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3新钢种
第14章新型金属材料
14.1钢铁
14.1.1新钢种
14.1.1.1非调质结构钢
非调质钢不仅节约了热处理能耗，而且避免了零件的变形和开裂，减少了校直工序，提高了疲劳强度。
非调质结构钢的化学成分见表14.1，其力学性能见表14.2～14.4。
表14.5为国外一些非调质结构钢的成分，表14.6为其力学性能。
表14.1非调质结构钢的化学成分/%（质量百分比）
牌号
C
Si
Mn
S
P
V
其他
YF35V
0.32～0.39
0.20～0.40
0.60～1.00
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
YF40V
0.37～0.44
0.20～0.40
0.60～1.00
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
YF45V
0.42～0.49
0.20～0.40
0.60～1.00
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
YF35MnV
0.32～0.39
0.30～0.60
1.00～1.50
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
YF40MnV
0.37～0.44
0.30～0.60
1.00～1.50
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
YF45MnV
0.42～0.49
0.20～0.40
1.00～1.50
0.035～0.075
≤0.035
0.06～0.13
--
F45V
0.42～0.49
0.20～0.40
0.60～1.00
≤0.035
≤0.035
0.06～0.13
--
F35MnVN
0.32～0.39
0.20～0.40
1.00～1.50
≤0.035
≤0.035
0.06～0.13
N≥0.0090
F40MnV
0.37～0.44
0.20～0.40
1.00～1.50
≤0.035
≤0.035
0.06～0.13
--
表14.2直径或边长不大于40mm易切削非调质结构钢的力学性能
牌号
力学性能，不小于
硬度HBS
不大于
抗拉强度σb
/MPa
屈服强度σ0.2
/MPa
延伸率δ
/%
断面收缩率ψ
/%
冲击吸收功Ak
/J
YF35V
590
390
18
40
47
229
YF40V
640
420
16
35
37
255
YF45V
685
440
15
30
35
257
YF35MnV
735
460
17
35
37
257
YF40MnV
785
490
15
33
32
275
YF45MnV
835
510
13
28
28
285
表14.3直径或边长不大于60mm易切削非调质结构钢的力学性能
牌号
力学性能，不小于
硬度HBS
不大于
抗拉强度σb
/MPa
屈服强度σ0.2
/MPa
延伸率δ
/%
断面收缩率ψ
/%
冲击吸收功Ak
/J
YF35MnV
710
440
15
33
35
257
YF40MnV
760
470
13
30
28
265
YF45MnV
810
490
12
28
25
275
表14.4热锻用非调质结构钢的力学性能
牌号
力学性能，不小于
硬度HBS
不大于
抗拉强度σb
/MPa
屈服强度σ0.2
/MPa
延伸率δ
/%
断面收缩率ψ
/%
冲击吸收功Ak
/J
F45nV
682
440
15
40
32
257
F35MnVN
785
490
15
40
39
269
F40MnV
785
490
15
40
36
275
表14.5国外非调质结构钢的化学成分/%（质量百分比）
牌号
C
Si
Mn
P
S
V
Nb
Autol
0.42/0.47
<0.6
0.6/1.0
≤0.035
≤0.06
0.08/0.13
--
N45V
0.45
0.30
0.79
0.005
0.008
0.09
--
N455VNb
0.44
0.29
0.79
0.005
0.04
0.10
0.11
Nb
0.53
0.26
0.86
0.021
0.045
--
0.075
MF（MM）
0.50
0.20
0.75
--
--
适量1
--
MF（MM）
0.50
0.20
0.75
--
--
适量2
--
40MnV3
0.44/0.54
0.30/0.60
0.06/1.0
0.045/0.065
--
0.08/0.13
--
表14.6国外非调质结构钢的力学性能
牌号
抗拉强度σb
/MPa
屈服强度σ0.2
/MPa
延伸率δ
/%
断面收缩率ψ
/%
冲击值
冲击功①Ak/J
冲击韧性②ak/J·cm-2
Autol
770～920
≥555
≥15
--
≥54
--
N45V
850～1000
≥630
≥13
--
≥54
