隨著科學技術和工業的發展，對材料提出了更高的要求，如更高的強度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損以及其它特殊物理、化學性能的要求，碳鋼已不能完全滿足要求，於是出現了合金鋼板。
合金鋼板碳鋼與合金鋼板的區別
碳鋼的在性能上主要有以下幾方面的不足：
(1)淬透性低一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有10mm-20mm。
(2)強度和屈強比較低如普通碳鋼Q235鋼的σs為235MPa，而低合金結構鋼16Mn的σs則為360MPa以上。40鋼的σs/σb僅為0.43,遠低於合金鋼。
(3)回火穩定性差由於回火穩定性差，碳鋼在進行調質處理時，為了保證較高的強度需採用較低的回火溫度，這樣鋼的韌性就偏低；為了保證較好的韌性，採用高的回火溫度時強度又偏低，所以碳鋼的綜合機械性能水平不高。
(4)不能滿足特殊性能的要求碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。
合金鋼的分類
按合金元素含量多少，分為
低合金鋼（合金元素總量低於5%）、
中合金鋼（合金元素總量為5%-10%）
高合金鋼（合金元素總量高於10%）。
按所含的主要合金元素，分為
鉻鋼（Cr-Fe-C)
鉻鎳鋼（Cr-Ni-Fe-C)
錳鋼（Mn-Fe-C)
矽錳鋼（Si-Mn-Fe-C)
按小試樣正火或鑄態組織，分為
珠光體鋼
馬氏體鋼
鐵素體鋼
奧氏體鋼
萊氏體鋼
按用途分類
合金結構鋼
合金工具鋼
特殊性能鋼
合金鋼的編號
牌號首部用數字標明碳含量。規定結構鋼以萬分之一為單位的數字（兩位數）、工具鋼和特殊性能鋼以千分之一為單位的數字（一位數）來表示碳含量，而工具鋼的碳含量超過1%時，碳含量不標出。在表明碳含量數字之後，用元素的化學符號表明鋼中主要合金元素，含量由其後面的數字標明，平均含量少於1.5%時不標數,平均含量為1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……時,相應地標以2、3……。
合金結構鋼40Cr，平均碳含量為0.40%，主要合金元素Cr的含量在1.5%以下。
合金工具鋼5CrMnMo,平均碳含量為0.5%,主要合金元素Cr、Mn、Mo的含量均在1.5%以下。
專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標明。
如:滾珠軸承鋼,在鋼號前標以“G”。GCr15表示含碳量約1.0%、鉻含量約1.5%(這是一個特例,鉻含量以千分之一為單位的數字表示)的滾珠軸承鋼。
Y40Mn,表示碳含量為0.4%、錳含量少於1.5%的易切削鋼等等。
對於高級優質鋼，則在鋼的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4。
鋼的合金化
在鋼中加入合金元素後，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會發生互動作用。鋼的合金化目的是希望利用合金元素與鐵、碳的相互作用和對鐵碳相圖及對鋼的熱處理的影響來改善鋼的組織和性能。
一、合金元素與鐵、碳的相互作用
合金元素加入鋼中後，主要以三種形式存在鋼中。即：與鐵形成固溶體；與碳形成碳化物；在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。
1.溶於鐵中
幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中,形成合金鐵素體或合金奧氏體,按其對α-Fe或γ-Fe的作用,可將合金元素分為擴大奧氏體相區和縮小奧氏體相區兩大類。
擴大γ相區的元素—亦稱奧氏體穩定化元素,主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等,它們使A3點(γ-Feα-Fe的轉變點)下降,A4點(γ-Fe的轉變點)上升,從而擴大γ-相的存在範圍。其中Ni、Mn等加入到一定量後,可使γ相區擴大到室溫以下,使α相區消失,稱為完全擴大γ相區元素。另外一些元素(如C、N、Cu等),雖然擴大γ相區,但不能擴大到室溫,故稱之為部分擴大γ相區的元素。
縮小γ相區元素——亦稱鐵素體穩定化元素,主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它們使A3點上升,A4點下降(鉻除外,鉻含量小於7%時,A3點下降;大於7%後,A3點迅速上升),從而縮小γ相區存在的範圍,使鐵素體穩定區域擴大。按其作用不同可分為完全封閉γ相區的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)和部分縮小γ相區的元素(如B、Nb、Zr等)。
