工具钢：分类、性能与应用

工具钢是什么——以及它不是什么

工具钢的定义取决于其在服役中必须完成的任务，而不是某一种化学配方，或其在某个普遍适用的质量等级体系中的位置。ASM International 将工具钢描述为“用于制造切削、成形或塑造加工零件的工具的钢材”（ASM International，2024）。这一​​定义包括切削工具、冲头、凹模、模具、成形工具、夹具、量规以及其他工装；这些工装的工作表面在承受接触、压力、摩擦、冲击或热作用时，必须保持受控的几何形状。

因此，工具一词描述的是一种功能。即使某些牌号在化学成分或冶金特征上与其他领域使用的钢材存在重叠，只要处于要求严苛的工装应用环境中，该钢材就可被视为工具钢。AISI 通常将 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列分别用于表示水淬钢、低合金钢、耐冲击钢、油淬钢、空淬钢、高碳高铬钢、热作钢、钼系高速钢和钨系高速钢。ASM International 在其 2020 年关于工具钢的论述中列出了这九个系列。这些字母并不是按性能高低连续排列的牌号。它们通常表示淬火方法、主要应用或主要合金化体系。

没有任何工具钢系列能够自动适用于每一种应用。 Strong evidence

在比较 AISI O1、AISI A2、AISI D2 和 AISI H13 时，这一区别十分重要。O1 是油淬冷作钢；A2 是空淬冷作钢；D2 含有明显更多的铬和碳，从而形成富含碳化物的组织，并具有较高的耐磨性；H13 是热作钢，设计用于在热循环过程中保持有用的硬度和韧性。它们没有任何一种能够自动被视为性能更优。一个在冲击作用下容易崩裂的冲头，可能需要与一个因磨粒性板材而发生磨穿的落料凹模不同的性能平衡，即使二者都被称为冷作工具。

ASM 的功能性定义

通用工程钢通常围绕结构强度、延性、焊接性、耐腐蚀性、疲劳性能或制造成本进行选材。结构钢构件可能只需在不发生屈服的情况下承受载荷。而工具往往不仅要承受载荷，还必须保持锋利刃口、型腔、切削间隙、轮廓或经过校准的尺寸。工具可能因磨粒磨损、黏着磨损、塑性变形、整体断裂、刃口崩裂、热疲劳、腐蚀或尺寸精度丧失而失效。

这些失效模式提出了相互制约的要求。提高硬度通常能够改善抗压痕和耐磨粒磨损能力，但硬度过高可能降低抗冲击能力或抗裂纹扩展能力。铬碳化物、钒碳化物、钼碳化物和钨碳化物等碳化物能够提高耐磨性，但尺寸较大、成团分布或分布不均的碳化物可能成为裂纹萌生位置。合金元素还会改变淬透性、相变行为、回火响应、热硬性以及热处理过程中的尺寸变化。碳有助于形成马氏体硬度和碳化物；铬、钼、钨和钒会改变碳化物的组成及其在高温下的行为；镍和锰则可能影响淬透性和韧性。

材料类别材料类别 一种受控成分和产品类别，并不规定影响工具寿命的所有微观组织或加工特征。

制造工艺路线又增加了一个变量。锻造、轧制、粉末冶金、重熔工艺以及后续机加工都会影响偏析、碳化物尺寸、碳化物取向、孔隙、夹杂物和残余应力。因此，即使两件工件采用相同牌号，只要其洁净度、显微组织、产品尺寸或加工历史不同，就可能表现出不同的响应。牌号标识的是一个受控的材料类别，而不是决定工具寿命的每一项特征。

热处理随后决定了这种潜力中有多少能够转化为实际性能。奥氏体化温度、保温时间、淬火速度、规定条件下的深冷处理、回火温度以及回火次数，都会影响残余奥氏体、马氏体、碳化物析出、硬度、韧性和尺寸稳定性。《Coatings》报道的一项 2020 年研究指出，在其所考察的涂层体系中，热处理参数是控制工具基体性能的首要因素。这一结论并不意味着在所有设计中，成分或制造工艺都处于次要地位；成分和制造工艺决定了可获得的显微组织范围以及热处理必须加以控制的缺陷群体。

实际意义十分直接：牌号选择应从主要失效模式出发。手动操作的切削工具可能优先考虑刃口保持性和适当的韧性。冷镦工具可能需要抵抗压缩变形和崩刃。丝锥或铰刀则需要在硬度、切削刃稳定性、可加工性和尺寸控制之间取得平衡。压花工具、凹模、冲头、餐刀及其他刀具、成形工具和高温工装，分别对载荷、滑动、冲击和温度提出不同组合的要求。NBS Monograph 88 对这些区别背后的历史术语和基础冶金学，至今仍是有用的联邦技术参考资料。

工具钢与通用工程钢的区别

工具钢并不只是“更强的钢”，硬度也不是定义工具钢的唯一因素。通用合金钢可能能够为轴、齿轮或紧固件提供足够的强度，但用作切削刃或凹模表面时可能迅速失效。反过来，耐磨性很高的工具钢在耐冲击牌号或韧性更好的工程钢能够正常工作的情况下，也可能发生断裂。可制造性同样必须纳入计算：一种难以锯切、磨削、机加工、线切割、焊接或热处理的材料，在投入服役之前就可能带来失效风险和工艺负担。

Routledge 出版的《Tool Steels: Properties and Performance》（2021）从成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面讨论牌号性能。这一框架比把 AISI 字母简单视为等级排序更为准确。Uddeholm 在其 2024 年冷作指南中将应用原则表述为：选择与工况相匹配、同时使每个制成零件成本最低的钢材。在这里，这意味着要考察全生命周期性能：相关指标不仅包括初始材料规格，还包括换刀、刃磨、停机、零件报废和过早断裂等因素。

ASTM A681 下锻轧产品形态的作用

ASTM A681 为锻轧合金工具钢产品提供了标准框架。ASTM International 在其 2024 年标准范围中指出：“ASTM A681 规定了锻轧合金工具钢产品的化学、力学和物理要求。”所涵盖的产品形态包括通常用于制造工具、凹模或夹具的棒材、钢板、薄板、钢带、杆材、线材和锻件。

这一范围十分重要，但也有其局限性。ASTM A681 规定的是所供应锻轧产品的要求；它本身并不负责在 AISI D2 与 AISI A2 之间进行选择，不规定冲头设计，也不确定磨损、崩刃、热龟裂或变形是否为主导失效模式。用户仍须根据实际服役条件，规定适当的牌号、产品形态、尺寸、状态、热处理、表面质量和验收要求。

棒材、钢板或锻件的牌号标识，也不能消除组织的方向性或截面尺寸效应。碳化物取向、偏析、夹杂物和冷却速度都可能影响磨削响应、韧性和裂纹扩展。成品工具可能需要进行去应力处理、硬化前粗加工、受控热处理以及最终磨削，以保持预定几何形状。ASTM A681 界定了材料框架；而将这一框架与工具的实际工作联系起来，则需要工程判断。

AISI 工具钢牌号的组织方式

工具钢牌号是分类标签，并不是从低等级到高等级的排列。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或加工制造零件所用工具的钢材。在这一广泛用途下，AISI 体系根据最初区分其性能的特征对钢种进行分组：淬火方法、主要应用或主导合金体系。ASM 的 Tool Steels 将其划分为九个主要系列：W、L、S、O、A、D、H、M 和 T（ASM International, 2020）。

因此，字母只能提供一个起始假设，不能单独预测使用寿命。碳含量、合金碳化物、洁净度、偏析、粉末冶金或钢锭工艺路线、锻造、热处理、表面状态，以及工具实际的失效模式，都会影响最终结果。因冲击而断裂的冲头，与因磨粒磨损而失效的凹模所需的性能平衡不同，即使二者都属于冷作工具。ASTM A681 为变形合金工具钢产品提供标准框架，涵盖通常用于制造工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、钢带、杆材、钢丝和锻件的化学、机械及物理要求（ASTM International, 2024）。

W、L 和 S 系列

W 系列表示水淬工具钢。该牌号反映的是传统淬火介质，而不是声称所有 W 牌号在所有现代热处理工艺下都必须采用水淬。这些钢通常属于碳素工具钢，与许多后来的工具钢系列相比，合金元素添加量有限。具有代表性的牌号是 W1。经过适当处理后，其相对简单的化学成分可以形成坚硬的马氏体工作表面；但相同的低淬透性也限制了较大截面中硬化层的深度和均匀性。

这一权衡关系说明了 W 钢历史上被用于手工操作的切削工具、简单冲头、凿子、刀具及类似工具的原因，因为这些工具的截面较小，能够快速冷却。水淬还会产生较大的热应力，并增加变形风险。该系列名称描述的是预期的硬化工艺；若不结合截面尺寸和加工工艺，不能据此确定材料的韧性、尺寸稳定性或耐磨性。

L 系列表示低合金工具钢。该系列牌号通过适量添加铬、镍、钼或钒等元素，提高淬透性、强度、耐磨性能或稳定性，但其化学成分尚未达到高合金冷作钢或高速钢的范围。L6 是一个常见牌号。其含镍化学成分通常与偏重韧性的设计相关，但这并不意味着所有 L 系列钢都适用于冲击工况，也不意味着所有涉及低合金钢的应用都适合采用该牌号。

S 系列表示耐冲击工具钢。其主要服役要求是抵抗反复冲击、突然加载和崩刃，而不是获得最大可能的耐磨粒磨损性能。S7 是一个代表性牌号；S1 和 S5 也属于同一大类，但其化学成分和热处理响应并不完全相同。抗冲击性能取决于碳含量、合金平衡、晶粒尺寸、残余奥氏体、回火工艺以及缺陷数量和分布。因此，“耐冲击”这一牌号提示的是硬度与韧性之间预期的折中关系，而不是对断裂的保证。

O、A 和 D 系列

O 系列表示油淬工具钢。与普通碳素 W 系列钢相比，这些牌号含有足够的合金元素，可以采用较缓和的方式硬化，因此在传统分类中使用油淬而非水淬。O1 是最常引用的实例。与水淬相比，油淬可以减少变形和淬火裂纹，但对于精密凹模、冲头、丝锥、铰刀和小型成形工具而言，尺寸变化仍然是一个严重问题。O 系列名称说明了该牌号在历史上预期采用的硬化方式；它并不意味着其耐磨性超过 A 系列或 D 系列钢。

A 系列表示空淬工具钢。合金含量提高了淬透性，使工具能够在空气中或受控气体淬火条件下硬化，从而减少水淬或油淬所伴随的剧烈热冲击。A2 是广为认可的空淬冷作工具钢牌号。当凹模、冲头、压花工具或成形工具需要兼具耐磨性、韧性和尺寸稳定性时，通常会选用此类钢。较低的淬火烈度可以减少变形，但残余奥氏体、碳化物分布、磨削损伤和回火工艺仍然决定着成品工具的性能。

D 系列表示高碳高铬工具钢。D2 是其代表性牌号。其碳和铬含量有利于形成大量坚硬的富铬碳化物，使该系列与耐磨粒磨损性能和冷作工况联系在一起。这些碳化物也会影响韧性、可加工性、磨削响应和裂纹敏感性。尺寸较大或分布不均匀的碳化物可能成为裂纹萌生位置；D 系列牌号本身无法揭示制造工艺所形成的碳化物尺寸或取向。

因此，D 系列钢常用于长期冷作工况，例如凹模、冲头、剪切刀片和成形工具，但正确的选择取决于究竟是磨损、刃口崩裂、整体断裂、粘着磨损还是尺寸变化首先导致工具失效。高碳和高铬是成分事实，并不构成相对于低合金 O 系列或 A 系列的普遍等级排序。

H、M 和 T 系列

H 系列表示热作工具钢。这些牌号用于制造在压铸、热锻、挤压和热成形等工艺中暴露于高温的工具。该系列还可按照主导合金体系细分为铬系热作钢、钨系热作钢和钼系热作钢。H13 是经常用作参照的铬系热作钢牌号；H 系列钢必须在反复加热和冷却过程中保持强度、抵抗热疲劳并限制软化。这些要求不同于冷作磨粒磨损条件，因此，室温下硬度更高的工具并不一定是更好的热作工具。

M 系列表示钼系高速工具钢。M2 是其代表性牌号。钼、钨、钒、铬和碳形成高合金体系，使材料能够在加工过程中产生的温度下保持切削硬度。该分类反映了高速钢系列的合金基础，而最终切削性能则取决于奥氏体化、淬火、多次回火、碳化物数量和分布、刃口制备以及可能采用的涂层。

T 系列表示钨系高速工具钢。T1 是经典代表性牌号。富钨高速钢成分最初是为必须在高温下保持硬度的切削工具开发的；T 系列钢含有会影响红硬性、耐磨性、磨削性能和韧性的碳化物。M 系列和 T 系列并不是相互对立的质量等级，而是高速工具钢中不同的合金设计路线。应采用哪一种路线，取决于切削温度、断续切削、刃口载荷、几何形状和热处理。

这一加工工艺关联至关重要。2020 年发表于 Coatings 的一项研究指出，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素，而成分和制造工艺路线则决定了可能形成的碳化物结构和缺陷数量。Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance 同样从成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面讨论工具钢性能（Mesquita, 2021）。NBS Monograph 88 则为钢铁冶金和历史术语提供了较早的联邦参考资料。

因此，选材应首先从失效模式和服役条件出发，然后将 AISI 字母作为筛选候选化学成分的地图。Uddeholm 明确阐述了冷作工具的工程目标：使工具钢与应用相匹配，并将每个成品的成本降至最低。实际而言，整个生命周期内的性能比单独的字母更重要。AISI 分类用于组织和引导选项，但不会替工程人员作出最终决定。

工具钢性能背后的冶金变量

工具钢是根据服役要求定义的，而不仅仅是根据硬度定义的。ASM International 将工具钢描述为用于制造切削、成形或加工制造零件所用工具的钢材。这一定义涵盖了截然不同的要求：冲头可能需要抵抗冲击和刃口塌陷，而切削工具则必须在摩擦和热作用下保持锋利刃口。ASTM A681 是适用于变形合金工具钢产品的相关标准框架，涵盖通常用于制造工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、钢带、杆材、钢丝和锻件的化学、机械及物理要求。牌号本身不能单独预测性能。