--
N455VNb
850～1000
≥630
≥13
--
≥54
--
Nb
850～1000
≥630
≥13
--
≥54
--
MF（MM）
750
430
15
40
--
40
MF（MM）
750
450
14
35
--
30
40MnV3
800～1000
500/650
≥11
≥30
--
--
注：
①为艾氏试样，②为U形缺口试样
14.1.1.2低淬透性含钛优质碳素结构钢
这种钢淬透性低，在淬火时在心部易得到珠光体组织。
进行高频或低频表面淬火时，淬硬层沿零件轮廓均匀分布，在保证表面获得高硬度的同时，心部仍有高的强度和韧性。
低淬透性含钛优质碳素结构钢的化学成分和力学性能见表14.7。
表14.7低淬透性含钛优质碳素结构钢的化学成分和力学性能
牌号
化学成分%（质量百分比）
正火温度
/℃
试样直径/mm
力学性能，不小于
C
Si
Mn
Ti
P
S
σb/MPa
σ0.2/MPa
δ5/%
ψ/%
55Ti
0.51～0.59
≤0.25
≤0.23
0.03～0.10
≤0.040
≤0.040
820～840
25
540
295
16
35
60Ti
0.57～0.65
≤0.30
≤0.23
0.03～0.10
815～835
25
590
345
14
30
70Ti
0.64～0.73
≤0.35
≤0.28
0.04～0.12
805～825
25
685
390
12
25
14.1.1.3保证淬透性结构钢
保证淬透性钢能采用比较缓和的淬火剂来淬火，淬火时可以完全淬透，减少热处理时的变形与开裂，回火时整个截面组织相同，淬火后工件尺寸变形稳定。
保证淬透性钢的牌号和化学成分见表14.8，硬度见表14.9，淬透性指标见表14.10。
含硼的保证淬透性钢的热处理制度及冲击功见表14.11。
表14.8保证淬透性钢的牌号和化学成分/%（质量百分比）
牌号
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
B
Ti
V
45H
0.42～0.50
0.17～0.37
0.50～0.85
--
--
--
--
--
--
20CrH
0.17～0.23
0.50～0.85
0.70～1.10
--
--
--
--
40CrH
0.37～0.44
0.50～0.85
0.70～1.10
--
--
--
--
45CrH
0.42～0.49
0.50～0.85
0.70～1.10
--
--
--
--
40MnBH
0.37～0.44
0.95～1.40
--
--
--
0.0005～0.0035
--
--
45MnBH
0.42～0.49
0.95～1.40
--
--
--
--
--
20MnMoBH
0.16～0.22
0.90～1.25
--
--
0.20～0.30
--
--
20MnVBH
0.16～0.23
1.05～1.40
--
--
--
--
0.07～0.12
22MnVBH
0.19～0.25
1.25～1.70
--
--
--
--
0.07～0.12
20MnTiBH
0.17～0.23
1.20～1.55
--
--
--
0.04～0.10
--
20CrMnMoH
0.17～0.23
0.85～1.20
1.05～1.40
--
0.20～0.30
--
--
20CrMnTiH
0.17～0.23
0.80～1.15
1.00～1.35
--
--
0.04～0.10
--
20CrNi3H
0.17～0.23
0.30～0.65
0.60～0.95
2.70～3.25
--
--
--
12Cr2Ni4H
0.10～0.17
0.30～0.65
1.20～1.75
3.20～3.75
--
--
--
20CrNiMoH
0.17～0.23
0.60～0.95
0.35～0.65
0.35～0.75
0.15～0.25
--
--
表14.9保证淬透性钢的硬度
牌号
退火和回火后的硬度HBS,不大于
牌号
退火和回火后的硬度HBS,不大于
牌号
退火和回火后的硬度HBS,不大于
45H
45MnBH
20CrMnMoH
20CrH
20MnMoBH
20CrMnTiH
40CrH
20MnVBH
20CrNi3H
45CrH
22MnVBH
12Cr2Ni4H
40MnBH
20MnTiBH
20CrNiMoH
表14.10保证淬透性钢的淬透性指标
牌号
正火温度/℃
末端温度/℃
离开淬火端下列距离处的硬度HRC
1.5
3.0
4.5
6.0
7.5
9.0
12
15
18
21
24
27
30
45H
850～870
835～845
54～61
37～60
28～55
26～40
24～35
23～33
21～31
29
28
27
26
25
24
20CrH
880～900
865～875
41～48
37～47
30～42
25～37
22～33
30
26
24
22
21
20
--
--
40CrH
860～880
845～855
51～59
51～59