2.形成碳化物
合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小,可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。
常見非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它們基本上都溶於鐵素體和奧氏體中。常見碳化物形成元素有：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti等(按形成的碳化物的穩定性程度由弱到強的次序排列)，它們在鋼中一部分固溶於基體相中，一部分形成合金滲碳體,含量高時可形成新的合金碳化合物。
二、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響
1.對奧氏體和鐵素體存在範圍的影響
擴大或縮小γ相區的元素均同樣擴大或縮小Fe-Fe3C相圖中的γ相區,且同樣Ni或Mn的含量較多時,可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織(如1Cr18Ni9奧氏體不鏽鋼和ZGMn13高錳鋼等)，而Cr、Ti、Si等超過一定含量時,可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織(如1Cr17Ti高鉻鐵素體不鏽鋼等)。
2.對Fe-Fe3C相圖臨界點(S和E點)的影響
擴大γ相區的元素使Fe-Fe3C相圖中的共析轉變溫度下降,縮小γ相區的元素則使其上升,並都使共析反應在一個溫度範圍內進行。幾乎所有的合金元素都使共析點(S)和共晶點(E)的碳含量降低，即S點和E點左移,強碳化物形成元素的作用尤為強烈。
三、合金元素對鋼熱處理的影響
合金元素的加入會影響鋼在熱處理過程中的組織轉變。
1.合金元素對加熱時相轉變的影響
合金元素影響加熱時奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。
(1)對奧氏體形成速度的影響：Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素與碳的親合力大,形成難溶於奧氏體的合金碳化物,顯著減慢奧氏體形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素,因增大碳的擴散速度,使奧氏體的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。
(2)對奧氏體晶粒大小的影響：大多數合金元素都有阻止奧氏體晶粒長大的作用,但影響程度不同。強烈阻礙晶粒長大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻礙晶粒長大的元素有：W、Mn、Cr等；對晶粒長大影響不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促進晶粒長大的元素：Mn、P等。
2.合金元素對過冷奧氏體分解轉變的影響
除Co外,幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩定性,推遲珠光體類型組織的轉變,使C曲線右移,即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必須指出,加入的合金元素,只有完全溶於奧氏體時,才能提高淬透性。如果未完全溶解,則碳化物會成為珠光體的核心,反而降低鋼的淬透性。另外,兩種或多種合金元素的同時加入(如,鉻錳鋼、鉻鎳鋼等),比單個元素對淬透性的影響要強得多。
除Co、Al外,多數合金元素都使Ms和Mf點下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強,Si實際上無影響。Ms和Mf點的下降,使淬火後鋼中殘餘奧氏體量增多。殘餘奧氏體量過多時,可進行冷處理(冷至Mf點以下),以使其轉變為馬氏體;或進行多次回火,這時殘餘奧氏體因析出合金碳化物會使Ms、Mf點上升,並在冷卻過程中轉變為馬氏體或貝氏體(即發生所謂二次淬火)。
3.合金元素對回火轉變的影響
(1)提高回火穩定性合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘餘奧氏體的轉變(即在較高溫度才開始分解和轉變)，提高鐵素體的再結晶溫度,使碳化物難以聚集長大，因此提高了鋼對回火軟化的抗力,即提高了鋼的回火穩定性。提高回火穩定性作用較強的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。