W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 等 AISI 系列标识了广义的合金和加工概念。正如 Maricopa Community Colleges 的冶金教材所解释的那样，这些字母通常表示淬火方法、主要应用或主导合金体系。W1 与水淬硬化相关，O1 与油淬硬化相关，A2 与空淬硬化相关，D2 与高碳高铬成分相关，H13 与热作工况相关，M2 与钼系高速钢相关，而 T1 与钨系高速钢相关。这些标签构成了选材的起点。实际工作组织则取决于熔炼工艺、锻造或粉末加工、奥氏体化、淬火、回火、表面状态以及具体失效模式。

碳、合金元素和淬透性

碳提供强化铁所需的间隙原子，并使奥氏体在淬火过程中转变为硬质马氏体。较高的碳含量通常会提高马氏体中的碳含量，并有助于获得更高的淬火后硬度，但同样的碳添加量也可能增加碳化物的形成、降低延展性，并使刃口或尖角对冲击的耐受性下降。碳还会改变合金碳化物形成后仍保留在基体中的碳量。因此，名义碳含量并不能说明最终马氏体中的实际碳含量。

淬透性不同于硬度。淬透性描述钢材在规定冷却条件下能够形成马氏体的深度。铬、钼、锰和硅会延迟珠光体、贝氏体等扩散型转变，使远离淬火表面的截面区域也能够硬化。镍有助于提高淬透性和韧性，但在传统工具钢中，它与强烈形成碳化物的关系较弱。钼还能够抑制某些形式的回火脆性，并有助于二次硬化。最终结果取决于截面尺寸、奥氏体晶粒尺寸、淬火烈度以及钢材原始状态。

铬具有多种作用。含量适中时，它能够提高淬透性和抗氧化性；含量较高时，它会与碳结合形成富铬碳化物，尤其是在 D2 等高碳高铬牌号中。钼和钨形成硬质合金碳化物，并在回火过程中析出细小沉淀物时促进二次硬化。它们对高温硬度的影响在高速钢和热作钢中尤为重要。钒形成极硬的碳化钒，通常为 VC 或富钒 MC 型碳化物；当其颗粒保持细小且分布均匀时，能够抵抗磨粒磨损并限制奥氏体晶粒长大。

其他合金元素会改变工艺窗口。硅能够强化铁素体，并可能影响回火响应。锰能够提高淬透性，但当成分和热处理控制不当时，可能增加对残余奥氏体和偏析的敏感性。钴在通常所说的高速钢意义上并不会形成大量碳化物；它能够提高基体开始软化的温度，并支持高温下的切削性能。氮、硫和铅可能影响可加工性或析出行为，但其价值很大程度上取决于钢材牌号和洁净度要求。

淬透性高的钢并不一定具有更高的韧性或耐磨性。它可能能够硬化贯穿大型模具截面，但同时含有粗大碳化物、偏析或过多的残余奥氏体。MDPI 于 2020 年在 Coatings 上发表的热处理研究指出，热处理参数是控制工具钢芯部性能的首要因素。成分决定能够形成哪些组织；热处理则决定这些组织中哪些最终得以保留。

碳化物与耐磨性—韧性平衡

碳化物碳化物 碳与铁或铬、钼、钨、钒等合金元素结合时形成的硬质化合物。

碳化物是工具钢性能的核心，因为它们是分布在相对韧性的金属基体中的硬质颗粒。其化学成分、体积分数、尺寸、形状、间距和取向，与其是否存在同样重要。富铁渗碳体、富铬 M₇C₃、富钼和富钨 M₆C，以及富钒 MC 碳化物，在抗磨粒磨损、抗热软化和抗开裂方面并不具有相同的性能。

细小且弥散分布的碳化物能够在不形成大型裂纹起始源的情况下提高耐磨性。粗大的初生碳化物可能有效抵抗某种磨损机制，但也会割裂基体并造成应力集中。尖锐的碳化物棱角、由偏析产生的碳化物带，以及经轧制或锻造后沿特定方向排列的碳化物团簇，都可能成为裂纹优先萌生的路径。抛光显微组织可能显示两个钢材牌号含有相同的名义碳化物类型，但其分布可能截然不同，因而使用寿命也会大不相同。

耐磨性—韧性平衡并不是“碳化物越多越好”或“碳化物越少越好”之间的简单取舍。磨粒磨损通常受益于较高比例的硬质颗粒，但当颗粒之间的基体过弱，或碳化物间距过小而无法钝化裂纹时，刃口崩落可能会加速。黏着磨损、冲击磨损、塑性变形和热疲劳所提出的要求各不相同。冲头撞击未对准的工件时，即使测得的硬度仍然很高，也可能因一次不稳定的崩刃而失效。剪切刀片则可能通过逐渐发生的磨粒磨损圆钝化而失去性能。

制造工艺路线会改变这种组织。传统铸锭冶金可能产生化学偏析和细长的碳化物带，后续锻造可以减轻这些缺陷，但并不总能将其消除。粉末冶金能够形成更加均匀的碳化物分布，但其最终性能仍取决于致密化、锻造、热处理和表面缺陷。重点并不是说某一种工艺路线总能成功，而是名义化学成分无法描述由工艺路线形成的缺陷群体或碳化物结构。

回火又增加了一个层面。在回火过程中，合金元素可以从过饱和马氏体中析出，并形成细小的二次碳化物。在 M2 及相关高速钢中，钼、钨和钒参与析出过程，使钢材在初始软化阶段之后重新提高硬度。这种二次硬化也有助于提高高温硬度，但过于激烈的处理可能导致过大的残余应力或残余奥氏体。与单纯增加碳化物数量相比，碳化物细化往往更能决定新增合金元素含量究竟会带来有用的切削耐久性，还是导致脆性刃口行为。

基体组织与残余奥氏体

包围碳化物的基体承担了工具大部分的韧性，并在载荷作用下支撑碳化物。淬火马氏体具有高强度，这是因为碳和合金原子使铁晶格发生畸变，并阻碍位错运动。然而，未回火马氏体含有较高的残余应力，对突发断裂的抵抗能力较差。回火能够降低这种应力，使碳化物受控析出，并调节硬度与韧性之间的平衡。

奥氏体化处理控制着基体化学成分和碳化物的溶解。如果温度过低，进入奥氏体的碳和合金元素不足，从而限制淬透性和最终硬度。如果温度过高或保温时间过长，碳化物过度溶解会使基体富集、奥氏体晶粒长大，并在淬火后增加残余奥氏体。粗大的原始奥氏体晶粒会减少可阻碍裂纹扩展的界面数量。

残余奥氏体是淬火过程中未转变为马氏体的那部分奥氏体。它能够在硬化后立即提高表观韧性，但在服役应力、磨削热或后续回火作用下，其尺寸稳定性较差。转变为新生的未回火马氏体可能导致变形、开裂或切削几何形状发生变化。深冷处理、多次回火循环或经过仔细选择的奥氏体化条件可以减轻这一问题，但没有任何一种方法是普遍适用的解决方案。

最终基体可能含有回火马氏体、残余奥氏体、二次碳化物，以及因冷却不足而形成的贝氏体区或珠光体区。它们的比例及其界面决定了疲劳、崩刃、变形和热软化行为。表面磨削又增加了一个变量：拉伸残余应力、磨削烧伤和微裂纹可能使处理正确的芯部失去作用。

Routledge 的 Tool Steels: Properties and Performance（2021）从成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面考察性能，而不是仅依据钢材牌号。该方法与 NBS Monograph 88 所记录的较早期冶金学基础，以及 ASM International 对耐磨性、韧性、高温硬度、碳化物和热处理综合影响的强调相一致。Uddeholm 的冷作指导说明了这一点在实践中的结果：选材应与应用相匹配，并降低每个制成零件的全生命周期成本。相关问题并不是哪个牌号的等级最高，而是哪一种基体—碳化物组织能够承受工具实际的载荷、温度、接触条件和失效模式。

制造路线：为何相同牌号并不意味着相同的微观组织

工具钢牌号标识的是成分范围和预期用途类别，而不是某一种单一的内部组织。因此，当其熔炼、铸造、变形加工和热处理历史不同时，AISI O1、AISI D2、AISI M2 及其他牌号可能表现出不同的韧性、耐磨性、尺寸稳定性和可加工性组合。ASM International 将工具钢描述为用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢材；真正有意义的问题并不只是牌号中出现了哪个字母，而是最终形成的微观组织如何应对工具的失效模式。

ASTM A681（2024）涵盖“锻制合金工具钢产品的化学、机械和物理要求”，包括通常加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、带材、杆材、线材和锻件。该标准框架规定了产品要求，但并不能使同一牌号的所有产品形态在冶金学上完全相同。产品尺寸、压下比、冷却历史，以及截取试样或零件的位置，都会影响最终交付给工具制造环节的组织。

钢锭冶金与偏析

传统锻制工具钢始于铸态钢锭或连铸坯。在凝固过程中，合金元素不会始终保持完全均匀的分布。碳、铬、钼、钨、钒及其他溶质会在液相与固相之间发生分配。最后凝固的液相可能富集形成碳化物的元素，从而在枝晶芯部与枝晶间区域之间产生化学偏析。对于 AISI D2 这类高碳高铬牌号而言，这一过程会影响富铬碳化物的尺寸、数量和分布。在 AISI M2 中，含钨、钼和钒的碳化物群体同样受到成分和凝固过程的共同影响。

偏析并不等同于每个截面上都能观察到的明显缺陷，但它会造成相变行为和碳化物形成的局部差异。富集区域在奥氏体化过程中可能表现出不同的响应，而粗大的碳化物团簇则可能充当应力集中源。在冲击或弯曲作用下，裂纹可能沿条带状夹杂物或团簇扩展，而不是穿过回火马氏体基体。在滑动或磨粒磨损工况下，硬质碳化物可能提高抗材料去除能力；但尺寸较大且支撑不足的碳化物也可能断裂或剥落，从而损伤工作刃口。

非金属夹杂物又增加了另一层影响。氧化物、硫化物和硅酸盐夹杂物可能源自熔炼、精炼、铸造或后续加工。它们的化学成分、尺寸、形状和取向会影响疲劳起始和断裂行为。这一点对于冲头、剪切刀片、丝锥及其他承受反复载荷的工具尤其重要，因为微小的内部不连续性有时比整体硬度的轻微差异更具影响。

锻造和轧制可以减少铸态组织、闭合内部孔隙并重新分布偏析材料，但不能完全抹去原始历史。最终结果取决于温度、变形量、压下量和冷却过程。将大型钢锭大幅压下加工成棒材，与将较小的初始截面加工成同一名义牌号的产品相比，可能具有不同的碳化物间距和偏析模式。

锻造、轧制与方向性组织

热加工会破碎铸态枝晶，并使夹杂物和富碳化物区域沿变形方向延伸。这会形成纤维流线，并在许多锻制工具钢中形成具有方向性的碳化物排列，通常称为带状组织或碳化物取向。热处理后，基体可能变得相对均匀，但细长的碳化物串仍可在抛光和腐蚀后的截面上观察到。

各向异性各向异性 由取向引起的材料响应差异，例如沿碳化物条带或晶粒流线方向加载与横向加载之间的差异。

方向之所以重要，是因为材料沿加工方向和横向的力学性能可能不同。沿碳化物串方向承受载荷的工具，其裂纹路径与横向承载的工具并不相同。因此，即使硬度和化学分析结果相近，纵向韧性、横向韧性、抗弯强度、疲劳抗力和刃口稳定性仍可能存在差异。这种差异称为各向异性，即材料的响应取决于其取向。

其影响会延伸至工具设计。从棒材切取的锻模、冲头或落料部件，不应被视为没有方向性的原材料。工具轮廓的取向、主要服役载荷和预期裂纹路径应结合考虑。棒材、钢板、薄板、带材、杆材、线材或锻件等不同产品形态，也会带来不同的加工和成形决策。厚钢板可能需要去除表面层，或关注整个截面上的组织差异；带材可能被选用于小型成形零件，其最终方向遵循轧制方向；线材和杆材则可能用于冷成形或镦锻工序，在这些工序中，表面状态和轴向缺陷会变得十分重要。

当纤维流线有助于承受施加载荷时，它是有利因素；但当其形成劈裂或刃口失效的易行路径时，则会产生不利影响。带状组织还可能导致热处理响应不均匀，尤其是在局部成分变化改变淬透性或残余奥氏体含量的情况下。因此，由不同产品形态制成的名义上相同的 AISI O1 工具，可能需要采用不同的加工变形余量，并可能因不同原因发生崩刃、弯曲或开裂。

ASM International 2020 年的论述指出，工具钢性能取决于耐磨性、韧性、热硬性、碳化物和热处理等因素的组合。Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance（2021）也提出了相同的 broader 观点，将成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层视为相互关联的变量。制造路线确定了材料的初始状态，但不能替代热处理。MDPI 的 Coatings 在 2020 年发表的一项研究指出，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素，而成分和先前加工过程则决定了材料的潜力及其缺陷群体。

粉末冶金与碳化物细化

粉末冶金工具钢改变的是凝固问题，而不是简单地将传统生产过程缩小后重复一遍。熔融合金被雾化成细小颗粒，每个颗粒都快速凝固，并且所携带的偏析体积相对较小。随后对粉末进行压实和致密化，通常采用热等静压，之后再进行热机械加工和热处理。

快速的颗粒凝固限制了大型碳化物网络的长大。致密化后，与相同名义成分的传统铸造—锻制材料相比，碳化物颗粒通常更细小、分布也更均匀。粗大碳化物团簇的减少可以提高抗碳化物断裂、抗刃口崩裂和抗裂纹扩展能力，而更均匀的组织则可降低性能随截面和取向变化的程度。这些属于组织上的倾向，并非自动产生的保证；致密化缺陷、不适当的热处理、过高的碳化物含量以及不良的表面准备仍可能主导失效。

在含有大量碳化物形成元素的高合金牌号中，这种差异最为明显。传统 AISI D2 可能含有数量可观的富铬碳化物群体，并带有由加工过程继承的取向。粉末冶金路线可以形成分布更细的铬碳化物，但具体相组成和尺寸取决于雾化、致密化、锻造或轧制以及热处理过程。AISI M2 等高速钢的粉末冶金版本同样旨在控制碳化物间距，并降低与偏析有关的各向异性。牌号仍然标识合金类别，但并不规定某一种碳化物尺寸或某一个韧性水平。

