合金結(jié)構(gòu)鋼焊接第1頁(yè)/共58頁(yè)2.1.2強(qiáng)度用鋼

強(qiáng)度用鋼常稱為高強(qiáng)鋼（），大量用于常溫下的受力結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸機(jī)械、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和管道等。強(qiáng)度用鋼合金化原則：在滿足塑性、韌性及工藝性能的前提下，使鋼具有更高的強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)度級(jí)別和熱處理狀態(tài)可分為：熱軋及正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼。

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近二十年來(lái)，由于寒冷地區(qū)輸油管道、海上采油平臺(tái)、大型壓力容器、大型水輪機(jī)蝸殼、大跨度全焊接橋梁等需要，通過冶煉技術(shù)的不斷提高以及軋制設(shè)備、工藝和控制手段的不斷革新和完善，開發(fā)出一些具有優(yōu)良工藝性能的鋼種。微合金控軋鋼、焊接無(wú)裂紋鋼（CF鋼）抗層狀撕裂鋼（Z向鋼）和焊接大線能量鋼等等。對(duì)于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和擴(kuò)大焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有重大意義。

牛牛文庫(kù)文檔分享第3頁(yè)/共58頁(yè)2.1.3專用用鋼珠光體耐熱鋼

具有較好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化的特性，主要用于工作溫度為500～600℃的高溫設(shè)備。以Cr、Mo為基礎(chǔ)的低、中合金鋼。低溫鋼具有良好的低溫韌性，用于各種低溫裝置（-40～-196℃）、嚴(yán)寒地區(qū)工程結(jié)構(gòu)、露天礦山機(jī)械和新能源開發(fā)等。

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁(yè)/共58頁(yè)低合金耐蝕鋼主要用于大氣、海水、石油和化工等腐蝕介質(zhì)中工作的各種機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)，由于所處介質(zhì)不同，耐蝕鋼的類型和成分也不同。

牛牛文庫(kù)文檔分享第5頁(yè)/共58頁(yè)2.2熱軋、正火鋼的焊接2.2.1熱軋、正火鋼典型鋼種成分及性能熱軋鋼（）——固溶強(qiáng)化

屬于C-Mn或Mn-Si系列鋼種，有時(shí)加入V、Nb取代部分Mn以細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用。16Mn（C<0.20，Si<0.55，Mn<1.50）；15MnV，在16Mn基礎(chǔ)上加入少量V，以細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化，熱軋狀態(tài)使用性能不夠穩(wěn)定，尤其是厚板。組織狀態(tài)：熱軋態(tài)細(xì)晶粒F+P

正火態(tài)強(qiáng)度↓，塑性、韌性↑

牛牛文庫(kù)文檔分享第6頁(yè)/共58頁(yè)正火鋼（）

——固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上加沉淀及細(xì)晶強(qiáng)化在C-Mn或Mn-Si系基礎(chǔ)上，加入C、N化物的形成元素（V、Nb、Ti、Mo），通過正火C、N化物以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)從固溶體中析出，其沉淀強(qiáng)化及細(xì)化晶粒作用，提高強(qiáng)度同時(shí)，適當(dāng)改善塑性和韌性。對(duì)含Mo鋼正火后須回火才能保證良好的塑性和韌性。因?yàn)榭炖涞玫浇M織為Bu和少許F，影響塑性和韌性，需通過回火處理除去Bu。

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁(yè)/共58頁(yè)正火狀態(tài)下使用的鋼

V-Nb：15MnV、（USA）A225A（Mn-V）、A737B（Mn-Nb）

Mn-V-V：15MnVN、（USA）737C、（GER）FG39Mn-Ni-V-N：（GER）FG43正火回火狀態(tài)下使用的含Mo鋼

Mn-Mo，A302加入0.5%的Mo提高強(qiáng)度、細(xì)化組織，提高中溫性能。為改善韌性添加Ni、Nb成為Mn-Ni-Mo（A302C）或Mn-Mo-Ni（18MnMoNb）系鋼。