50～58
48～57
46～56
42～54
34～48
30～43
27～41
26～39
25～38
24～37
23～37
45CrH
860～880
845～855
54～62
54～62
53～61
51～60
48～58
44～56
35～50
31～45
29～42
28～41
27～40
26～39
25～38
40MnBH
880～900
845～855
51～60
50～60
49～59
48～58
46～57
43～55
27～51
23～45
21～40
20～36
34
32
31
45MnBH
880～900
845～855
54～63
53～63
52～62
51～61
49～60
46～58
30～53
26～47
24～42
23～39
22～37
22～35
21～34
20MnMoBH
930～950
875～885
41～48
41～48
40～48
39～47
37～46
34～45
27～40
22～35
32
30
28
27
27
20MnVBH
930～950
855～865
40～48
40～48
39～47
37～46
35～45
32～44
26～41
23～38
21～35
33
31
29
28
22MnVBH
930～950
855～865
42～50
42～50
42～50
41～50
40～49
38～48
33～46
27～43
24～40
22～38
20～36
34
33
20MnTiBH
930～950
875～885
40～48
40～48
39～48
37～47
35～46
32～44
25～41
37
33
30
27
25
24
20CrMnMoH
860～880
855～865
42～50
42～50
41～50
40～50
39～49
37～48
34～46
31～43
29～41
28～40
27～39
26～38
26～38
20CrMnTiH
900～920
875～885
40～48
39～48
37～47
35～46
32～44
30～42
26～38
22～35
20～33
33
31
30
29
20CrNi3H
850～870
825～835
41～49
40～49
39～49
38～47
36～46
34～45
31～42
28～39
26～37
24～35
23～34
22～33
21～32
12Cr2Ni4H
880～900
855～865
37～44
37～44
37～44
36～44
36～44
35～43
33～43
31～42
30～41
29～40
28～39
27～39
26～38
20CrNiMoH
930～950
920～930
41～48
37～47
31～45
27～42
24～39
22～35
31
28
26
25
24
23
23
表14.11含硼的保证淬透性钢的热处理制度及冲击功
牌号
试样
直径
/mm
热处理
冲击吸收功AKU/J
正火
淬火
回火
温度/℃
冷却剂
温度/℃
冷却剂
温度/℃
冷却剂
69
40MnBH
25
880～900
空气
830～870
油
480～540
水
59
45MnBH
25
880～900
空气
830～870
油
480～540
水
69
20MnMoBH
15
930～950
空气
860～900
油
180～220
空气或水
69
20MnVBH
15
930～950
空气
850～870
油
190～210
空气或水
69
22MnVBH
15
930～950
空气
840～880
油
180～220
空气或水
69
20MnTiBH
15
930～950
空气
840～880
油
180～220
空气或水
69
14.1.1.4节约贵重合金元素的合金结构钢
用廉价的Mn-B钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Mo钢、Cr-Mn钢代替Ni-Cr钢以降低成本和节约贵重合金元素是合金结构钢发展的一个趋势，如我国开发的20MnVB和20MnMoB分别代替20CrNi和20CrNi3，各国开了ZF6和ZF7等合金。
20MnVB和20MnMoB的化学成分和力学性能见表14.12，ZF6和ZF7合金的化学成分淬透性见表14.13。
表14.1220MnVB、20MnMoB和30MnWMo的化学成分和力学性能
牌号
化学成分/%（质量百分比）
热处理
力学性能
C
Si
Mn
Mo
V
W
B
σb/MPa
σ0.2/MPa
δ5/%
ψ/%
ak/J·cm-2
20MnVB
0.17～0.23
0.17～0.37
1.20～1.60
--
0.07～0.12
--
0.0005～0.0035
860℃油淬+200℃回火
≥1080
≥880
≥10
≥45
≥31
20MnMoB
0.19
0.27
1.05
0.23
--
--
0.002
880℃油淬+220℃回火
1350
1200
12
58
130
30MnWMo
0.30
0.27
1.90
0.60
--
0.60
--