当工具由棒材、钢板、带材、杆材、线材或锻件制成时，这一区分十分重要。机械加工会去除材料，但无法消除剩余工具内部的方向性组织。磨削可能暴露富碳化物区域，并可能在表面引入拉伸残余应力或局部热损伤。因此，即使两种材料接受相同名义硬度处理，能够使芯部获得细小、均匀组织的工艺路线，与传统锻制路线相比，仍可能提供不同的抗崩刃裕量。

Uddeholm 2024 年冷作指导资料提出了实用的工程原则：工具钢的选择应与应用相匹配，并使每个制件的成本最低。这意味着应将制造路线和产品形态与主要失效模式相匹配——磨损、冲击断裂、塑性变形、热疲劳龟裂、疲劳或刃口崩裂——而不是按照 AISI 字母从低到高进行排序。同一牌号名称可能描述实质上不同的初始组织，而这些组织在钢材经过机械加工很久之后，仍然是工具的一部分。

热处理是决定性能的工艺

工具钢牌号本身并不能使材料以其所暗示的性能进入服役。例如，AISI D2 标识的是高碳高铬冷作钢系列；它并不保证某一种特定的硬度、韧性、尺寸稳定性或耐磨寿命组合。这些性能是在适合其化学成分和截面尺寸的条件下，对钢材进行加热、保温、冷却和回火后形成的。

在所研究的涂层系统中，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素。 Limited evidence

这是 MDPI 2020 年发表于 Coatings 的研究论文中的核心技术要点，卷 10，第 3 期，文章编号 265。该研究指出，在所考察的涂层系统中，热处理参数是控制工具基体性能的首要因素。材料成分和制造工艺决定了可利用的微观组织潜力，以及夹杂物、偏析、孔隙和碳化物的数量与分布。热处理则决定这些潜力有多少能够真正发挥出来。对于已经过热、淬火不足、淬火过程中产生裂纹，或残余奥氏体含量过高的基体，涂层无法予以补偿。

通常通过预热、奥氏体化、淬火和回火来控制这一过程，但这一顺序并不是适用于所有情况的固定配方。AISI W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 钢的响应各不相同，因为其中的碳、铬、钼、钨、钒、锰和硅含量会改变相变温度、碳化物稳定性、淬透性以及回火响应。ASTM A681 规定了锻制合金工具钢产品的化学、机械和物理要求，为相关工艺提供标准框架；但它不能取代针对具体钢号制定的热处理制度。

奥氏体化与溶解控制

预热可以减小炉膛与工件之间的温度梯度。这对于大型截面、形状复杂的冲头、尖角部位以及含有大量碳化物的钢材尤其重要。当钢种或几何形状带来较高的热应力风险时，可以采用分阶段预热。其目的并不只是节省炉内加热时间，而是在奥氏体化开始前减小表面与心部之间的温差。

随后进行奥氏体化，将钢材加热至一定温度范围，使足够量的铁素体或珠光体转变为奥氏体，并使部分选定的碳化物溶解。进入奥氏体的碳和合金元素会控制淬透性以及回火过程中的响应。溶解量必须受到控制。溶解不足会留下过多未溶碳化物，并形成可能无法达到规定硬度的奥氏体基体。溶解过度则可能导致奥氏体晶粒粗化、固溶合金含量过高、残余奥氏体增多以及韧性下降。

对于 AISI D2 等高碳高铬钢，这一区分尤为重要。富铬碳化物能够提供耐磨性，但并不意味着这些碳化物应当完全溶解。热处理人员需要在高硬度马氏体基体与有用且稳定的碳化物组织之间取得平衡。AISI M 和 T 高速钢则需要不同的控制方式，因为钼、钨、钒和铬会形成有助于提高热硬性和二次硬化能力的合金碳化物。它们的奥氏体化温度较高，允许的工艺窗口也可能较窄。

加热不足常被误认为是有利于保持韧性的处理。如果奥氏体化温度或保温时间不足，基体中溶解的碳和合金元素可能过少，从而在淬火后产生较低的硬度和较差的耐磨性。过热则会导致另一系列失效：晶粒粗化、残余奥氏体增多、变形加剧以及淬火开裂风险升高。长时间保温还可能加剧表面脱碳或氧化。

加热过程中必须控制表面状态。脱碳会使外层失去碳，形成较软的表层；即使内部硬度正确，该表层也可能因过早变钝、粘着磨损或塑性变形而失效。保护性气氛、真空处理、盐浴、适当的炉内操作以及热处理后的磨削都可以作为控制手段，但具体适用性取决于钢种和几何形状。在脱碳层以下进行的硬度测量可能掩盖这一缺陷。

截面尺寸会改变所需的加热和保温方式。薄型冲头能够迅速达到目标温度，而大型凹模的表面与心部之间可能存在明显的温度滞后。将小型零件的热处理制度用于厚重截面，可能导致心部奥氏体化不足；而使薄截面按照大型块体所需的时间保温，则会促进晶粒长大并造成表面损伤。因此，热处理说明通常同时规定温度和时间，并经常附带炉内装载量及截面厚度等假设条件。

淬火、硬化与回火

当冷却速度足以避免珠光体或贝氏体过度形成时，淬火会使奥氏体化组织转变为马氏体。所需的冷却强度取决于淬透性。水淬型 AISI W 钢需要快速冷却，因此变形和开裂风险也更高。油淬型 AISI O 钢允许采用较缓和的冷却。空冷硬化型 AISI A、D、H 钢以及许多高速钢能够在较大截面内实现硬化，同时具有较低的淬火应力；但“空冷硬化”并不意味着所有几何部位都能均匀冷却，或其中心都能达到相同硬度。

淬火既是冶金过程，也是机械过程。表面收缩时，内部仍处于高温；随后随着冷却，心部也发生收缩。尖角、截面突变、孔、键槽以及支撑不当的零件都会集中应力。尤其是在冷却介质过于剧烈、钢材曾经过热、仍存在加工痕迹，或设计中含有应力集中部位时，可能发生淬火开裂。即使没有可见裂纹，也可能发生变形。凹模可能产生弯曲，冲头可能失去同心度，或者切削刃发生足以影响间隙和对准的位移。

中断淬火、分阶段冷却、分级淬火或压淬可以减小应力，但每种方法都必须针对具体钢种和零件进行验证。目标并不是尽可能快速地冷却，而是在控制应力和尺寸变化处于可接受范围的同时，实现充分的组织转变。

新淬火形成的马氏体硬度高，但脆性大且内部应力高。淬火后应在没有不必要延迟的情况下进行回火。回火会将钢重新加热至低于奥氏体转变范围的温度，使碳从过饱和马氏体中析出并形成过渡碳化物或渗碳体，同时降低残余应力。回火不足会使工具在服役中容易开裂，即使硬度测试显示其达到规定的名义值。对于残余奥氏体含量较高的钢种，一次回火可能无法充分稳定组织；因此，这类钢通常规定进行两次或三次回火。

某些合金体系会出现二次硬化。在 AISI M 和 T 高速钢，以及部分高合金热作钢和冷作钢中，回火可以析出细小的合金碳化物，例如富钼、富钨或富钒碳化物。经过适当的高温回火后，硬度可能上升，而不是简单下降。这种响应取决于奥氏体化处理、溶解的合金量、冷却路径以及回火制度。不能将其假定为所有工具钢都具备的特性；更高的硬度数值也并不自动意味着更好的服役性能。

名义硬度只是一个测量指标。如果碳化物网络粗大、刃口含有脱碳层、韧性不足，或残余奥氏体在工作过程中发生转变，那么硬度较高的工具可能比略软的工具更早失效。服役性能还取决于磨损机制、冲击载荷、温度、润滑、接触压力以及工作表面的质量。因此，ASM International 在 2020 年对工具钢的论述将性能与耐磨性、韧性、热硬性、碳化物和热处理的综合作用联系起来，而不是孤立地归因于硬度。

尺寸变化、残余奥氏体与深冷处理

尺寸变化从加热阶段开始，并贯穿淬火、回火及服役过程。奥氏体向马氏体的转变伴随体积变化，而碳化物析出和残余奥氏体转变还可能在后续阶段改变尺寸。变化的方向和幅度取决于钢种、几何形状、先前的冷作状态、取向以及工艺路线。精密铰刀、冲裁凹模或成形镶件在热处理后可能需要预留加工余量、进行去应力处理、深冷稳定化或精磨。

残余奥氏体是淬火过程中未发生转变的奥氏体部分。高碳和高合金含量、过高的奥氏体化温度以及不足的淬火强度都会增加其含量。残余奥氏体的硬度低于马氏体，并可能在回火、冷却、磨削或服役应力作用下发生后续转变。这种延迟转变可能导致尺寸漂移、开裂或切削刃几何形状改变。在凹模中，微小的尺寸变化可能改变间隙；在铰刀中，则可能改变加工孔的最终尺寸。

深冷处理通常在淬火后、回火前或两次回火之间进行，可以促进残余奥氏体进一步转变为马氏体。但它不能替代正确的奥氏体化、淬火或回火。过度冷却或时机安排不当可能增加应力，而由此形成的新鲜马氏体仍然需要回火。因此，是否有必要采用深冷处理，必须针对具体钢种、几何形状和失效模式加以验证，而不能将其作为例行步骤机械地加入工艺流程。

热处理应根据工具的实际使用要求进行评判。Uddeholm 2024 年发布的冷作指导文件，将工程目标表述为使钢材与应用相匹配，并将每个制成零件的成本降至最低；从冶金学角度看，这意味着应控制工具的完整生命周期，而不是仅凭牌号或硬度来选择钢种。热处理工序、气氛、温度均匀性、淬火方法、回火响应、表面状态以及尺寸公差，均属于技术规范的组成部分。材料成分决定了工具可能达到的性能范围，而热处理则决定成品工具在这一范围内的实际工作位置。

主要性能特性及其权衡关系

工具钢的性能不能仅凭硬度数值或牌号字母来判断。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢材，但其服役结果取决于基体硬度、碳化物数量、韧性、热处理、表面状态、制造缺陷以及主导失效模式之间的相互作用。ASTM A681:2024 涵盖“锻制合金工具钢产品的化学、机械和物理要求”，包括通常加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、带材、杆材、线材和锻件。其要求描述的是材料本身，并未对 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 牌号建立通用排名。

因此，有效的比较应提出一个更明确的问题：工具是因磨粒磨损、黏着磨损、塑性变形、疲劳开裂、冲击断裂、热裂纹，还是尺寸精度丧失而失效？

硬度以及磨粒磨损或黏着磨损

硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，通常通过洛氏 C 标尺、维氏硬度或类似试验进行测量。硬度并不等同于耐磨性。较硬的表面通常更能抵抗塑性犁沟和压痕，但磨粒磨损还取决于碳化物的硬度、尺寸、间距和连续性。AISI D2 这类高碳高铬牌号可以通过坚硬的铬碳化物抵抗磨粒侵蚀，而 AISI S7 这类低合金耐冲击牌号则可能牺牲部分耐磨性，以承受冲击和应力集中。

当硬质颗粒或表面凸起切削、犁削或微观划伤工具表面时，就会发生磨粒磨损。当工具与工件之间形成局部黏着连接，并在滑动过程中撕脱材料时，就会发生黏着磨损。黏着损伤受表面光洁度、润滑、接触压力、温度和化学亲和性影响，而不仅仅取决于整体硬度。经过抛光的成形表面，与带有尖锐磨削纹、残余拉应力或热影响层的磨削表面，其表现可能截然不同。

碳化物形貌至关重要。细小且均匀分布的碳化物可以提高耐磨性，同时不像粗大、聚集的碳化物那样容易形成大量裂纹起始点。沿轧制方向排列的大型碳化物带可能导致方向性行为：沿垂直于碳化物带的方向，耐磨性可能尚可；但当裂纹沿着这种细长的碳化物群扩展时，抗断裂能力可能很差。粉末冶金工艺能够形成比传统铸锭冶金更均匀的碳化物分布，但最终性能仍取决于化学成分和热处理。

硬度还会改变碳化物周围的基体组织。过高的奥氏体化温度可能溶解更多碳和合金元素，提高淬透性或二次硬化潜力，但同时也会促进晶粒粗化和残余奥氏体形成。温度不足则可能留下未溶碳化物，使基体无法达到预期硬度。随后进行的回火控制着硬度、残余应力、韧性和抗回火性之间的平衡。即使硬度读数达到 62 HRC，如果冲头的碳化物网络粗大，或刃口含有磨削裂纹，这一读数也不足以说明冲头能否经受反复冲击。

抗压强度是另一项独立性能。工具钢通常能够承受较高的压应力，因为淬硬的马氏体基体能够抵抗塑性流动，这对模具、冲头和冷镦工具十分重要。然而，抗压强度并不能防止缺口、拐角、夹杂物或受损刃口处发生拉伸开裂。接触几何形状可能将名义压缩转化为局部剪应力和拉应力。因此，正确的比较应同时考虑硬度、磨损机制和应力状态。

韧性、疲劳与抗断裂能力

韧性是材料在开裂或断裂前吸收能量的能力。冲击韧性通常通过夏比试验进行评估，对于冲头、剪切刀片、承受间歇载荷的模具以及手动切削工具尤其重要。高硬度可能与低冲击韧性并存，因为提高抗压痕能力的相同因素——碳含量、马氏体组织、碳化物聚集和残余应力——也可能降低裂纹扩展所需的能量。

抗断裂能力比冲击韧性更为具体。它描述材料在规定几何形状和载荷条件下抵抗裂纹扩展的能力，通常通过应力强度或断裂韧性测量值表示。这两项性能都不是固定不变的牌号属性。截面尺寸会改变淬火过程中的冷却速度，而冷却速度又会影响马氏体形成、碳化物析出、残余奥氏体和内应力。小型试样可能达到目标硬度，但大型模具的中心部位可能含有较软的转变产物或与淬火相关的缺陷。

疲劳则涉及反复载荷。弯曲疲劳受循环应力范围、平均应力、表面光洁度、残余应力和局部几何形状控制。在名义应力相同的情况下，经过抛光的圆角可能承受远多于尖锐拐角的循环次数，因为拐角会提高局部应力集中。刀痕、脱碳、磨削烧伤、折叠、裂纹和非金属夹杂物都可能成为裂纹萌生点。失效可能发生在低于单次加载强度的情况下，因为数千次甚至数百万次循环会逐步扩展微小裂纹。