組織狀態(tài)：細(xì)小的F+P

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁(yè)/共58頁(yè)微合金化控軋鋼采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控軋新技術(shù)，達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合，同時(shí)從冶金工藝上降C、S，改善夾雜物形態(tài)，提高鋼的純凈度等，使鋼材具有均勻細(xì)小等軸F基體。具有高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接性等優(yōu)點(diǎn)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁(yè)/共58頁(yè)6.2.2熱軋、正火鋼的焊接性分析缺陷（結(jié)合性）分析焊縫中的熱裂紋熱軋、正火鋼含C量低、含Mn量高，Mn/S能達(dá)到要求→熱裂傾向不大。但當(dāng)材料成分不合格或偏析嚴(yán)重，造成局部C、S含量偏高，Mn/S可能低于要求而出現(xiàn)裂紋。

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁(yè)/共58頁(yè)冷裂紋冷裂紋是焊接該類鋼時(shí)的主要問題。焊接熱影響區(qū)和焊縫的淬硬組織是導(dǎo)致延遲裂紋的內(nèi)在因素，只有當(dāng)鋼的化學(xué)成分和焊接熱循環(huán)所決定淬硬組織存在時(shí)，氫才能發(fā)揮其誘發(fā)裂紋的作用。因此，淬硬組織是引起冷裂紋的決定性因素。淬硬組織的影響可從以下兩方面分析：①M(fèi)的數(shù)量M量↑裂紋傾向愈大②M的形態(tài)高碳M硬度高，組織很脆，裂紋敏感；低碳M呈板條狀，Ms較高，轉(zhuǎn)變后能進(jìn)行“自回火”，有一定韌性。

牛牛文庫(kù)文檔分享第11頁(yè)/共58頁(yè)淬硬傾向與冷裂敏感性的關(guān)系

焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（SHCCT）曲線分析淬硬傾向，CCT、TTT曲線可近似分析。凡是孕育期延長(zhǎng)，過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，淬硬傾向增大。①熱軋鋼的淬硬傾向與冷裂紋敏感性含C不高，含有少量合金元素，淬硬傾向比低碳鋼大些；隨強(qiáng)度級(jí)別增加，合金元素增加，淬硬傾向逐漸增大。

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁(yè)/共58頁(yè)低碳鋼（C0.18，Si0.25，Mn0.50，P0.018，S0.022，TA1300℃

牛牛文庫(kù)文檔分享第13頁(yè)/共58頁(yè)16Mn（C0.15，Si0.37，Mn1.32.P0.012，S0.009，Cu0.03，TA1350℃）

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁(yè)/共58頁(yè)②正火鋼的淬硬傾向與冷裂紋敏感性強(qiáng)度級(jí)別較高，合金元素的含量較多，與低碳鋼比焊接性差別較大，強(qiáng)度↑，冷裂敏感↑。比較分析15MnVN，18MnMoNb的冷裂敏感性。

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碳當(dāng)量與冷裂敏感性關(guān)系

淬硬傾向主要取決于鋼的化學(xué)成分，通過一些經(jīng)驗(yàn)性的碳當(dāng)量公式粗略估計(jì)和對(duì)比不同鋼材的冷裂敏感性。通常碳當(dāng)量↑，冷裂敏感性愈大。碳當(dāng)量分析根據(jù)鋼種的化學(xué)成分、強(qiáng)度級(jí)別、組織狀態(tài)等因素具體分析冷裂紋的敏感性。

牛牛文庫(kù)文檔分享第17頁(yè)/共58頁(yè)熱影響區(qū)最高硬度值與冷裂敏感性的關(guān)系熱影響區(qū)最高硬度是評(píng)定鋼材淬硬傾向的一個(gè)簡(jiǎn)便方法。最高硬度允許值是剛好不出現(xiàn)冷裂紋的臨界硬度值。Hmax≤350HV，但隨強(qiáng)度級(jí)別提高，硬度值有所增加。

牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁(yè)/共58頁(yè)再熱裂紋

C-Mn、Si-Mn系的熱軋鋼中不含強(qiáng)碳化物形成元素，對(duì)再熱裂紋不敏感；正火鋼再熱裂紋傾向與合金系統(tǒng)關(guān)系大：

15MnVN對(duì)再熱裂紋不敏感；18MnMoNb、14MnMoV有輕微再熱裂紋敏感性，可通過預(yù)熱或預(yù)熱與后熱防止再熱裂紋。

牛牛文庫(kù)文檔分享第19頁(yè)/共58頁(yè)層狀撕裂主要取決于冶煉條件，鋼中的片狀硫化物與層狀硅酸鹽或大量成片的密集于同一平面內(nèi)的氧化鋁夾雜物導(dǎo)致Z向塑性降低。一般板厚<16mm不易產(chǎn)生層狀撕裂。

