对于要求高强度、高淬透性、高耐磨性或特殊性能要求的零件，非合金钢是不能满足要求的，因此，必须选用低合金钢和合金钢。低合金钢和合金钢中加入的合金元素主要有硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、钴（Co）、铝（Al）、硼（B）及稀土元素（RE）等。通常钢中加入合金元素都能提高钢的强度、硬度、耐磨性、耐回火性。合金元素对钢的有利作用，主要是通过热处理发挥出来的，因此，合金钢大多在热处理状态下使用。

稀土是镧、铈、镨、钕、铕、钇等17种金属的总称。稀土可以显著地提高耐热钢、不锈钢、工具钢、磁性材料、超导材料、铸铁等的使用性能，所以，材料专家称稀土是金属材料的“维生素”和“味精”，是制造高精度传感器的重要元素。

1.低合金钢和合金钢的分类

（1）低合金钢的分类。低合金钢是指合金元素的种类和含量低于国家标准规定范围的钢。低合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性划分的。

①按主要质量等级分类。低合金钢按其主要质量等级进行分类，可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢三大类（见表3-5）。

表3-5　普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢的定义和种类

②按主要性能及使用特性分类。低合金钢按其主要性能及使用特性进行分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢。

（2）合金钢的分类。合金钢是指合金元素的种类和含量高于国家标准规定范围的钢。合金钢是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。

①按主要质量等级分类。合金钢按其主要质量等级进行分类，可分为优质合金钢和特殊质量合金钢两大类（见表3-6）。

表3-6　优质合金钢和特殊质量合金钢的定义和种类

②按主要性能及使用特性分类。合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结构用合金钢，如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等；机械结构用合金钢，如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等；不锈、耐蚀和耐热钢，如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等；工具钢，如合金工具钢、高速工具钢；轴承钢，如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢以及特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢和合金等；其他，如铁道用合金钢等。

2.低合金钢和合金钢的牌号

（1）低合金高强度结构钢的牌号。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）等3部分按顺序组成。例如，Q460E表示屈服强度≥460MPa，质量等级为E级的低合金高强度结构钢。如果是专用结构钢，一般则在低合金高强度结构钢牌号表示方法的基础上附加钢产品的用途符号，如Q345HP表示焊接气瓶用钢等。

（2）合金结构钢（包括部分低合金结构钢）的牌号。合金结构钢的牌号是按照合金结构钢中碳的质量分数及所含合金元素的种类（元素符号）和其质量分数来编制的。牌号的首部是表示钢中平均碳的质量分数的数字，表示钢中平均碳的质量分数的万分之几。当合金钢中某种合金元素（Me）的平均质量分数wMe＜1.5%时，牌号中仅标出合金元素符号，不标明其含量；当1.5%≤wMe＜2.49%时，在该元素后面相应地用整数“2”表示其平均质量分数；当2.5%≤wMe＜3.49%时，在该元素后面相应地用整数“3”表示其平均质量分数，以此类推。例如，60Si2Mn表示wC=0.60%、wSi=2%、wMn＜1.5%的合金结构钢；09Mn2表示wC=0.09%、wMn=2%的合金结构钢。如果钢中含有微量的钒、钛、铝、硼、稀土等合金元素时，即使含量很少，仍然需要在钢中标出合金元素的符号，如20MnVB钢、40B钢、40MnVB钢、25MnTiBRE钢等。如果合金结构钢是高级优质钢，则在钢牌号后面加“A”，如60Si2MnA；如果合金结构钢是特级优质钢，则在钢的牌号后面加“E”。

（3）合金工具钢和高速钢的牌号。合金工具钢和高速钢的牌号表示方法基本上与合金结构钢类似。当合金工具钢中wC＜1.0%时，牌号前的“数字”以千分之几（一位数）表示其碳的质量分数；当合金工具钢中wC≥1%时，为了避免与合金结构钢相混淆，牌号前不标出碳的质量分数的数字。例如，9Mn2V表示wC=0.9%、wMn=2%、wV＜1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中wC≥1.0%、wCr＜1.5%、wW＜1.5%、wMn＜1.5%的合金工具钢；高速钢的wC=0.7%～1.5%，一般在高速钢的牌号中不标出碳的质量分数值，如W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢等。

（4）高碳铬轴承钢的牌号。对于高碳铬轴承钢来说，其牌号前面冠以汉语拼音首字母“G”，其后是铬元素符号Cr，铬的质量分数以千分之几表示，其余合金元素含量及其表示方法均与合金结构钢牌号中的规定相同，如GCr4钢、GCr15钢、GCr15SiMn钢等。

（5）不锈钢和耐热钢的牌号。根据GB/T 20878—2007的规定，不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，当wC≥0.04%时，推荐取两位小数，如10Cr17Mn9Ni4N钢；当wC≤0.03%时，推荐取3位小数，如022Cr17Ni7N钢。

3.低合金钢的用途

低合金钢主要包括低合金高强度结构钢、低合金耐候钢和低合金专业用钢等。此类钢具有良好的焊接性，大多数在热轧或正火状态下使用。

（1）低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢的合金元素是以锰、钒、钛、铝、铌等元素为主。与非合金钢相比，低合金高强度结构钢具有较高的强度、韧性、耐腐蚀性及良好的焊接性，而且其价格与非合金钢接近。低合金高强度结构钢广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、建筑等。根据GB/T 1591—2008，常用牌号有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等。

（2）低合金耐候钢。耐候钢是指耐大气腐蚀钢。我国目前使用的耐候钢分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两大类。焊接结构用耐候钢的牌号由“Q+数字+NH”组成。其中“Q”是“屈”字汉语拼音的首字母，数字表示钢的最低屈服强度数值，字母“NH”是“耐候”两字汉语拼音的首字母，牌号后缀质量等级代号（C、D、E），如Q355NHC表示屈服强度大于355MPa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。焊接结构用耐候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。