这解释了为什么在冲压作业中，为耐磨性选择的牌号可能比韧性更高的牌号更早失效。失效原因可能根本不是磨损，而是冲击造成的刃口崩裂、圆角处的疲劳，或沿碳化物带发生的解理断裂。回火可以降低淬火应力并提高抗断裂能力，但在不适当的温度下回火可能降低硬度或导致回火脆性。对于某些高合金牌号，需要进行多次回火，以转变残余奥氏体并稳定尺寸。

表面状态应与名义化学成分同等重视。锋利的刃口能够改善切削作用，但也会提高局部应力。粗糙表面会增加摩擦和黏着损伤，而过度磨削的表面可能含有拉伸残余应力。氮化、涂层和其他表面处理可以降低摩擦或提高表面硬度，但如果基体缺乏韧性，硬度高而支撑不足的表层可能发生开裂或剥落。Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance（2021）将化学成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层视为相互关联的牌号性能组成部分，而不是彼此独立的标签。

热硬性、热疲劳与尺寸稳定性

高温硬度高温硬度 钢材在升高温度下保持有用硬度并抵抗塑性变形的能力。

热硬性是材料在高温下保持有效硬度和抵抗塑性变形的能力。它对于高速切削、热锻、挤压以及反复接触高温坯料的模具十分重要。工具在室温下可能仍然很硬，但如果抗回火性不足，在服役过程中就会软化。M 系列中的钼系高速钢牌号和 T 系列中的钨系高速钢牌号，会通过合金碳化物析出产生二次硬化；其具体表现取决于奥氏体化、淬火和回火制度。

热检查裂纹热检查裂纹 由反复加热和冷却产生的表面裂纹网络，尤其常见于热作模具中。

热疲劳不同于简单的软化。反复加热和冷却会产生周期性的膨胀与收缩。表层首先升温，而芯部仍保持较低温度，从而形成热梯度和交变应力。裂纹通常从拐角、加工痕迹、碳化物聚集处或其他应力集中部位萌生，随后形成通常称为热龟裂的裂纹网络。H 系列热作牌号针对这一问题进行设计，但任何牌号 designation 都无法彻底消除该问题。冷却方式、模具几何形状、接触时间、润滑条件和温度变化仍然具有决定性作用。

尺寸稳定性是指材料在淬硬和服役过程中保持形状和尺寸的能力。淬火变形源于不均匀的传热和不均匀的转变应变；残余奥氏体可能在后续转变并发生膨胀；脱碳可能形成软化表层，使其发生磨损或变形，即使内部仍符合规格要求。大型截面尤其难以控制，因为表面和芯部经历的热历史不同。真空处理、受控气氛、适当装夹、分阶段淬火和正确回火可以减轻这些影响，但无法弥补不合适的截面设计。

2020 年发表于 MDPI Coatings 的研究指出，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素，而化学成分和制造工艺则决定了可实现的性能潜力及缺陷群体。这一结论支持一项实用原则：应在与实际服役相近的几何形状和状态下，对经过试验并完成热处理的材料进行比较。AISI O1、A2、D2、S7、H13、M2 和 T1 并不是一条简单性能阶梯上的不同位置。它们的价值取决于工具需要保持刃口、承受冲击、提供抗压支撑、抵抗热循环，还是维持尺寸稳定。

Uddeholm 2024 年关于冷作的指导通过全生命周期性能表达了同一工程原则：选择与应用相匹配的钢材，并尽量降低每个合格制件的成本。真正有意义的指标不是最高硬度，而是在因磨损、崩刃、疲劳、断裂、热龟裂或变形而需要干预之前，能够生产多少个合格制件。

水淬硬化钢、低合金工具钢与耐冲击工具钢

W、L 和 S 牌号表示的是不同的折中方案，而不是从劣到优的钢材等级阶梯。AISI 使用 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 这些字母表示主要的工具钢系列；这些字母通常代表淬火方法、主要用途或占主导地位的合金体系。这种分类很有用，但其本身并不能预测工具寿命。碳含量、合金碳化物、截面尺寸、加工痕迹、热处理工艺、表面状态以及实际失效模式，都会影响最终结果。

ASTM A681 为轧制合金工具钢产品提供了标准框架，包括通常用于制造工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、带材、杆材、线材和锻件。该标准中的化学、力学和物理性能要求规定了某一牌号必须达到的指标；但针对特定几何形状和载荷选择合适牌号的必要性并不会因此消失。

W 系列与水淬

AISI W 系列属于水淬硬化钢。与空冷硬化钢或高速钢相比，这类钢主要依靠碳形成马氏体，合金元素添加量相对有限。常见牌号包括 W1 和 W2。其成分使钢材在奥氏体化并水淬后能够获得较高的表面硬度，因此适用于手工操作的切削工具、小型冲头、划针、刀具、简单模具，以及其他硬质工作刃比深层硬化更重要的工具。

同一特性也带来了其核心局限。纯碳钢或低合金钢截面散热很快，必须以足够快的速度冷却，才能使奥氏体转变为马氏体。水能够提供强烈的冷却作用，尤其是在靠近表面的区域。厚大工具的内部冷却速度可能较慢，从而形成硬度梯度或不同转变产物的混合组织。窄薄刀片可以有效硬化，而厚实的冲头则未必能够达到同样效果。

水淬还会增加变形和开裂风险。表层收缩时，心部仍处于高温状态；由此产生的热应力和转变应力会受到尖角、截面突变、键槽、孔洞以及磨削损伤的显著影响。工具即使出炉时达到了规定的名义牌号，也可能因为淬火过程中几何形状造成应力集中而失效。预热、受控奥氏体化、适当的淬火液搅拌、及时回火以及采用较大的圆角，都可以降低这种风险；但这些措施无法使水淬硬化钢表现得像具有深层淬透能力的合金钢。

因此，W 系列适用于形状相对简单的截面，以及操作者能够接受较窄硬化区的应用；如果工具尺寸足够小、能够整体冷却，也同样适用。例如，手工凿需要坚硬的切削端，同时还需要经过回火、脆性较低的杆部。整个工具硬度过高，虽然可能提高抗刃口磨损能力，却会使柄部容易断裂。正确的结果取决于热处理状态，而不仅仅是牌号名称。

碳含量还控制着硬度与韧性之间的平衡。提高碳含量可以提高可达到的硬度，但未经回火的高碳马氏体几乎无法承受冲击或拉伸应力。因此，W 系列的性能在很大程度上取决于回火温度、保温时间和截面尺寸。硬化后的磨削还会带来另一项风险：即使整体组织可以接受，烧伤或承受拉应力的表面也可能成为裂纹的起始位置。

L 系列与低合金硬化

AISI L 系列代表低合金工具钢。与高铬冷作钢、热作钢或高速钢相比，其合金元素添加量较少；然而，少量的镍、铬、钼、锰或其他元素，也能显著改变淬透性和韧性。L2 和 L6 是常见牌号，但二者的性能并不相同。例如，L6 具有含镍低合金成分的特点；在需要比普通水淬硬化钢更高韧性和淬透性的场合，通常会选用该牌号。

低合金化能够使钢材硬化到更深部位，并且根据具体牌号、截面尺寸和规定的热处理工艺，允许采用比水淬缓和的淬火方式。这可能降低大型冲头、成形工具或夹具的变形和淬火开裂风险。但这并不能保证尺寸稳定性。细长工具仍可能发生弯曲，薄刃仍可能移动，残余奥氏体或不均匀的炉内条件也仍可能导致尺寸变化。

L 系列钢的应用针对性尤其重要。冷成形工具可能要求坚硬的工作表面和坚韧的心部；量规或夹具则可能更加重视尺寸稳定性；大型切削或成形部件可能需要整体淬硬，同时避免水淬所产生的剧烈热冲击。同样的名义硬度可能掩盖不同的显微组织、碳化物分布和残余应力。因此，热处理必须与具体的 L 系列牌号相匹配，而不能照搬 W 系列的工艺。

制造路线同样重要。锻造、轧制、退火和机加工会在硬化前形成晶粒流线、偏析、夹杂物和残余应力。Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance 通过成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层的综合影响来阐述工具性能。这比把“低合金”视为强度的直接指标更为准确。[1][1] The effect of heat treatment on tool-core performance in a coated system. Authors not specified in the article. Coatings, 2020.

发表于 MDPI Coatings 的一项 2020 年研究指出，在其考察的涂层体系中，热处理参数是控制工具心部性能的首要因素。这一发现具有更广泛的实际意义：涂层无法弥补基体软化、脆化、过热或回火不当等问题。表面工程能够改变表面性能，但不能替代可靠的心部冶金质量。

S 系列与冲击主导型工况

AISI S 系列属于耐冲击工具钢。此类钢用于反复冲击、间歇载荷或接触应力突然变化的场合；在这些情况下，抗断裂能力比可达到的最大耐磨性更为重要。S1、S5 和 S7 是成熟的常用牌号，但它们在合金化程度和热处理响应方面存在差异，因此在实际服役中的表现也不同。

凿子、铆钉镦头模、承受间歇作业的剪切刀片、气动工具，或承受冲击的冲头，可能需要 S 系列所提供的硬度与韧性平衡。所需组织通常是含有受控碳化物的回火马氏体，而不是主要为耐磨性设计、含有大量碳化物的基体。碳化物越多并不一定越好：粗大或分布不均的碳化物，在工具受到冲击时可能成为裂纹起始位置。

S 系列钢仍然需要审慎选择硬度。如果回火后过软，冲头可能发生镦粗，凿子可能卷刃，成形刃口可能发生变形；如果淬火并回火后的硬度过高，同一工具则可能崩刃或断裂。几何形状可能主导最终结果。尖锐缺口、缺少支撑的薄刃或突变的台肩会提高局部应力，而较大的圆角和适当的刃带则能够分散冲击。即使是韧性良好的牌号，当设计使拉应力横跨脆性刃口分布时，仍然可能失效。

因此，S 牌号表示的是使用工况的侧重点，而不是对滥用的免疫能力。抗冲击性能取决于洁净度、晶粒尺寸、碳化物分布、奥氏体化控制、淬火烈度、回火和表面光洁度。NBS Monograph 88 对钢铁冶金的历史术语仍具有参考价值；ASM International 则将工具钢性能与耐磨性、韧性、热硬性、碳化物和热处理联系起来。Uddeholm 以全生命周期的观点阐述了相应的工程原则：冷作模具应与其具体应用相匹配，以尽量降低每个制件的生产成本。对于 W、L 和 S 系列钢材而言，这意味着在选择钢种系列之前，必须先确定失效源于磨损、塑性变形、开裂、崩刃还是尺寸变化。

油淬硬化、空冷硬化与高碳高铬牌号

O、A 和 D 系列常被描述为从普通工具钢到先进工具钢的渐进序列。这种理解是错误的。它们的字母表示不同的冶金侧重点：O 表示油淬硬化，A 表示空冷硬化，D 表示高碳高铬钢。三者都不是一种普遍适用的性能等级排序。能够承受反复冲击的冲头，如果采用以耐磨为重点的 D 系列牌号制造，可能会失效；而 A 系列模具虽然能够抵抗变形，但如果刃口崩裂决定了工具寿命，其性能也可能不佳。

ASTM A681:2024 为变形合金工具钢产品提供了标准框架，涵盖棒材、钢板、薄板、钢带、棒料、线材和锻件等通常加工成工具、模具或夹具的产品。AISI 系列是按照淬火方法、主要用途或主导合金体系进行分类的，而不是依据单一的性能等级。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或加工制成品部件的工具的钢材。因此，淬火行为属于分类依据的一部分，因为它决定截面各处的温度变化、形成的马氏体、产生的应力，以及热处理后残留的尺寸变化。

O 系列与油淬硬化行为

O 系列钢，例如 AISI O1 和 O2，含有足够的碳和合金添加元素，能够从奥氏体化温度范围淬入油中后发生硬化。与普通碳钢相比，锰、铬和钨提高了淬透性，而碳则提供马氏体硬度。油的冷却烈度低于水，因此工件表层与芯部经历的热应变和相变不匹配程度较小。这通常能够降低淬裂和变形风险，但并不能消除其中任何一种风险。

O1 通常用于小型冷作模具、切削工具、量具、刀具、冲头和成形工具，适用于硬化前的可加工性以及可预测的油淬响应较为重要的场合。O2 的用途与之相关，但其成分和热处理响应会形成不同的硬度、韧性和尺寸变化平衡。仅凭牌号并不能决定最终结果。奥氏体化温度、保温时间、炉内气氛、截面厚度、油的搅动、转移延迟时间以及回火工艺，都会改变最终组织。

油淬硬化是在水淬速度与空冷便利性之间取得的折中。冷却速度必须足够快，以便在发生过度软化之前通过珠光体和贝氏体转变区；同时又必须足够缓慢，以限制热冲击。薄型冲头的整个截面都能快速冷却，从而有效硬化；而大型模具如果合金淬透性不足，则可能形成较硬的表层和较软的芯部。几何形状与名义尺寸同样重要。尖角、厚度突变、孔洞和薄型凸起部位都会在淬火过程中集中应力。

残留奥氏体也是一个问题。如果钢材合金化程度较高、淬火温度过高或冷却不充分，部分奥氏体可能不会转变为马氏体而残留下来。它可能在服役或回火过程中发生后续转变，从而导致尺寸移动。在某些工艺中，深冷处理可以减少残留奥氏体，但不能弥补奥氏体化或回火控制不当的问题。热处理参数仍然是决定性因素：MDPI 的 Coatings 所引用的一项 2020 年研究指出，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素。

对于 O 系列牌号，实际问题并不只是工具能否达到较高硬度，而是油冷能否使所需截面充分硬化，同时避免不可接受的变形、开裂或芯部软化。因此，O 系列钢适用于冷作模具、压花工具、丝锥、铰刀和冲头，但并不意味着它自动适合所有尺寸或载荷模式。