S含量和Z向斷面收縮率是評(píng)定層狀撕裂敏感性指標(biāo)：

ZA級(jí)S≤0.008%Z向斷面收縮率無(wú)規(guī)定

ZB級(jí)S≤0.008%Z向斷面收縮率≥15%ZC級(jí)S≤0.006%Z向斷面收縮率≥25%ZD級(jí)比ZC級(jí)更嚴(yán)格

牛牛文庫(kù)文檔分享第20頁(yè)/共58頁(yè)熱影響區(qū)的性能變化（使用性能分析）

熱影響區(qū)的性能變化與母材類型和合金系統(tǒng)等關(guān)系很大，熱軋及正火鋼接頭性能變化主要是過熱區(qū)的脆化。過熱區(qū)脆化由于過熱區(qū)溫度接近熔點(diǎn)，奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大和難熔質(zhì)點(diǎn)的溶入等，直接影響熱影響區(qū)的性能。

質(zhì)點(diǎn)溶入來(lái)不及析出使材料脆化；粗大奧氏體冷卻過程可能發(fā)生一系列不利組織轉(zhuǎn)變（魏氏體、粗大M、混合組織、M-A組元）導(dǎo)致材料脆化。

上述變化取決于線能量（影響高溫停留時(shí)間、冷卻速度）和材料類型、合金體系。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁(yè)/共58頁(yè)

熱軋態(tài)C-Mn、Mn-Si系為固溶強(qiáng)化鋼，對(duì)線能量不敏感，可獲得滿意的使用性能。試驗(yàn)溫度為-40℃以下，線能量過大或過小韌性均下降。小線能量M↑；高線能量奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，形成晶界F、側(cè)板條F和F-中間相碳化物混合物——低解理阻力的粗大顯微組織。進(jìn)來(lái)研究認(rèn)為冷卻速度低引起Mn-Si系16Mn過熱區(qū)韌性低的根本原因，是貝氏體鐵素體加M-A組元數(shù)量和寬度增加。

牛牛文庫(kù)文檔分享第23頁(yè)/共58頁(yè)合金元素影響：

C含量較高，韌性較低；含Nb鋼，低線能量影響小，線能量超過一定值，韌性下降，可能與Nb（C、N）不均沉淀有關(guān)。含V鋼大線能量韌性下降與M-A組元有關(guān)；含Ti鋼過熱區(qū)使TiN、TiC溶入奧氏體，冷去過程中Ti來(lái)不及析出，顯著提高F的顯微硬度，降低材料韌性。小線能量是避免脆化的可靠措施。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁(yè)/共58頁(yè)熱應(yīng)變脆化熱應(yīng)變脆化本質(zhì)與常溫應(yīng)變時(shí)效相同，焊接過程中熱和應(yīng)變共同作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)時(shí)效，在200～400℃熱應(yīng)變脆化最為明顯。固溶N含量較高的低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別不高的低合金鋼容易發(fā)生熱應(yīng)變脆化。消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是焊后進(jìn)行消除應(yīng)力退火。

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁(yè)/共58頁(yè)2.2.3熱軋、正火鋼的焊接工藝特點(diǎn)

焊接該類鋼方法的選擇不是關(guān)鍵，主要根據(jù)材料厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和具體施工條件來(lái)確定。焊接材料的選擇

焊接材料選擇從兩方面考慮：焊縫缺陷；滿足使用要求。焊縫主要缺陷是裂紋，正常情況下，熱裂、冷裂傾向不大。因此選材主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配。

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁(yè)/共58頁(yè)選擇相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料（等強(qiáng)性原則）性能決定于化學(xué)成分和組織狀態(tài)。焊接冷卻速度很大，焊縫金屬具有較高的過飽和度和鑄態(tài)組織，如成分與母材相當(dāng)，則性能表現(xiàn)為強(qiáng)度較高，韌性、塑性不足，對(duì)抗裂性能和使用性能均不利，所以，焊縫碳及合金元素含量均比母材低。材料CMnSiV15MnVN0.12～0.201.30～1.700.20～0.500.16～0.25J557≤0.121.20.5焊縫性能：