(2)產生二次硬化一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時,硬度不是隨回火溫度升高而單調降低,而是到某一溫度(約400℃)後反而開始增大,並在另一更高溫度(一般為550℃左右)達到峰值。這是回火過程的二次硬化現象,它與回火析出物的性質有關。當回火溫度低於450℃時,鋼中析出滲碳體;在450℃以上滲碳體溶解,鋼中開始沉澱出彌散穩定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度重新升高,稱為沉澱硬化。回火時冷卻過程中殘餘奧氏體轉變為馬氏體的二次淬火所也可導致二次硬化。
試一試：碳質量分數為0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關係
產生二次硬化效應的合金元素
產生二次硬化的原因合金元素
殘餘奧氏體的轉變沉澱硬化Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co①、VV、Mo、W、Cr、Ni①、Co①
①僅在高含量並有其他合金元素存在時,由於能生成彌散分布的金屬間化合物才有效。
(3)增大回火脆性和碳鋼一樣,合金鋼也產生回火脆性,而且更明顯。這是合金元素的不利影響。在450℃-600℃間發生的第二類回火脆性(高溫回火脆性)主要與某些雜質元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴重偏聚有關,多發生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。這是一種可逆回火脆性,回火後快冷(通常用油冷)可防止其發生。鋼中加入適當Mo或W(0.5%Mo,1%W)也可基本上消除這類脆性。
四、合金元素對鋼的機械性能的影響
提高鋼的強度是加入合金元素的主要目的之一。欲提高強度,就要設法增大位錯運動的阻力。金屬中的強化機制主要有固溶強化、位錯強化、細晶強化、第二相(沉澱和彌散)強化。合金元素的強化作用,正是利用了這些強化機制。
1.對退火狀態下鋼的機械性能的影響
結構鋼在退火狀態下的基本相是鐵素體和碳化物。合金元素溶於鐵素體中,形成合金鐵素體,依靠固溶強化作用,提高強度和硬度,但同時降低塑性和韌性。
2.對退火狀態下鋼的機械性能的影響
由於合金元素的加入降低了共析點的碳含量、使C曲線右移,從而使組織中的珠光體的比例增大,使珠光體層片距離減小,這也使鋼的強度增加,塑性下降。但是在退火狀態下,合金鋼沒有很大的優越性。
由於過冷奧氏體穩定性增大,合金鋼在正火狀態下可得到層片距離更小的珠光體,或貝氏體甚至馬氏體組織,從而強度大為增加。Mn、Cr、Cu的強化作用較大,而Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般結構鋼的實際含量)下影響很小。
3.對淬火、回火狀態下鋼的機械性能的影響
合金元素對淬火、回火狀態下鋼的強化作用最顯著,因為它充分利用了全部的四種強化機制。淬火時形成馬氏體,回火時析出碳化物,造成強烈的第二相強化，同時使韌性大大改善,故獲得馬氏體並對其回火是鋼的最經濟和最有效的綜合強化方法。
合金元素加入鋼中,首要的目的是提高鋼的淬透性,保證在淬火時容易獲得馬氏體。其次是提高鋼的回火穩定性,使馬氏體的保持到較高溫度，使淬火鋼在回火時析出的碳化物更細小、均勻和穩定。這樣,在同樣條件下,合金鋼比碳鋼具有更高的強度。
五、合金元素對鋼的工藝性能的影響
1.合金元素對鋼鑄造性能的影響
固、液相線的溫度愈低和結晶溫區愈窄,其鑄造性能愈好。合金元素對鑄造性能的影響,主要取決於它們對Fe-Fe3C相圖的影響。另外,許多元素,如Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質點,增大鋼的粘度,降低流動性,使鑄造性能惡化。
2.合金元素對鋼塑性加工性能的影響
塑性加工分熱加工和冷加工。合金元素溶入固溶體中,或形成碳化物(如Cr、Mo、W等),都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。
3.合金元素對鋼焊接性能的影響
合金元素都提高鋼的淬透性,促進脆性組織(馬氏體)的形成,使焊接性能變壞。但鋼中含有少量Ti和V,可改善鋼的焊接性能。
4.合金元素對鋼切削性能的影響切削性能與鋼的硬度密切相關,鋼是適合於切削加工的硬度範圍為170HB～230HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。但適當加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切削性能。
5.合金元素對鋼熱處理工藝性能的影響
熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產生缺陷的傾向。主要包括淬透性、過熱敏感性、回火脆化傾向和氧化脫碳傾向等。合金鋼的淬透性高,淬火時可以採用比較緩慢的冷卻方法,可減少工件的變形和開裂傾向。加入錳、矽會增大鋼的過熱敏感性。