A 系列与空冷硬化行为

A 系列钢包括 A2、A6 和 A10，设计目标是在静止空气中冷却或采用受控气体冷却后获得有用的硬度。铬、锰、钼及其他合金元素会延迟扩散型转变，提高淬透性，使较厚截面也能形成马氏体，而不必采用烈度较高的油淬。因此，空冷硬化能够减少淬火冲击；对于复杂模具而言，淬火冲击是产生开裂和形状变形的主要原因之一。

但这种优势是有限的。空冷并不保证完全没有尺寸移动。工具在冷却时仍会发生收缩，在马氏体转变过程中会发生膨胀或收缩，残留奥氏体发生转变时还可能产生额外变化。A2 是广泛使用的冷作牌号，其尺寸变化可能与合金含量及热处理循环有关。即使淬火介质较为温和，大截面、非对称形状以及炉内受热不均也会放大这些变化。

与低淬透性的油淬钢相比，空冷硬化牌号还具有截面尺寸方面的优势。厚型成形模具或压花镶件可能形成更加均匀的硬化区，从而减少油淬烈度不足所导致的芯部软化问题。然而，淬透性并非无限。非常大的截面、脱碳表面、炉温控制不充分，或缓慢且不均匀的冷却，仍可能造成硬度不均。

其耐磨性与韧性的平衡取决于碳化物数量、基体碳含量和回火工艺。A2 通常比低合金抗冲击钢具有更高的耐磨性，但其碳化物组织和硬度也可能使其对严重冲击的耐受性较低。A6 常用于需要较低硬化温度和受控尺寸变化的场合，但仍必须针对实际几何形状验证其响应。同一牌号在真空热处理、盐浴淬火、气体冷却，或采用不同初始材料加工时，可能表现不同。

因此，A 系列钢常用于冷作模具、冲头、剪切刀具、落料工具、成形工具和压花设备。它们并不自动优于 O 系列钢。如果冲击韧性、车间内简便的热处理或较小截面厚度占主导地位，O 系列牌号可能更合适；如果变形控制以及较大模具的整体淬硬占主导地位，A 系列牌号可能是更适宜的起点。

D 系列、碳化物与耐磨性

D 系列钢，例如 AISI D2、D3 和 D6，是高碳高铬牌号。其碳和铬含量能够在马氏体基体中形成大量坚硬的富铬碳化物。根据成分和热历史的不同，碳化物种类包括富铬的 M7C3 和 M23C6 型碳化物，以及合金渗碳体或其他复杂碳化物。这些颗粒能够抵抗磨粒磨损和黏着磨损，因此 D 系列钢常用于落料模、冲头、剪切刀片、滚丝部件、压花工具和成形镶件。

能够抵抗磨损的同一批碳化物也可能降低韧性。粗大、尖角状或连续分布的碳化物网络会成为裂纹萌生位置，尤其是在铸造偏析或钢材原始组织破碎不充分的情况下。承受反复冲击、弯曲或偏载的工具，即使磨粒磨损速率较低，也可能发生崩刃或断裂。因此，D2 并不是一种普遍适用的冷作解决方案，必须根据失效模式进行匹配。如果工具寿命是由断裂而非磨损终止，那么采用耐磨性较低但碳化物分布更均匀、韧性更高的牌号，反而可能获得更长的使用寿命。

D 系列钢属于空冷硬化钢，因此通常能够避免与水淬及许多油淬处理相关的严重淬火应力。这有利于精密模具的尺寸控制，但“尺寸稳定”并不意味着尺寸完全固定。高碳高铬钢在淬火后可能保留相当数量的残留奥氏体，而残留奥氏体可能在回火、磨削或服役过程中发生转变。多次回火、谨慎的奥氏体化，以及在合理情况下采用冷处理，有助于控制这种移动。淬硬后的磨削烧伤和未回火表层则可能形成另一条失效路径。

制造工艺路线同样重要。与传统钢锭冶金相比，粉末冶金能够形成更细小、更均匀的碳化物分布，在不改变大致系列标签的情况下，改变耐磨性与韧性之间的平衡。因此，Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance（2021）将成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层视为相互关联的变量。Uddeholm 的冷作工具指导资料也提出了相关的经济性观点：材料选择应与应用相匹配，并将单位制件成本降至最低；这意味着应关注整个生命周期的性能，而不是单纯追求较高的名义硬度。

只有当 D 系列牌号的韧性、碳化物组织、尺寸响应和表面状态与工具要求相匹配时，它才适合以耐磨为主导的冷作工况。在另一种模具中，A 系列可能更有利于控制变形；对于较小工具，O 系列则可能提供更简单的油淬硬化路径。牌号只能标识冶金类别，决定该类别能否经受住实际服役条件的，是具体的使用工况。

热作模具钢与高速工具钢

H、M 和 T 系列通常被归为一组，因为它们都可能承受严苛的高温，但各自承担的任务不同。H 系列牌号主要属于热作模具钢，用于制造模具、冲头、镶件、芯棒以及暴露于高温金属或反复热循环中的工装。M 系列和 T 系列牌号则属于高速工具钢（HSS），主要用于切削刃，因为切削加工过程中会产生热量。字母并不是一种通用的性能等级排序。正如 ASM International 所解释的，工具钢是用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢材；而 AISI 的分类包括 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列（ASM International，2020、2024）。牌号所指示的可能是硬化方法、主要应用或主要合金化体系。

ASTM A681 为锻轧合金工具钢产品提供标准框架。其范围涵盖通常被加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、带材、杆材、线材和锻件的化学、机械及物理要求（ASTM International，2024）。因此，牌号标识的是一种受控的钢材类型，并不保证刀具刃口一定获得预期结果。碳化物分布、锻造或粉末加工历史、加工损伤、奥氏体化工艺、淬火、回火以及表面处理都会影响使用寿命。

用于高温工装的 H 系列

H 系列之所以被归类为热作模具钢，是因为其主要设计难题是在高温服役期间保持强度并避免开裂。常见牌号包括 H10、H11、H12、H13、H19、H21 和 H26。通常由 H10 至 H19 代表的铬系热作模具钢，依靠铬、钼和钒的组合来获得淬透性、抗回火性和抗热疲劳性能。包括 H20 至 H26 在内的钨系热作模具钢则采用较高的钨含量，以支持高温硬度；不过，其热疲劳性能和韧性仍必须与模具所处的工作环境相匹配。

H13 广泛用于铝合金和镁合金压铸模具、挤压工装及热成形部件，因为其铬-钼-钒合金体系在韧性、耐热性和抗热龟裂性能之间取得了良好平衡。但它并非适用于所有热作工况的自动正确选择。接触铝熔体的模具、承受锤击的锻模以及挤压芯棒，会经历不同组合的温度、冲击、侵蚀和冷却速率。

热作工装通常并非因单一孤立机制失效，而是经历相互关联的失效过程。表面接触工件时迅速升温，在喷淋或暴露于空气中时冷却，并在下一循环中再次升温。反复循环会在表层附近产生拉应力。微小裂纹形成并相互连接，最终产生被称为热龟裂或热疲劳裂纹的裂纹网络。过高的硬度会降低工具在开裂前所能承受的应变；硬度不足则会导致塑性变形、冲蚀以及形状过早丧失。

工具设计和加工工艺与名义牌号同样重要。粗大且偏聚的碳化物可能成为裂纹起始点，而粗大的原奥氏体晶粒会降低韧性。锻造工艺、洁净度以及在适用情况下采用的电渣重熔或粉末冶金工艺，都会影响缺陷数量和碳化物的排列。经过抛光并适当氮化的表面可能延缓裂纹起始，但表面层无法弥补不合适的基体或错误的回火循环。

热处理决定工作性能之间的平衡。热作模具钢通常通过奥氏体化、空气或加压气体淬火以及多次回火进行硬化。目标并非单纯追求最高的室温硬度。工具在承受工作热量后必须保留足够的强度，同时保持足够的韧性，以抵抗冲击和热应变。大型模具内部的温度梯度也使尺寸控制和均匀冷却变得十分重要。

用于切削性能的 M 系列和 T 系列

M 系列表示钼系高速工具钢，而 T 系列表示钨系高速工具钢。这一区分是化学成分和历史沿革上的区分，并不是简单的性能排名。M2 是一种应用广泛的钼系高速工具钢，含有较多的钨、钼、铬和钒；其近似名义成分通常描述为约 6% 钨、5% 钼、4% 铬和 2% 钒，碳含量接近 0.8%。相比之下，T1 是经典的钨系高速工具钢，通常与约 18% 钨、4% 铬和 1% 钒相关联。

钼可以替代钨系体系中的一部分钨，同时保持较高含量的硬质合金碳化物。对于 M2，钼有助于二次硬化和提高高温硬度，无需达到 T1 那样的钨含量。因此形成了一个适用范围广泛的切削钢系列，可用于钻头、铣刀、拉刀、丝锥、铰刀、锯以及通用切削工具。T 系列牌号在其富钨碳化物体系和耐热性适合特定工况时仍然十分重要，不过具体选择取决于切削速度、工件材料、刃口载荷、磨削条件和刀具几何形状。

近似名义合金含量（%）

M 系列还包括 M35 和 M42 等含钴牌号。M35 含钴约 5%，M42 含钴约 8%。钴能够提高淬硬组织保持有效强度的温度，并可改善高速切削时的性能，但它并不能消除正确热处理的必要性，也不能使刀具免于崩刃。如果切削刃承受断续切削或支撑不足，硬度更高、工作温度更高的牌号反而可能更快失效。

高速工具钢的应用说明了为什么仅凭牌号无法完成选材。丝锥需要其侧面和棱带具备耐磨性，需要足够的韧性以防止牙齿断裂，还需要在反复啮合过程中保持尺寸精度。铰刀需要稳定而锋利的刃口以及较小的尺寸变化，因为过度崩刃或尺寸增大都会改变成品孔的尺寸。钻头、拉刀、铣刀或齿轮切削刀具可能对同一种钢材提出不同要求。氮化钛或氮化铝钛等涂层可以降低摩擦并限制表面化学相互作用，但基体仍然承受切削载荷。正因如此，Routledge 出版的《工具钢：性能与表现》（Tool Steels: Properties and Performance，2021）从成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面讨论牌号性能。

高温硬度、二次硬化与红硬性

室温硬度只是一个测量指标。切削工具在淬火和回火后可能具有很高的硬度，但当切削刃达到数百摄氏度时，却可能丧失大部分承载能力。高温硬度描述材料在高温下保持硬度和强度的能力。红硬性是车间中较早使用的术语，表示同一项实际要求：切削过程中刃口明显发热时，仍必须保持有效的工作能力。

高速工具钢通过合金碳化物和二次硬化获得这种性能。在奥氏体化过程中，一部分碳、钨、钼、铬和钒溶入奥氏体。淬火后形成坚硬的马氏体组织，通常还会保留一定量的残余奥氏体。在适当温度下回火时，细小的合金碳化物从马氏体中析出。这种析出可能使硬度升高而不是降低，从而形成高速工具钢特有的二次硬化峰。多次回火还可促使残余奥氏体转变并稳定尺寸。

碳化物的类型十分重要。富钒 MC 型碳化物尤其坚硬，能够抵抗磨粒磨损；富钨和富钼碳化物则有助于提高抗回火性和高温硬度。碳化物的尺寸、间距、取向和连续性与其存在本身同样重要。较高的碳化物体积分数可以提高耐磨性，但如果碳化物粗大、聚集或沿锻造流线排列，也会降低韧性。粉末冶金高速工具钢能够形成比传统钢锭冶金更均匀的碳化物分布，但仍需要合适的硬化循环。

热作模具钢同样依赖抗回火性，但其服役特征不同于高速工具钢。H13 必须承受热循环以及与高温金属的机械接触；M2 或 M42 则必须在摩擦热集中于切削区域附近时保持锋利刃口。前者可能通过热龟裂或严重变形失效，后者则可能通过后刀面磨损、月牙洼磨损、崩刃或刃口塑性变圆而失效。

MDPI 期刊 Coatings 报道的一项 2020 年研究指出，热处理参数是控制工具基体性能的首要因素。这一发现支持一条实用原则：成分决定潜力，而热处理决定这种潜力有多少能够转化为可用性能。牌号不能替代受控的奥氏体化、淬火、回火和检验。

因此，选材应当依据失效模式和生产条件进行。Uddeholm 2024 年关于冷作模具的指南提出了相关的经济原则，即使钢材与应用相匹配，并使每个制成零件的成本最低；对于热作模具钢和高速工具钢，更恰当的表述是关注全寿命周期性能。正确的牌号应当是这样一种材料：其碳化物组织、韧性、高温硬度、抗热疲劳性能、制造工艺路线和热处理方式，能够在实际工作循环下产生所需的刃口寿命或模具寿命，而不是仅仅因为它带有听起来最令人印象深刻的字母。

应用：根据失效模式匹配牌号系列

工具钢牌号并不是某条通用等级阶梯上的一个位置。这些字母标识的是一个钢种系列，而不是保证某种服役结果。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或整形加工件的工具钢材，而 AISI 系列包括 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列。正如 Maricopa Community Colleges 冶金学（2024）所解释的，这些字母通常代表淬火方法、主要用途或主导合金体系。

这种区分十分重要，因为工具可能因磨粒磨损、黏着咬合、塑性变形、热软化、刃口崩落、严重断裂、疲劳或尺寸漂移而失效。碳、铬、钼、钨、钒及其他合金元素决定淬透性和碳化物形成倾向，但制造工艺决定碳化物尺寸、偏析、孔隙率和夹杂物情况。随后，热处理决定这些碳化物周围的基体组织。2020 年发表于 MDPI Coatings 的一项研究表明，在其所研究的涂层体系中，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素。涂层无法弥补不合适的芯部材料。

正如 ASTM International 于 2024 年列出的 ASTM A681 所述，该标准涵盖变形合金工具钢产品的化学、机械和物理要求，包括通常加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、钢带、杆材、钢丝和锻件。因此，应用决策应从服役条件出发，然后逐步确定钢种系列和牌号、热处理、截面尺寸、表面状态及制造工艺。