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁(yè)/共58頁(yè)選材必須考慮熔合比和冷卻速度熔合比高母材影響大，冷卻速度大焊縫過飽和度大。選材必須考慮熱處理的影響熱處理對(duì)焊縫的過飽和度有影響。

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁(yè)/共58頁(yè)焊接工藝參數(shù)確定焊接線能量線能量確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。熱軋鋼含碳較低的熱軋鋼，線能量基本沒有嚴(yán)格限制，從韌性考慮線能量偏小較好；含碳較高的熱軋鋼，淬硬傾向增大，M含碳增加，小線能量冷裂傾向增加，脆化也變嚴(yán)重，線能量偏大些較好。

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正火鋼含Nb、V、Ti的正火鋼，為避免沉淀相溶入固溶體及晶粒粗大引起的脆化，線能量選擇應(yīng)偏小。對(duì)含碳和合金元素較高的正火鋼（18MnMoNb），小線能量，韌性下降，并易生產(chǎn)延遲裂紋；線能量增大，降低冷卻同時(shí)，會(huì)引起過熱加劇。采用小線能量+預(yù)熱方式較合理（確保避免裂紋，又能防止過熱引起晶粒粗化）。

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁(yè)/共58頁(yè)預(yù)熱預(yù)熱主要是為防止裂紋，同時(shí)有一定改善性能的作用。預(yù)熱溫度的確定取決于以下因素：①材料的淬硬傾向CE<0.4%，一般不預(yù)熱②冷卻速度板厚、環(huán)境溫度；線能量和焊接方法③拘束度④含氫量含氫↑，T0↑⑤焊后熱處理

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁(yè)/共58頁(yè)焊后熱處理通常熱軋及正火鋼焊后不需要熱處理；對(duì)抗應(yīng)力腐蝕、低溫使用及厚壁高壓容器等焊接結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行消除應(yīng)力的高溫回火。確定回火的原則：不超過母材原有的回火溫度有回火脆性的材料，應(yīng)避開脆性的溫度區(qū)間回火。

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁(yè)/共58頁(yè)2.3低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接2.3.1低碳調(diào)質(zhì)鋼典型鋼種成分及性能

的高強(qiáng)鋼，需要調(diào)質(zhì)處理。

簡(jiǎn)單調(diào)質(zhì)鋼，Mn-Si鋼調(diào)質(zhì)后達(dá)到。普通調(diào)質(zhì)鋼，C≤0.22%，加入Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Zr、Cu等保證淬透性和抗回火性。

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁(yè)/共58頁(yè)Ni-Cr-Mo鋼：HY80（USA），HT70（JPN）

Mo-B基加入Mn、Cr、Ni、V、Ti、Zr和Cu：

A517F鋼（Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-V-B）T-1鋼（USA）

A517J、K鋼（Mn-Mo-B）

HT80仿T-1鋼

14MnMoNbB和HQ80C

Mn-Cr-Mo-Zr鋼：17MnCrMo33

進(jìn)一步提高強(qiáng)度，一般加入更多的NiHY-130（5Ni-Cr-Mo-V）

HP-9-4-20（9Ni-4Co-Mo-V）

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁(yè)/共58頁(yè)

焊接無(wú)裂紋鋼：為改善焊接性和提高低溫韌性，開發(fā)出含碳極低（C≤0.09%）的調(diào)質(zhì)鋼，通過降碳并加入多種微合金元素（尤其是B）提高淬透性。具有足夠高的強(qiáng)度和韌性，與同級(jí)別材料比具有含碳低和低Pcm特點(diǎn)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第36頁(yè)/共58頁(yè)2.3.2低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析

低碳調(diào)質(zhì)鋼作為高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，碳含量限制得較低。主要問題和工藝與正火鋼相似，差別只在于熱影響區(qū)有軟化問題。焊縫中的熱裂紋

C低、Mn高；S、P低，熱傾向較小。對(duì)高Ni低Mn鋼熱傾向有所增加。熱影響區(qū)液化裂紋

在高Ni低Mn可能出現(xiàn)液化裂紋。

牛牛文庫(kù)文檔分享第37頁(yè)/共58頁(yè)工藝因素對(duì)液化裂紋有重要影響：線能量增加，晶粒粗大，晶界熔化嚴(yán)重，且液態(tài)晶界存在時(shí)間愈長(zhǎng)，裂紋傾向增加。熔池形狀（指狀熔深）

