含量通常為0 7％～1 0％。鉬
鉬提高鋼的淬透性和防止回火脆性。鉬含量在0 4％以下時，隨鉬含量的增加
，鋼的屈強比提高，亦即彈減抗力提高。鉬還可以提高彈簧的工作溫度
。釩和鈮
釩和鈮都是強碳化物形成元素，在鋼中有沉淀強化和細化晶粒的作用
。這兩種元素均可生成細小彌散而且硬度高的犕犆型碳化物。在高強度犛犻-犖犻-犆狉
-犕狅鋼中加入0 20％犞有助于提高彈減抗力，并改善鋼的塑韌性和屈強比，釩含量再提高時
，效果反而不好。釩在彈簧鋼中的含量一般為0 10％～0 25％。
鋼中同時加入釩和鈮時，因其復合作用的結果，可以收到更好的效果。硼
彈簧鋼中常加入硼，其作用與在合金結構鋼中相同，主要是提高鋼的淬透性
。一些試驗表明，添加微量的硼