切削、钻削、攻丝和铰削

切削工具要求刃口保持稳定锋利。主要要求包括硬度、高温硬度、耐磨性以及抗刃口变形能力；韧性同样重要，因为断续切削、振颤、夹杂物和对中不良都可能使极硬的刃口崩裂。

手动操作的切削工具通常选用水淬 W 系列、低合金 L 系列或油淬 O 系列。AISI W1 经水淬后可达到较高硬度，但其淬透性较浅且存在变形风险，因此截面尺寸受到限制，热处理控制也十分重要。AISI O1 是一种油淬钢，可在中等截面范围内实现更可预测的淬硬，同时在处理前保持良好的可加工性。低合金系列中的 AISI L6 则用于冲击抗力和韧性优先于最大耐磨性的场合。这些牌号是针对不同失效模式的不同解决方案，而不是依次递增的质量等级。

钻头、丝锥和铰刀承受更严苛的刃口载荷和扭转载荷。丝锥必须抵抗侧面磨损和咬合，同时承受扭矩反转以及排屑问题。铰刀去除的材料很少，却必须保持受控的孔径，因此需要良好的刃口保持性和尺寸稳定性。高速钢系列——钼系高速钢 M 系列和钨系高速钢 T 系列——能够在普通碳素工具钢会发生软化的切削温度下保持有用的硬度。AISI M2 和 AISI T1 是常见的参考牌号，但正确选择取决于切削速度、工件硬度、冷却液、几何形状，以及切削是连续的还是断续的。

碳化物组织所控制的并不只是名义硬度。细小且分布均匀的合金碳化物能够在不形成大型裂纹源的情况下提高耐磨性；粗大或偏析的碳化物则可能在磨削或断续切削过程中使刃口崩裂。M 系列通常依靠钼和钨等形成碳化物的合金元素，而 T 系列则具有更强的钨合金化特征。仅凭牌号无法判断碳化物间距、洁净度，也无法判断锻造和粉末加工所产生的结果。

钻削还会增加扭转疲劳和排屑应力。即使钻头具有出色的高温硬度，如果芯部过脆、排屑槽表面质量不佳，或热处理导致残余奥氏体过多，仍可能发生断裂。攻丝尤其不容许缺陷：少量咬合就可能使扭矩不断升高，直至工具断裂。铰削则更加侧重尺寸稳定性、表面质量和可控磨损。表面处理可以改变摩擦和黏着，但不能取代芯部所需的韧性。

落料、冲孔、冷镦和压印

落料和冲孔主要受反复压缩载荷、滑动磨损以及切削刃口处的局部应力集中控制。冲头或凹模必须抵抗塑性压痕和磨粒造成的刃口变圆，同时保持足够的抗崩刃能力，以承受错位、毛刺、废料带起和断续接触。

高碳高铬系列中的 AISI D2 含有大量富铬碳化物，具有较高耐磨性。因此，在刃口磨损占主导地位的场合，它很有吸引力；但其碳化物数量以及热处理响应，也可能使不当的磨削工艺或严重冲击带来不利后果。空冷硬化钢 AISI A2 通常处于另一种性能平衡：与许多含碳量和碳化物含量更高的替代材料相比，它在提供耐磨性的同时，具有更高的韧性和尺寸稳定性。对于严苛程度较低的冷作工况，AISI O1 可在易于加工和油淬便利性具有价值的情况下使用。当崩刃或断裂是主要威胁，而不是最大化滑动磨损寿命时，抗冲击工具钢 AISI S7 更具相关性。

冲裁薄板与冲压厚重、磨蚀性强的材料并不是同一种操作。间隙、板材强度、毛刺形成、冲头细长比和压力机对中情况都会改变应力场。在一条生产线上，D 系列冲头可能具有良好的耐磨性；但如果工具承受冲击，在另一条生产线上就可能发生崩刃。相反，S 系列工具可能能够承受冲击，却会在磨蚀性材料作用下迅速失去刃口。Uddeholm 2024 年的冷作指南体现了实际工程中的原则：选择与应用相匹配的钢材，并使每个制件的成本最小化。从冶金角度看，这意味着比较修磨、早期断裂、咬合、停机和尺寸损失等因素，而不只是比较硬度数值。

冷镦对工具提出了另一种要求。冷镦模和冲头在压缩线材或棒材时反复承受冲击，因此韧性、抗压强度和抗疲劳性能必须协同发挥作用。一副能够承受一次冲击、却在数百万次循环中积累微裂纹的模具，并不适合该工艺。严重冲击工况可采用抗冲击 S 系列；当磨损和尺寸保持性占主导地位时，则可采用 A、D 或其他冷作系列。正确的热处理状态是一种折中：硬度过高会增加崩刃风险；硬度不足则会导致塑性流动以及模腔过早扩大。

压印工具通常因表面损伤而失效，而不是发生整齐断裂。黏着积屑、咬合、抛光痕迹和局部塑性变形都可能将缺陷转移到每一个制件上。细小的碳化物组织、稳定的回火基体、仔细的抛光以及受控的表面处理变得至关重要。尺寸控制还取决于热处理变形、残余奥氏体、加工余量以及工具在服役期间获得的支撑。名义硬度更高的钢材，如果在热处理过程中发生移动或损伤板材表面，反而可能生产出更差的制件。

模塑、成形、模具、夹具和刀具

模塑和成形工具会使钢材承受接触压力、滑动、热循环，有时还会接触具有腐蚀性的聚合物分解产物。冷成形重视尺寸稳定性、耐磨性和抗咬合能力；热成形则增加了热疲劳、氧化和软化问题。AISI H13 是一种铬系热作钢，常用于在高温下工作的模具和工具，因为其合金设计有助于提高热强度和抗热疲劳性能。但它并不是冷作钢的通用替代品。对于低温磨粒接触，AISI D2 或 AISI A2 可能更合适；而在冲击占主导地位的场合，则可能选用 AISI S7。

模具的定义不仅取决于其工艺用途，也取决于其失效模式。拉深模承受滑动磨损和摩擦。弯曲模承受集中压力和边缘载荷。挤压模面临高压应力、高温和材料流动。模塑工具可能需要良好的抛光性、耐腐蚀性、导热性，或抵抗玻璃纤维磨蚀的能力。因此，即使是同一系列的钢材，在截面尺寸、回火温度、渗氮、涂层或工作表面光洁度发生变化后，其表现也可能不同。

夹具通常不需要落料模那样极高的耐磨性。它们需要足够的硬度以抵抗压痕，需要足够的韧性以承受夹紧和搬运，还需要在反复装夹循环中保持尺寸稳定。若可加工性、中等耐磨性和可预测的热处理性能比最高碳化物含量更重要，低合金 L 系列、O 系列或选定的 A 系列可能是合理选择。硬度过高的夹具可能难以加工，在尖角处容易开裂，并且对冲击不必要地敏感。

刀具以一种熟悉的形式体现了同样的平衡。刀刃需要硬度和耐磨性，但刀具还必须具备抵抗弯曲、扭转和意外冲击的韧性。AISI D2 等高碳工具钢可以依靠碳化物支持的耐磨性保持刃口，但其性能表现高度取决于热处理、截面厚度、磨削工艺和刃口几何形状。AISI 420 等不锈钢刀具牌号不属于主要的 AISI 工具钢系列，但它们说明了为什么耐腐蚀性可能是一项独立于刃口保持性的服役要求。刃口更硬，并不自动意味着刀具更加耐用。

Routledge 于 2021 年出版的 Tool Steels: Properties and Performance 所述框架，将成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层视为相互关联的控制因素。NBS Monograph 88 和 ASM International 为这一观点提供了历史与冶金学基础。牌号选择应首先依据主要损伤机制，然后核查碳化物组织、洁净度、硬化深度、回火响应、变形以及表面状态。AISI 字母只能缩小选择范围；它们并不能替代工程决策。

表面工程、涂层与工具芯部

涂层工具并不是一层涂层下面带有钢制手柄的工具，而是一个分层机械系统：工作表面、任何扩散层或硬化层、涂层、钢基体以及经过热处理的芯部必须共同承载。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢材，但表面工程会改变工具与工件的相互作用方式。这并不能免除正确选择和热处理基础牌号的必要性。

这一点之所以重要，是因为牌号字母并不代表表面性能的等级。AISI D2 工具钢、AISI H13 热作钢和 AISI M2 高速钢都可以接受硬化表面处理或沉积涂层，但它们具有不同的碳化物组成、回火响应、热导率、韧性水平和尺寸变化。涂层处理后，它们的服役极限仍然不同。

表面硬化与处理层

表面硬化会在钢材本身形成强化区域。渗氮是将氮引入表面，并与铬、钼、钒或铝等元素形成合金氮化物。渗碳则是在硬化前提高近表层的碳浓度，从而在低碳芯部上形成富碳马氏体渗层。感应硬化和激光硬化则是快速加热受控深度的区域，并依靠现有碳含量形成马氏体。

所得硬化层并不等同于整体硬度。硬化渗层的硬度可能远高于内部，同时保留能够承受冲击载荷的韧性芯部。这种梯度可以减少塑性压痕和黏着磨损，但也会形成应力集中的过渡区。渗层深度、化合物层厚度、扩散均匀性、残余奥氏体、碳化物分布以及回火状态，都会影响该处理能否经受服役。

工具钢通常在整个工作截面内就已针对高硬度进行选材。对于这类牌号，过度的表面硬化可能降低韧性，或形成脆性的化合物层，而不是形成有用的承载过渡层。奥氏体化过程中的脱碳则会导致相反的问题：名义牌号可能完全正确，但表面已经失去碳，无法达到预期硬度。磨削去除受损层可以恢复几何形状，但也可能暴露不均匀的显微组织，或减小设计的渗层深度。

发表于 Coatings 的 2020 年涂层系统研究指出，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素。这一发现明确了表面处理应处于正确的工艺顺序中。奥氏体化温度、保温时间、淬火强度、规定情况下的深冷处理以及回火，共同决定涂层施加前的马氏体、残余奥氏体、碳化物状态和残余应力。沉积的硬质层无法将欠硬化、过回火、脱碳或易开裂的芯部转变为性能可靠的工具。

涂层与基体支撑

涂层可为表面提供整体钢材无法同时具备的性能。高硬度能够抵抗磨粒磨损并减少材料转移；化学稳定性可以限制其与工件的反应；低摩擦表面则能够降低黏附和发热。这些属于磨损与摩擦方面的优势，并不能证明其具有抗断裂能力。

涂层硬度描述的是涂层抵抗压痕或塑性变形的能力。涂层附着力描述的是在热、机械和化学载荷作用下，使涂层保持附着于基体所需的力。这两种性能彼此独立。附着力很弱的高硬度涂层可能会片状剥落。附着良好的涂层即使仍然附着，也可能因较软的基体在其下方屈服，而使表面发生开裂或变形。

因此，基体必须提供足够坚硬且尺寸稳定的基础。如果芯部发生塑性变形，涂层会随之变形，并可能产生龟裂、屈曲或脱落。如果粗大碳化物形成不连续的载荷传递路径，碳化物—基体界面处的局部应力就会升高。如果钢材存在磨削烧伤、折叠、缝隙、孔隙或表面拉应力，涂层可能暂时掩盖缺陷，却无法消除促使裂纹扩展的条件。

制造路线与名义成分同样重要。传统轧制或锻制的 AISI D2 中，富铬碳化物可能呈方向性分布；而粉末冶金材料则可以提供更细小、更均匀的碳化物分布。这一差异会影响涂层下方的刃口支撑和裂纹扩展。它并不意味着某一种制造路线在所有情况下都更优；关键问题在于显微组织是否与接触压力、冲击程度、工件磨蚀性以及失效模式相匹配。

沉积温度也必须适合回火状态。如果工具的回火温度低于涂层工艺温度，工具可能在沉积过程中发生软化。对于 AISI H13 等热作牌号，即使涂层本身保持完整，反复热循环也会改变马氏体回火状态、析出相状态和残余应力。工作温度又增加了一个变量：在较冷的滑动接触中性能良好的涂层，在热成形过程中可能发生氧化、软化、与工件反应或失去附着力。

附着力、残余应力与刃口完整性

表面预处理决定了涂层与钢材之间最初形成的机械连接。预处理通常包括脱脂、受控喷砂或抛光、去除氧化物以及最后的清洁步骤，但每项操作都会改变表面。粗糙度在一定范围内可以改善机械嵌合作用；过大的粗糙度则会产生尖锐凸起和局部薄层。抛光表面可以降低摩擦，但可能减少锚固作用，并且可能残留磨削造成的涂抹金属。预处理必须在去除污染物的同时，避免使切削刃变圆或引入拉伸损伤。

残余应力可能有利，也可能有害。渗氮层或沉积涂层中的压应力可以延缓表面裂纹张开。然而，当层体支撑不足时，过大的压应力可能导致屈曲或剥落。拉应力会促进裂纹萌生，尤其是在尖锐刃口、磨削烧伤处、碳化物聚集区或涂层缺陷处。涂层与钢材之间的热膨胀失配，会在沉积、冷却以及服役温度变化期间增加应力。

刃口几何形状往往是涂层工具最先发生失效的部位。涂层具有有限厚度，不可能在无限尖锐的半径上保持完全均匀的层厚。薄锐刃可能在沉积、搬运或首次接触工件时崩落。较小且受控的刃口圆角可以支撑涂层并降低应力集中，但圆角过大则会改变切削几何形状并增加成形力。正确的刃口形状应由失效模式决定：磨粒磨损、黏着拉伤、崩刃、塑性塌陷或热裂纹。

Routledge 于 2021 年出版的参考书 Tool Steels: Properties and Performance，通过成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层来讨论性能，而不是仅通过涂层选择来讨论性能。这一框架与 Uddeholm 的实用指导一致：冷作模具的经济性取决于使工具钢与应用相匹配，并将每个制成零件的成本降至最低。当芯部、刃口、预处理和热循环均得到控制时，涂层可以延长服役寿命。但它无法弥补牌号韧性不足、使基体不稳定的回火状态，或使载荷集中程度超出涂层—基体系统承载能力的几何形状。

标准、规范与工具钢数据表的阅读方法

工具钢数据表包含几类不同的信息，而这些信息很容易混淆。标准规定材料必须满足的要求。牌号标识则确定一个成分系列及其传统使用依据。生产商的数据表随后会建议该牌号应如何进行锻造、机加工、淬硬、回火和最终加工。这三个层面彼此相关，但不能相互替代。