牛牛文庫(kù)文檔分享第38頁(yè)/共58頁(yè)冷裂紋合金化原理：在低碳的基礎(chǔ)上，加入多種提高淬透性的元素，保證獲得高強(qiáng)度、高韌性的M和部分BL

奧氏體的穩(wěn)定高，易獲得淬硬組織。有無(wú)“自回火”條件，是這類剛冷裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第40頁(yè)/共58頁(yè)再熱裂紋合金元素中大多屬引起再熱裂紋元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，V、Mo影響較大。

Mo-V鋼，特別Cr-Mo-V鋼對(duì)再熱裂紋較敏感；

Mo-B，Cr-Mo鋼有再熱裂紋傾向；

Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V、Ni-Mo-V鋼要注意再熱裂紋。

牛牛文庫(kù)文檔分享第41頁(yè)/共58頁(yè)焊接熱影響區(qū)的性能變化過熱區(qū)脆化這類鋼獲得M+10～30%BL韌性最佳，t8/5存在最佳值。出現(xiàn)Bu和M-A組元韌性下降。

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牛牛文庫(kù)文檔分享第43頁(yè)/共58頁(yè)熱影響區(qū)軟化凡加熱溫度超過母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于碳化物的聚集長(zhǎng)大而軟化，溫度愈接近Ac1，軟化愈嚴(yán)重。

牛牛文庫(kù)文檔分享第44頁(yè)/共58頁(yè)2.3.3低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點(diǎn)

焊接時(shí)注意兩個(gè)基本問題：M轉(zhuǎn)變時(shí)冷卻速度不要太快，是M獲得“自回火”，以免冷裂紋產(chǎn)生；800～500℃冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界速度。焊接方法和焊接材料的選擇焊接熱作用是熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性下降不可避免，隨強(qiáng)度級(jí)別提高，愈突出。通過焊后熱處理或盡可能限制熱作用的影響。的鋼種必須采用TIG或電子束焊；采用手工電弧焊、埋弧焊、MIG、TIG焊

牛牛文庫(kù)文檔分享第45頁(yè)/共58頁(yè)采用MIG最為合適。焊接材料選擇：焊后不調(diào)質(zhì)以“等強(qiáng)”原則，特殊情況為防止裂紋可采用強(qiáng)度稍低于母材的焊接材料；

牛牛文庫(kù)文檔分享第46頁(yè)/共58頁(yè)焊接工藝參數(shù)選擇

線能量的確定滿足韌性的前提下，線能量應(yīng)盡可能大。

牛牛文庫(kù)文檔分享第47頁(yè)/共58頁(yè)預(yù)熱當(dāng)線能量提高到最大允許值仍不能避免裂紋產(chǎn)生，需要考慮預(yù)熱。預(yù)熱目的是防止冷裂紋，對(duì)性能改善意義不大。一般T0≤200℃

牛牛文庫(kù)文檔分享第48頁(yè)/共58頁(yè)熱處理一般不采用采用消除應(yīng)力熱處理，510～690℃進(jìn)行處理會(huì)損害焊縫和熱影響區(qū)的韌性，冷卻速度愈低，影響愈嚴(yán)重；有再熱裂紋傾向；要求抗應(yīng)力腐蝕需要回火處理，回火溫度低于原回火溫度30℃

牛牛文庫(kù)文檔分享第49頁(yè)/共58頁(yè)2.4中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接2.4.1中碳調(diào)質(zhì)鋼典型鋼種成分及性能

必須提高碳的含量，C=0.25～0.45韌性不是首要的，其特點(diǎn)是高的比強(qiáng)和高度硬度，淬透性很大，焊接性較差，工藝復(fù)雜，焊后必須通過處理才能保證接頭性能。S、P等雜質(zhì)必須嚴(yán)格控制。

牛牛文庫(kù)文檔分享第50頁(yè)/共58頁(yè)Cr鋼Cr≤1.5，提高淬透性

Cr-Mo鋼35CrMo、35CrMoV具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配。Mo=0.15～0.25%，消除回火脆性，提高淬透性，使鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配，提高高溫強(qiáng)度；V細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性韌性，增加回火穩(wěn)定性。

Cr-Mn-Si鋼30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA，有回火脆性。

Cr-Ni-Mo鋼40CrNiMoA、34CrNi3MoA，具有良好綜合性能。

超高強(qiáng)鋼H-11是含Cr5%和Mo1.5%