900℃油淬+600℃回火
1190
1150
16
63
163
表14.13ZF6和ZF7合金的化学成分淬透性
牌号
化学成分/%（质量百分比）
距水冷端下列距离处的硬度HRC
C
Si
Mn
P
S
Cr
B
5mm
10mm
25mm
50mm
ZF6
0.13～0.18
0.15～0.40
1.0～1.30
≤0.03
0.015～0.35
0.80～1.10
0.001～0.003
34～41
28～35
18～25
≥16
ZF7
015～0.20
0.15～0.40
1.0～1.30
≤0.03
0.015～0.35
1.0～1.30
0.001～0.003
36～39
31～39
23～30
≥20
14.1.1.5中低碳弹簧钢
中低碳弹簧钢具有淬透性好、抗淬火开裂性强、强韧性匹配能力好，冲击韧性和断裂韧性高，松弛抗力适中等优点。
35SiMnB和30SiMnB中低碳弹簧钢的成分及力学性能见表14.14。
表3.1430SiMnB和35SiMnB中低碳弹簧钢的成分及力学性能
牌号
化学成分/%（质量百分比）
热处理
力学性能
C
Si
Mn
P
S
V
B
σb/MPa
σ0.2/MPa
δ10/%
ψ/%
ak/J·cm-2
30SiMnB
0.27
0.67
1.41
0.025
0.017
--
0.003
900℃油淬+
360℃回火
1520
1400
7
72
50
35SiMnB
0.35
0.75
1.40
0.020
0.019
0.08
0.003
880℃油淬+
400℃回火
1500
1400
9
48
65
14.1.1.6无间隙原子钢
在超低碳钢中加入Ti、Nb或Ti和Nb同时加入，使间隙固溶于钢基体中的C、N原子以碳化物、氮化物形式析出，钢中几乎不存在间隙固溶原子。
这种钢可用来进行深冲压。
无间隙原子钢的化学成分见表14.15，力学性能见表14.16。
表14.15无间隙原子钢的化学成分/%（质量百分比）
牌号
生产厂家
C
Si
Mn
P
S
Al
N
St16
宝钢
≤0.008
≤0.03
≤0.020
≤0.015
≤0.015
≤0.07
≤0.001
SSPDx-F
新日铁
≤0.006
--
≤0.20
≤0.03
≤0.03
0.02～0.07
--
KTUX
川崎
0.002
0.01
0.15
≤0.010
0.005
--
--
表14.16无间隙原子钢的力学性能
牌号
生产厂家
取样方向
抗拉强度σb/MPa
屈服强度σ0.2/MPa
延伸率δ/%
St16
宝钢
纵向
260～330
≤190
≥11
SSPDx-F
新日铁
纵向
260～345
≤170
≥48
KTUX
川崎
纵向
286
146
52
与纵向成45º
286
141
52
横向
293
141
50
14.1.1.7沉淀强化钢
美国和日本都开发了含V、Nb或Ti的低合金含量的沉淀强化钢。
我国也开发了类似的钢种，如16Mn、16MnRE、15MnV、16Nb、10Ti、9SiV等。
美国典型的沉淀强化钢的成分和力学性能见表14.17。
表14.17美国典型的沉淀强化钢的成分和力学性能
名称
化学成分/%（质量百分比）
力学性能
C
Si
Mn
Nb
V
Ti
σb/MPa
σ0.2/MPa
δ10/%
Utra-Form80
0.09
--
0.33
--
--
0.22
690
600
20
Maxi-Form80
≤0.03
≤0.06
≤1.25
0.08～0.15
≤0.08
--
≥630
≥550
≥18
Hi-Form80
0.06
--
1.25
0.12
--
--
≥630
≥550
≥18
VAN80
0.15
0.40
1.30
0.12
--
--
≥630
≥550
≥18
Formable80
0.09
--
1.30
--
--
0.19
650
580
22
TS-T80
0.07
--
0.45
--
--
0.19
670
620
17
14.1.1.8增磷钢和增氮钢
增磷钢和增碳钢既有较高的强度，又有良好的成性能。
美国和日本典型的增磷钢和增氮钢成分及其力学性能见表14.18。
表14.18美国和日本典型的增磷钢和增氮钢成分及其力学性能
类别
化学成分/%（质量百分比）
力学性能
C
Si
P
σb/MPa
σ0.2/MPa
δ10/%
增磷钢
≤0.10
0.10～0.20
0.07～0.09
320
430
31
≤0.10
0.10～0.20
0.08～0.12
300
420
32
≤0.10
0.10～0.20
0.08
230
390
36
≤0.10
0.10～0.20
0.09
250
390
35
增氮钢
0.11
0.07
0.14
300
430
32
0.08～0.12
0.30～0.50
0.01～0.15
300
400
31
14.1.1.9双相钢
双相钢兼有高强度和优良的冲压性能，日本和美国的几种典型双
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