ASM International 将工具钢定义为“用于制造切削、成形或塑造制成零件的工具的钢”（2024）。其 AISI 分类包括 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列（2020）。这些字母通常描述淬火方法、主要用途或主要合金化体系，而不是表示一种用于衡量性能的通用等级。例如，AISI O1 是油淬冷作钢；AISI D2 是高碳高铬冷作钢；AISI H13 是铬系热作钢。牌号能够限定冶金学上的起点，但如果不结合载荷、温度、润滑、几何形状、表面状态和失效模式，就无法预测工具寿命。

ASTM A681 的控制内容

ASTM A681 是产品规范，而不是关于成品冲头、凹模、切刀或成形镶件性能的完整说明。ASTM International 表示，“ASTM A681 涵盖了变形合金工具钢产品的化学、机械和物理要求”（2024）。其范围包括通常用于制造工具、模具或夹具的棒材、板材、薄板、带材、杆材、线材和锻件。该规范规定了供应钢材的要求，包括牌号化学成分和相关材料性能，同时允许买方与生产商确定产品形态、尺寸、状态和试验等细节。

变形一词十分重要。变形产品经过锻造、轧制或拉拔等机械加工，其加工历史会影响晶粒流线、偏析、孔隙、碳化物分布和方向性性能。因此，ASTM A681 属于材料控制阶段。它并不认证适用于每一种工具几何形状的特定热处理循环，也不能免除对成品进行检验的必要性。

一份数据表可能在同一页面上同时列出 AISI D2、ASTM A681 和某个生产商内部专用牌号。这些条目承担不同的作用。“AISI D2”标识公认的牌号系列。“ASTM A681”标识变形产品可以据此供应的一项规范。生产商的内部牌号可能描述熔炼路线、重熔路线、洁净度等级或加工状态。除非文件明确规定其化学成分和要求，否则不应将其理解为一种新的通用牌号。

该标准也不应被视为一种性能排名体系。AISI 的 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列代表不同的性能折中。W 系列主要依赖水淬，并且在适当截面中可以获得较高硬度；S 系列则强调抗冲击性能。M 系列和 T 系列属于高速钢系列，分别主要以钼和钨作为合金化基础。D 系列成分能够提供显著的、与碳化物相关的耐磨性，但在反复冲击占主导地位的场合，其断裂行为可能并不适用。正确的比较方式，是将所需的抗失效能力与材料的碳化物组织、韧性、淬透性、热硬性、尺寸稳定性以及可达到的表面状态进行比较。

化学成分与交付状态

化学成分表通常给出名义成分范围，而不是钢材工作状态的完整描述。碳会影响基体硬度和碳化物形成。铬、钼、钨和钒会影响淬透性、二次硬化、热硬性以及合金碳化物的类型和体积分数。硅和锰会影响脱氧和淬透性，而硫可能会为了改善切削加工性而受到控制，但这可能对横向韧性产生影响。即使名义化学成分相同，当碳化物尺寸、偏析、夹杂物含量和原奥氏体晶粒尺寸不同时，材料也可能表现出不同的性能。

因此，交付状态是需要单独考察的问题。“退火”通常表示钢材在受控软化处理后供应，该处理旨在降低硬度并改善切削加工性。这并不意味着钢材已经具备最终的工具性能。一根退火状态的 D2 棒材与一个真空淬硬的 D2 冲头属于同一牌号，但在服役中并不是相同的材料状态。数据表还可能规定退火硬度上限、球化碳化物组织、晶粒度或某项显微组织要求。这些细节十分重要，因为粗大碳化物和带状组织可能促进崩刃，而晶粒过度长大则会降低韧性。

应确认所列性能是纵向性能还是横向性能。轧制和锻造可能使夹杂物和碳化物串状物沿某一方向拉长，从而造成延性、冲击抗力和断裂路径的方向性差异。纵向拉伸试验结果不能自动代表横向冲头刃口的性能。洁净度评级和夹杂物检验能够提供额外信息，但并不能描述所有类型的缺陷群体。即使牌号名称不变，制造路线——例如传统钢锭冶金、电渣重熔或其他精炼工艺——也可能改变偏析和夹杂物形态。

Routledge 出版的 工具钢：性能与表现（Tool Steels: Properties and Performance，2021）从化学成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面讨论牌号性能。这一顺序很有参考价值：化学成分确定潜在性能，制造工艺决定部分缺陷和碳化物群体，而热处理则决定基体以及硬度与韧性的最终平衡。MDPI 的 Coatings 于 2020 年发表的一项研究指出，在所研究的涂层体系中，热处理参数是控制工具基体性能的首要因素。这一结果并不意味着化学成分不重要，而是说明仅依据化学成分进行比较是不完整的。

硬度范围、试验方法与热处理说明

数据表中的硬度可能描述退火交付状态、推荐的淬硬状态，或回火后的目标状态。在比较数值之前，应先阅读标题和脚注。“退火硬度上限”这类规定属于切削加工性要求，并不能证明材料淬硬后可以达到的硬度。推荐的奥氏体化温度、淬火介质、回火温度和保温时间属于一种工艺路线，并不能保证适用于每一种截面尺寸。

洛氏、布氏和维氏硬度的数值不能直接相互替换。洛氏 C 标尺通常写作 HRC，使用金刚石圆锥压头，并施加规定的初试验力和主试验力；ASTM E18 规定了洛氏硬度试验。布氏硬度由 ASTM E10 覆盖，使用球形压头，更适合较软材料或大尺寸材料。维氏硬度由 ASTM E384 覆盖，适用于显微压痕及相关硬度试验；它使用金刚石棱锥压头，可以测量小区域、渗硬层深度或单个显微组织区域。不同的载荷、压头几何形状、表面光洁度和试样厚度都可能改变测试结果。

换算表只能在规定范围内提供近似等效值。它们不能将一种试验变成具有完全相同不确定度的另一种测量，尤其是在极高硬度工具钢、薄截面、脱碳表面或碳化物组织不均匀的情况下。通过淬硬层进行的抛光维氏硬度测量，所回答的问题不同于在块状试样上获得的 HRC 读数。

最后，应检查热处理说明中关于晶粒度控制、预热、奥氏体化、淬火、深冷处理、回火和变形限值的内容。NBS 专题论文 88 仍然是有关历史术语和钢铁冶金基础的重要联邦参考资料，而 ASTM 则提供产品规范框架。但二者都不能替代在实际工具上进行的工艺确认。Uddeholm 的冷作钢指南清楚地表达了实践目标：选择与应用相匹配的钢材，并使每个制成零件的成本最小化（2024）。用工程术语来说，这意味着应尽量降低由磨损、崩刃、塑性变形、热疲劳龟裂、腐蚀和尺寸变化造成的全寿命周期损失，而不是选择数据表上硬度数值最高的材料。

失效分析：诊断工具为何失效

不能仅凭牌号来诊断失效工具。AISI W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列所描述的是淬火方法、主要用途或主导合金体系；它们并不构成一个从弱到强的通用等级体系。AISI D2 冲头、AISI S7 凿子和 AISI H13 模具可能分别针对不同的服役条件进行正确选材，但如果热处理、刃口几何形状、表面光洁度或加载循环不当，它们仍然可能失效。

首要任务是保留证据。记录工具的位置、工作温度、载荷、冲程速率、工件材料、润滑剂、已生产的零件数量，以及首次可见损伤的准确位置。将失效工具与未使用的工具进行比较；如果可能，还应与已完成预期服役寿命的工具进行比较。断口在检查前不得抛光、喷砂或用手触碰。随后，失效调查应结合目视检查、断口学、硬度分布测定、金相学、尺寸测量以及热处理记录的审查。

这种方法将分类转化为工程推理。ASM International 将工具钢定义为用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢材，而 ASTM A681 涵盖了锻制合金工具钢产品的化学、机械和物理要求，包括棒材、钢板、薄板、带材、圆钢、钢丝和锻件。两者都没有保证某一标称牌号在所有载荷下都能正确工作。成分决定潜力；制造工艺决定偏析、夹杂物和碳化物分布；热处理则决定最终组织的很大一部分。

塑性变形和过早磨损

塑性变形通常意味着，在工具的实际服役温度下，局部应力超过了工具的屈服强度或抗压强度。对于冷冲头，冲头头部可能发生镦粗、蘑菇状变形或下沉。对于热作模具，型腔在与加热坯料反复接触后可能变宽或失去细节。核心问题在于：工具在实际工作温度下是否具有足够的硬度和抗压强度，而不是其室温硬度看起来是否令人满意。

AISI H13 等热作钢牌号依赖于高温硬度保持能力、抗回火软化能力和抗热疲劳能力。冷作钢牌号可能具有很高的室温硬度，却会在意外升高的成形温度下软化。回火温度过低、奥氏体化温度过高、脱碳或冷却制度不当，都可能导致芯部无法承受施加的应力。因此，审查炉温曲线、淬火记录、回火时间以及实测硬度至关重要。2020 年发表于 MDPI Coatings 的研究确定，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素；这一发现表明，热处理记录本身比单独的牌号标签更具信息价值。

硬度分布测定可以区分芯部问题和表面问题。应测量失效区域、未受影响区域，以及从工作刃口向中心延伸的截面。表面附近硬度急剧下降，可能表明存在脱碳、过热、磨削烧伤或表面处理不足。整体硬度偏低则指向奥氏体化、淬火或回火不当。高硬度伴随变形，则表明相对于载荷而言抗压强度不足、截面应力过大，或服役温度超出了该牌号的抗回火软化范围。

对于过早磨损，需要提出不同的问题：是什么因素去除了材料？磨粒磨损会产生排列方向一致的划痕、刃口变圆，以及硬质颗粒或粗糙峰在工具表面滑过的位置出现轮廓损失。黏着磨损则会产生转移的工件材料、撕裂斑块和局部焊合。两种情况下，碳化物的数量和分布都很重要。碳以及铬、钼、钨和钒等碳化物形成元素可以提高耐磨性，但粗大且分布不均的碳化物可能降低刃口支撑能力并促进断裂。例如，AISI D2 含有大量铬碳化物，能够抵抗磨粒磨损，但其性能在很大程度上取决于碳化物的尺寸、取向、热处理和刃口设计。

金相检验应考察碳化物的类型、尺寸、带状组织、残余奥氏体、脱碳和非金属夹杂物。对磨损区域取样并进行抛光和腐蚀后，可以判断工具是否具有细小且较为均匀的组织，还是存在会导致应力集中的粗大碳化物网络。2020 年 ASM International 关于工具钢的论述正确地将性能与耐磨性、韧性、高温硬度、碳化物及热处理的组合联系起来。单纯提高硬度无法修复不合适的碳化物组织，也无法弥补与服役条件不匹配的问题。

崩刃、开裂和断裂

崩刃是指刃口、尖角、冲头头部或模具刃带上的小块材料脱落。它通常反映出过度脆化、相对于载荷而言过薄或过尖的刃口、刃口后方支撑不足，或与工作表面相交的粗大碳化物。即使测得的硬度在规定范围内，工具仍然可能崩刃。过多的残余奥氏体、未回火马氏体、碳化物偏析、磨削损伤以及不良的过渡圆角，都可能降低局部抗冲击能力。

断口学可以揭示失效过程。脆性断口可能含有明亮的解理小面、河流花样，并且几乎没有塑性变形。韧性过载通常会形成韧窝，而疲劳断裂则会出现裂纹源区域，随后是渐进扩展标记，最后为终断过载区。应追溯裂纹源，确定其是否位于尖角、加工痕迹、夹杂物、碳化物聚集区或磨削沟槽处。裂纹从表面开始并向内部扩展，与从内部夹杂物或带状碳化物区域开始的裂纹，需要采取不同的应对措施。

裂纹可能在淬火过程中、磨削后或服役期间产生。淬火裂纹通常沿尖角、截面突变处、孔洞或冷却不均匀的区域扩展。其成因可能包括热梯度过大、相变应力过高，或奥氏体化条件导致奥氏体晶粒过于粗大。应检查热处理记录中的炉温、保温时间、保护气氛、淬火介质、搅拌情况、转移延迟时间以及淬火后的立即回火情况。

磨削裂纹较浅且紧闭，通常与磨削方向平行。磁粉检测可以揭示这类裂纹，而金相检验可能显示出再回火层或过回火层，以及表面下方的拉伸残余应力。砂轮压力过大、砂轮变钝、冷却液不足，或每道次去除的材料过多，都可能造成在工具受载前一直不可见的损伤。疲劳裂纹通常从此类应力集中处开始，并在反复循环下扩展，即使每次单独的载荷都低于一次性断裂强度。

热疲劳裂纹、咬合和尺寸失效

热疲劳裂纹是工作表面反复受热和冷却所造成的细密裂纹网络。这种现象常见于热作模具，因为表面在与高温坯料接触时膨胀，在冷却时收缩。热循环、陡峭的温度梯度、预热不足、冷却控制不良，以及粗糙或受损的表面，都会增加裂纹扩展的驱动力。应将裂纹网络与模具温度、喷淋模式、冷却通道位置和接触区域进行对照绘图。金相检验可以确定裂纹是否仅限于表面，还是已经与更深处的缺陷连通。

表面状态通常决定热疲劳裂纹发展的速度。磨削痕迹、EDM 重熔层、脱碳区域、涂层缺陷和尖锐的加工过渡部位，都可能充当裂纹起点。表面光滑并不一定安全：磨削烧伤可能在外观可接受的表面下方留下具有拉伸应力的软化层。硬度梯度测量、腐蚀检验以及对残余应力敏感的检测方法，有助于将热疲劳与普通磨粒磨损区分开来。

咬合属于黏着损伤。工具与工件之间的局部焊合会造成材料转移、表面撕裂，并可能形成凸脊，随后加速磨损或导致突然的划伤。调查应检查润滑剂失效、接触压力、滑动距离、表面粗糙度、工件清洁度和工具硬度。化学相容的表面处理或涂层可能有所帮助，但无法弥补对中不良、间隙不足或基体软化的问题。

尺寸失效包括模具间隙损失、冲头缩短、型腔扩大、翘曲，以及热处理过程中发生不可接受的尺寸变化。应将失效工具与其图纸进行对照测量，并检查截面两侧的对称性。变形可能源于残余奥氏体在服役期间发生转变、硬化前加工不均匀、淬火不均匀、碳化物偏析或去应力不足。Routledge 出版的 Tool Steels: Properties and Performance（2021）正因如此，将成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层视为相互关联的变量。