合金結構鋼的描述
用於製造重要工程結構和機器零件的鋼種稱為合金結構鋼。主要有低合金結構鋼、合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾珠軸承鋼。
一、低合金結構鋼（亦稱普通低合金鋼、HSLA）
合金鋼板1.用途主要用於製造橋樑、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結構等。
2.性能要求
(1)高強度：一般其的屈服強度在300MPa以上。
(2)高韌性：要求延伸率為15%～20%，室溫衝擊韌性大於600kJ/m～800kJ/m。對於大型焊接構件，還要求有較高的斷裂韌性。
(3)良好的焊接性能和冷成型性能。
(4)低的冷脆轉變溫度。
(5)良好的耐蝕性。
3.成分特點
(1)低碳：由於韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超過0.20%。
(2)加入以錳為主的合金元素。
(3)加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細碳化物或碳氮化物，有利於獲得細小的鐵素體晶粒和提高鋼的強度和韌性。
此外，加入少量銅（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蝕性能。加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材淨化，改善韌性和工藝性能。
4.常用低合金結構鋼
16Mn是我國低合金高強鋼中用量最多、產量最大的鋼種。使用狀態的組織為細晶粒的鐵素體—珠光體，強度比普通碳素結構鋼Q235高約20%～30%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%。
15MnVN中等級彆強度鋼中使用最多的鋼種。強度較高，且韌性、焊接性及低溫韌性也較好，被廣泛用於製造橋樑、鍋爐、船舶等大型結構。
強度級別超過500MPa後，鐵素體和珠光體組織難以滿足要求，於是發展了低碳貝氏體鋼。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利於空冷條件下得到貝氏體組織，使強度更高，塑性、焊接性能也較好，多用於高壓鍋爐、高壓容器等。
5.熱處理特點
這類鋼一般在熱軋空冷狀態下使用，不需要進行專門的熱處理。使用狀態下的顯微組織一般為鐵素體+索氏體。
二、合金滲碳鋼
1.用途主要用於製造汽車、拖拉機中的變速齒輪，內燃機上的凸輪軸、活塞銷等機器零件。這類零件在工作中遭受強烈的摩擦磨損，同時又承受較大的交變載荷，特別是衝擊載荷。
2.性能要求
(1)表面滲碳層硬度高，以保證優異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時具有適當的塑性和韌性。
(2)心部具有高的韌性和足夠高的強度。心部韌性不足時，在衝擊載荷或過載作用下容易斷裂；強度不足時，則較脆的滲碳層易碎裂、剝落。
(3)有良好的熱處理工藝性能在高的滲碳溫度（900℃～950℃）下，奧氏體晶粒不易長大，並有良好的淬透性。
3.成分特點
(1)低碳：碳含量一般為0.10%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性。
(2)加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。
(3)加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素：主要加入少量強碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成穩定的合金碳化物。
4.鋼種及牌號
20Cr低淬透性合金滲碳鋼。這類鋼的淬透性低，心部強度較低。
20CrMnTi中淬透性合金滲碳鋼。這類鋼淬透性較高、過熱敏感性較小，滲碳過渡層比較均勻，具有良好的機械性能和工藝性能。
18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金滲碳鋼。這類鋼含有較多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韌性和低溫衝擊韌性。
5.熱處理和組織性能
合金滲碳鋼的熱處理工藝一般都是滲碳後直接淬火，再低溫回火。熱處理後，表面滲碳層的組織為合金滲碳體+回火馬氏體+少量殘餘奧氏體組織，硬度為60HRC～62HRC。心部組織與鋼的淬透性及零件截面尺寸有關，完全淬透時為低碳回火馬氏體，硬度為40HRC～48HRC；多數情況下是屈氏體、回火馬氏體和少量鐵素體，硬度為25HRC～40HRC。心部韌性一般都高於700KJ/m2。
三、合金調質鋼
1.用途合金調質鋼廣泛用於製造汽車、拖拉機、工具機和其它機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。
2.性能要求調質件大多承受多種工作載荷，受力情況比較複雜，要求高的綜合機械性能，即具有高的強度和良好的塑性、韌性。合金調質鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。
3.成分特點：
(1)中碳：碳含量一般在0.25%～0.50%之間，以0.4%居多；
(2)加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強度。如調質處理後的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多；
(3)加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調質鋼，高溫回火慢冷時易產生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量約為0.15%～0.30%Mo或0.8%～1.2%的W。
45鋼與40Cr鋼調質後性能的對比
鋼號及熱處理狀態截面尺寸/mmsb/MPass/MPad5/%y/%ak/kJ/m2
45鋼850℃水淬,550℃回火f507005001545700
40Cr鋼850℃油淬,570℃回火f50(心部)85067016581000
4.鋼種及牌號
(1)40Cr低淬透性調質鋼：這類鋼的油淬臨界直徑為30mm～40mm，用於製造一般尺寸的重要零件。
(2)35CrMo中淬透性合金調質鋼：這類鋼的油淬臨界直徑為40mm～60mm,加入鉬不僅可提高淬透性，而且可防止第二類回火脆性。
(3)40CrNiMo高淬透性合金調質鋼：這類鋼的油淬臨界直徑為60mm-100mm，多半是鉻鎳鋼。鉻鎳鋼中加入適當的鉬，不但具有好的淬透性，還可消除第二類回火脆性。
5.熱處理和組織性能合金調質鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火（調質處理）。合金調質鋼淬透性較高，一般都用油，淬透性特別大時甚至可以空冷，這能減少熱處理缺陷。
合金調質鋼的最終性能決定於回火溫度。一般採用500℃-650℃回火。通過選擇回火溫度，可以獲得所要求的性能。為防止第二類回火脆性，回火後快冷（水冷或油冷），有利於韌性的提高。
合金調質鋼常規熱處理後的組織是回火索氏體。對於表面要求耐磨的零件（如齒輪、主軸），再進行感應加熱表面淬火及低溫回火，表面組織為回火馬氏體。表面硬度可達55HRC～58HRC。
合金調質鋼淬透調質後的屈服強度約為800MPa,衝擊韌性在800kJ/m2心部硬度可達22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透時，性能顯著降低。
冷彎工藝
【1】由於高強65Mn合金鋼板 所形成的高剛性型鋼具有很大的慣性矩和抗彎模量，特別是由於套用上的要求需要預沖孔後進行冷彎加工生產，會形成材料表面平整度和材料邊緣尺寸上的差異，因此要求對該類高強度結構65Mn合金鋼板的冷彎孔型的設計中需要多加側向定位裝置，合理設計孔型，合理布置軋輥間隙等，確保進入每道孔型的材料不跑偏並儘可能地消除材料表面平整度和材料邊緣尺寸上的差異對後續冷彎成型形狀的影響;另一個突出的特點為：高強度結構鋼板的成型回彈現象較嚴重，回彈會導致出現弧邊，必須依靠過彎來修正，且過彎角比較難掌握，需要在生產調試過程中進行調整修正。【2】需要較多的成型道次。在輥式冷彎成型過程中主要加工過程為彎曲變形，除產品彎曲角局部有輕微減薄外，變形65Mn合金鋼板的厚度在成型過程中假定保持不變;在孔型設計時，要注意合理分配變形量，尤其是在第一道，後面幾道，變形量不易過大。另外可以使用側輥和過彎輥，對型材進行預彎，且使型材斷面的中性線與成品型材的中性線重合，使型材上下所受的力平衡，從而避免縱向彎曲。如果在加工過程中發現縱向彎曲，可根據實際情況增加部分軋輥，尤其注意後面幾道。
其它如使用矯直機進行矯直，變更機架間距，採用托輥，調整各架次的軋輥間隙等措施均可減小或消除縱向彎曲。需要注意的是，通過調整各架次的軋輥間隙來減輕縱向彎曲需要有熟練的技術才行。
【3】輥式冷彎速度的控制，成型輥壓力的調整要合適，儘量減少反覆冷彎彎曲疲勞裂紋，並適當進行潤滑和冷卻，進一步減少熱應力裂紋的產生等，控制彎曲半徑，即彎曲半徑不能太小，否則產品表面易產生裂紋，針對高強65Mn合金鋼板在冷成形冷彎工藝中出現的後延性斷裂現象，為了滿足結構設計要求，建議在滿足65Mn合金鋼板的力學設計要求的前提下最佳化截面形狀，如增加彎角半徑，減小冷彎角或加大截面形狀等方式處理也是一種行之有效的方法。