有用的结论并不是认为某个 AISI 系列应当取代另一个系列。Uddeholm 的冷作工具选材指南强调，应围绕钢材与应用的匹配关系进行选材，并尽量降低每个成品零件的成本；从技术角度看，这意味着要控制整个生命周期内的失效，而不是追逐某个牌号标签。正确的诊断应确定失效机制，以物理证据加以验证，然后改变相关变量：钢材组织、几何形状、热处理、表面状态、工艺温度、润滑条件或加载方式。

没有普遍“最佳”牌号时的实用选择方法

工具钢牌号的选择应从服役问题反向确定，而不应先从字母牌号出发。ASM International 将工具钢定义为“用于制造切削、成形或加工制造零件的工具的钢”（2024）。这一定义描述的是功能，而不是等级排序。AISI 的 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T 系列，按照淬火方法、主要用途或主要合金体系等特征对钢材进行分类。字母本身不能预测使用寿命。

ASTM A681 为锻制合金工具钢产品提供标准框架，包括通常加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、钢带、棒料、钢丝和锻件。其范围涵盖化学、机械和物理要求，但符合标准的化学分析仅仅是起点。碳化物的尺寸和分布、偏析、洁净度、锻造或轧制历史、热处理、截面尺寸、磨削损伤以及表面状态，都可能改变工具工作表面的实际表现。

明确定载荷、温度和接触条件

首先描述工件及其实际接触状态。“冷成形”这一说法还不够具体。应记录工件是低碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金、镍合金、粉末压坯、玻璃纤维增强聚合物还是其他材料；其硬度、强度、延性、氧化皮、涂层以及任何磨粒夹杂物，可能比其名义产品名称更为重要。

然后确定机械载荷。承受短时高能冲击的冲头，与承受稳定压缩载荷的凹模所面临的问题不同。应记录接触压力、加载频率、行程速度、对中情况、无支撑长度，以及圆角、孔、转角和镶件处的应力集中。工具即使具有很高的抗压强度，也可能在缺口、错位或薄截面使载荷转化为弯曲应力或拉应力时发生失效。

还需要准确描述接触运动。主要作用是切削、压入、挤压、滑动、滚动，还是反复冲击？与洁净聚合物之间的滑动，可能产生不同于与氧化皮或碳化物颗粒之间滑动的磨损机制。磨粒磨损可能有利于采用硬质碳化物相较多的组织，而黏着磨损则可能主要受表面化学性质、表面光洁度、润滑和工件材料转移的控制。粗大的初生碳化物可以提高对某些磨粒磨损机制的抵抗能力，但当工具受到冲击或弯曲时，也可能成为裂纹萌生位置。

温度必须同时包括平均值和峰值。热作工具会经历热循环、氧化、热疲劳龟裂以及硬度损失，而名义上的冷作工具也可能在切削刃或高速滑动接触处发生局部升温。应记录升温和冷却速率、停留时间、冷却液化学性质以及每班循环次数。生产循环同样重要，因为能够经受短期试验的工具，可能在数千次热循环或冲击循环后失效。

最后，确定尺寸限制。允许的变形量可能决定细长冲头采用油淬硬化牌号是否可行，也可能决定采用空冷硬化工艺时是否需要特殊装夹和加工余量。表面光洁度、刃口锋利度、抛光方向和磨削工艺都应写入技术规范，而不应事后才考虑。维护限制也需要纳入整体评估：工具能否拆下进行去应力处理、重新涂层、重新研磨或局部更换，以及可接受的停机时间是多少？

对失效模式和可容忍风险进行排序

在确定牌号之前，先列出可能的失效模式。典型类别包括整体断裂、崩刃、塑性变形、磨粒磨损、黏着磨损、咬合、热软化、热疲劳龟裂、腐蚀、变形以及刃口几何形状丧失。应根据其对生产的影响和发生概率进行排序。崩刃的冲头可能污染零件并立即导致生产线停机；如果检查能够在尺寸逐渐偏移之前发现，渐进式侧面磨损则可能是可以接受的。

这种排序可以避免一个常见错误：当韧性才是造成实际损失的主要因素时，却一味追求硬度或碳化物含量最大化。在冲击和刃口崩裂占主导地位的场合，S 系列抗冲击钢可能是合理选择。D 系列高碳高铬钢可能适用于严苛冷作磨损，但必须同时考虑其碳化物组织和韧性。O 系列油淬硬化钢可为某些凹模和夹具提供有用的平衡，而 A 系列空冷硬化钢则可能在适用截面中减少淬火变形。W 系列水淬硬化钢、L 系列低合金钢和 H 系列热作钢分别适用于不同的服役领域；它们并不是一条通用的性能等级阶梯。

对于较高速度下的切削，M 系列钼系高速钢和 T 系列钨系高速钢应根据热硬性、刃口保持性、韧性和磨削响应进行评估，而不能仅凭字母判断。S、H、D 系列钢和高速钢都可能用于工具制造，但决定性变量仍然是在既定接触条件和温度下的失效机制。

应区分可容忍损伤与不可接受损伤。如果工具允许磨损至某一可测量限值，应规定该限值和检查间隔。如果任何裂纹都不可接受，则应优先采用断裂容限更高的设计和材料工艺路线，即使这会牺牲一部分耐磨性。风险还包括隐蔽损伤：磨削造成的次表面裂纹、脱碳刃口、残余奥氏体、粗大碳化物以及热处理变形，都可能在服役前保持不可见状态。

通过热处理和服役证据进行验证

缩小牌号系列范围后，应验证完整的热处理工艺路线。奥氏体化温度、预热、保温时间、淬火介质、淬火压力、回火温度、回火次数、在有充分依据时采用的深冷处理，以及去应力处理，都应与实际截面尺寸和炉体能力相匹配。同一名义牌号在截面尺寸或淬火强度发生变化时，可能产生不同的硬度、残余奥氏体含量、韧性和尺寸变化。

热处理应优先关注。2020 年发表于 Coatings 的一项研究指出，在所研究的涂层体系中，热处理参数是控制工具芯部性能的首要因素。成分和制造工艺决定潜在性能及缺陷分布；热处理则决定这些潜能有多少能够转化为可用组织。在适当情况下，应沿截面测量硬度，检查脱碳情况，在处理前后核对尺寸，并在失效风险需要时检验碳化物或断口。

表面工程必须与芯部性能相匹配。抛光、珩磨、渗氮、镀层以及物理或化学气相沉积可以改变摩擦、黏附和磨损，但涂层无法修复强度不足的基体，也无法弥补不合适的碳化物组织。应确认基体硬度、回火稳定性、涂层温度、刃口半径、表面粗糙度、结合力以及涂层后的任何磨削工序。Routledge 于 2021 年出版的 Tool Steels: Properties and Performance 正是基于这一原因，从成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层等方面讨论工具钢性能。

应使用服役证据，而不是目录中的宣传性声明。应比较采用相同工件、接触条件、循环、几何形状的工具所记录的使用寿命、失效照片、检查记录、零件尺寸和维护间隔。NBS Monograph 88 对历史术语和基础钢铁冶金仍具有参考价值；ASTM、AISI、ASM International、MDPI 和 Uddeholm 则分别提供互补的标准、分类、研究和应用指导。

工具经济性应按每个制成零件的全生命周期成本进行评估，而不是按采购价格或最大硬度进行评估。 Strong evidence

经济性评估应以整个使用寿命期间每个成品的成本为依据。应计入机加工、热处理、涂层、刃口修磨、更换、报废零件、停机以及安全失效限值等成本。Uddeholm 2024 年的冷作工具指导文件指出，工具经济性取决于使钢材与应用相匹配，其目标是将每个成品的成本降至最低。这一原则是工程比较，而不是对采购价格、库存情况或供应商性能的判断。

历史与技术参考框架

作为技术简写的 AISI 分类

工具钢命名法之所以有用，是因为它能将大量冶金信息压缩在一个简短的牌号中；但其中的字母并不是一种普适的等级排名。AISI 体系将主要钢种系列划分为 W、L、S、O、A、D、H、M 和 T。ASM International 将工具钢描述为用于制造切削、成形或加工制成品的工具的钢材；该牌号体系有助于识别与这些功能相对应的材料大类。

这些字母通常表示淬火方法、主要用途或主导合金体系。W 类为水淬钢。L 类为低合金工具钢，S 类为耐冲击工具钢。O 表示油淬冷作工具钢；A 表示空冷钢；D 表示高碳高铬冷作工具钢。H 类涵盖热作工具钢。M 和 T 分别表示钼系高速钢和钨系高速钢。

这种简写并不能说明完整的工程特性。AISI O1 和 AISI D2 都与冷作模具相关，但两者的碳、铬含量以及碳化物组成会导致其在淬硬、回火、耐磨性、崩刃和尺寸变化方面表现不同。AISI S7 可能能够承受足以使更偏重耐磨性的钢种发生断裂的冲击，而高速钢则可能在足以使更简单的碳素工具钢软化的温度下保持切削硬度。这些现象都不能说明某一钢种系列在所有情况下都更优越。

化学成分决定的是潜力，而不是最终性能。碳可提供马氏体硬度，并与合金元素结合形成碳化物。铬、钼、钨和钒会影响淬透性、二次硬化、热硬性和耐磨性；在某些成分体系中，镍和锰会影响淬透性与韧性。碳化物的含量、类型、尺寸、间距和分布，与名义化学成分范围同样重要。粗大或分布不良的碳化物虽然有助于提高抗磨粒磨损能力，却可能增加裂纹敏感性并降低刃口韧性。

制造工艺路线又增加了一个变量。在相同的宽泛钢种牌号下，传统轧制加工、电渣重熔、粉末冶金、锻造工艺和退火历史可能形成不同的碳化物组织与缺陷群体。因此，一个牌号所标识的是成分系列和预期的加工范围，而不能取代显微组织检查或热处理记录。

ASTM A681 为轧制合金工具钢产品提供了标准框架。ASTM International 在其 2024 年说明中指出，ASTM A681 涵盖轧制合金工具钢产品的化学、机械和物理要求，包括通常加工成工具、模具或夹具的棒材、钢板、薄板、带材、圆钢、钢丝和锻件。其语言属于规范性语言：规定要求和验收界限。它并不用于预测使用寿命，也不按照产出、韧性或工具寿命对 AISI 钢种系列进行排名。

NBS 专著 88 与联邦冶金参考文献

NBS 专著 88 属于联邦技术文献的一部分，这类文献曾帮助确立工具钢和钢铁冶金领域的一致术语。美国国家标准局（现为美国国家标准与技术研究院）编写此类参考资料，是为了以实验室、设计人员和制造组织能够使用的形式，将成分、相变、热处理和实测性能联系起来。如今，它的价值在于历史和技术意义，而非宣传意义。

当需要将现代牌号与早期文献对照阅读时，NBS 专著 88 之类的参考资料尤其有用。淬透性、临界温度、球化退火、残余奥氏体、二次硬化、回火脆性和脱碳等术语，都具有特定的冶金含义。不应将它们视为硬度的可互换表述。例如，淬透性涉及在特定冷却条件下马氏体转变的深度和分布；它与可达到的最大硬度并不是同一种性能。

这份联邦参考资料还为理解热处理为何会以不同方式改变同一名义牌号的钢材提供了基础。奥氏体化温度控制碳化物的溶解，以及奥氏体中可获得的碳和合金元素含量。冷却速率控制转变产物和残余奥氏体。回火会改变马氏体、释放应力，并且在含钼、钨、钒或铬的合金体系中可能产生二次硬化。温度过高、保温不足、脱碳、淬火裂纹和变形，都可能使工具偏离预期的性能范围。

不过，阅读历史参考资料时仍必须保持批判性。炉温控制、洁净度、重熔工艺、粉末加工、真空热处理和表面工程都已经发生变化。因此，某一钢种的历史描述在原理上可能仍然正确，但未必能够描述当前采用不同工艺路线制造的产品中的碳化物尺寸、夹杂物群体或涂层界面。

ASM、ASTM 与现代性能文献

ASM International 在参考资料体系中承担着多种不同职能。ASM Handbook 中的条目通常围绕成分、加工、显微组织、性能、测试和应用，对公认的工程知识进行系统整理。ASM 的专著则可能对某一较窄主题展开更深入的论述，并且经常将多个钢种或工艺路线中的机理联系起来。这两种形式都不应与 ASTM A681 混淆。ASM 负责解释和阐释；ASTM 负责规定规范。

Maricopa Community Colleges 发布的 2024 年工具钢材料等冶金教育概要，有助于学习 AISI 字母所体现的逻辑。它们正确地将这些字母识别为淬火方法、主要用途或主导合金体系的标志。不过，其简要形式不能取代现行 ASTM 标准以及生产商资料中的成分限值、产品要求、热处理建议或补充要求。

现代性能文献又增加了一个层面。2020 年发表于 MDPI Coatings 的研究指出，在其所研究的涂层体系中，热处理参数是控制工具钢基体性能的首要因素。这一发现很重要，因为涂层无法修复硬化不当的基体、过量的残余奥氏体、粗大的碳化物网络，或容易产生裂纹的热处理状态。涂层附着力、基体硬度、表面制备、残余应力和工作温度必须结合起来考虑。

Routledge 于 2021 年出版的 Tool Steels: Properties and Performance 通过成分、制造工艺、热处理、表面硬化和涂层来讨论钢种性能。这反映了正确的工程分析顺序。Uddeholm 2024 年关于冷作工具的指南提出了相关的使用观点：工具钢的选择应与应用相匹配，并使每个制成零件的成本最低；从技术角度表述，相关指标是在实际失效模式下的全寿命周期性能。

因此，读者应将每一个牌号与 ASTM A681 的现行版本或其他适用标准进行交叉核对，同时核对该确切钢种的热处理指南、预期的碳化物和基体组织，以及预期用途。冲头、丝锥、铰刀、压印工具、刀具刃口、成形模具或热作镶件，可能因磨粒磨损、黏着磨损、塑性变形、热疲劳、崩刃或整体断裂而失效。钢种字母只能缩小初始选择范围。成分、制造工艺路线、热处理、表面状态和失效分析，才决定所选钢材是否适合实际工作。

参考文献

1. [1]Authors not specified in the article. The effect of heat treatment on tool-core performance in a coated system. Coatings, 2020. https://www.mdpi.com/2079-6412/10/3/265