高耐候性结构钢包括铜磷钢和铜磷铬镍钢两大类。高耐候性结构钢的牌号由“Q+数字+GNH”组成。“GNH”表示“高耐候”三字汉语拼音的首字母。含Cr、Ni元素较高的高耐候性结构钢在其牌号后面后缀字母“L”，如Q345GNHL钢。高耐候性结构钢适用于机车车辆、建筑、塔架（见图3-8）和其他要求高耐候性的钢结构，并可根据不同需要制成螺栓连接、铆接和焊接结构件。

图3-8　塔架

（3）低合金专业用钢。低合金专业用钢包括锅炉用钢、压力容器用钢、船舶用钢、桥梁用钢、汽车用钢、铁道用钢、自行车用钢、矿山用钢、工程建设混凝土及预应力用钢和建筑结构用钢等。例如，汽车大梁用钢370L钢、420L钢、09MnReL钢、16MnL钢等；钢筋混凝土用热处理钢筋（如20MnlSi钢）和预应力混凝土用热处理钢筋（如40Si2Mn钢、48Si2Mn钢、45Si2Cr钢）；用于制作重轨的铁道用低合金钢，如U70Mn钢、U70MnSi钢、U75V钢、U75NbRE钢等；用于制作轻轨的铁道用低合金钢，如45SiMnP钢、50SiMnP钢、36CuCrP钢等；用于制作矿用结构件的矿用低合金钢有高强度圆环链用钢（如20MnV钢、25MnV钢、20MnSiV钢等）和巷道支护用钢（如16MnK钢、20MnVK钢、25MnK钢等）。

4.合金钢的用途

合金钢通常是钢材中冶炼质量最优、强度和硬度较高的钢材，主要用于制造重要的零部件。一般来说，采用合金钢制造的零部件大多数需要经过热处理后才能投入使用。(www.daowen.com)

（1）高锰耐磨钢。耐磨钢是指具有良好耐磨损性能的钢铁材料的总称。耐磨钢出现于19世纪后半叶，英国人哈德菲尔德于1883年首先取得了高锰耐磨钢的专利，至今已有一百多年的历史。高锰耐磨钢的wC=1.0%～1.3%，wMn=11%～14%，其牌号有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4和ZGMn13-5等。高锰耐磨钢的耐磨性在高压应力作用下表现很好，比非合金钢高十几倍，但在低压应力作用下其耐磨性较差。高锰耐磨钢常用于制造拖拉机与坦克的履带板、球磨机衬板、挖掘机铲齿与履带板、破碎机颚板、铁路道岔（见图3-9）、防弹钢板、保险箱钢板等。此外，高锰耐磨钢是无磁性的，也可用于制造既耐磨又抗磁化的零件，如吸料器的电磁铁置等。

图3-9　铁路道岔

（2）机械结构用合金钢。机械结构用合金钢主要用于制造机械零件，如轴、连杆、销、套、齿轮、弹簧、轴承等。此类钢按其用途和热处理特点进行分类，可分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和超高强度钢等。

①合金渗碳钢。合金渗碳钢是指用于制造渗碳零件的合金钢。合金渗碳钢的wC=0.10%～0.25%，主要加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、B、W、Mo、V、Ti等。

②合金调质钢。合金调质钢是在中碳钢的基础上加入一种或数种合金元素，以提高钢的淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的钢。合金调质钢的wC=0.25%～0.50%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、B、Mo等。

③合金弹簧钢。合金弹簧钢是用于制造截面尺寸较大、屈服强度较高的弹簧钢。合金弹簧钢的wC=0.45%～0.70%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V、Mo、W、B等。

④超高强度钢。超高强度钢一般是指ReL＞1 370MPa、Rm＞1 500MPa的特殊质量合金结构钢。超高强度钢主要用于航空和航天工业，如35Si2MnMoVA钢其抗拉强度可达1 700MPa，用于制造飞机的起落架、框架、发动机曲轴等；40SiMnCrWMoRE钢在300～500℃工作时仍能保持高强度、抗氧化性和抗热疲劳性，用于制造超音速飞机的机体构件。

（3）高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢主要用于制造滚动轴承（见图3-10）的滚动体和内圈、外圈，也可用于制作量具、模具、低合金刃具等。这些零件都要求钢具有均匀的组织、高硬度、高耐磨性、高耐压强度和高疲劳强度等。高碳铬轴承钢的wC=0.95%～1.10%，钢中wCr=0.4%～1.65%，这样设计高碳铬轴承钢的化学成分是为了保证钢获得高淬透性，并使碳化物呈均匀而细小的状态，以提高钢的耐磨性。对于大型滚动轴承，还需在钢中加入Si、Mn等合金元素，以进一步提高钢的淬透性。最常用的高碳铬轴承钢是GCr15。

（4）合金工具钢。合金工具钢是指用于制造量具、刃具、耐冲击工具、模具等的钢种。合金工具钢的牌号较多，在加入的合金元素种类、数量以及碳的质量分数方面存在较大的差异，因此，其性能和用途也各有不同。

图3-10　滚动轴承

①制作量具及刃具用的合金工具钢。此类合金工具钢主要用于制造金属切削刀具（刃具）、量具和冷冲模等。常用的制作量具及刃具用的合金工具钢主要有9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V钢等。它们主要用来制造淬火变形小、精度高的低速切削工具、冷冲模、量具和耐磨零件等，如9SiCr钢、CrWMn钢常用于制作冷剪切刀、板牙、丝锥（见图3-11）、铰刀、搓丝板、拉刀、圆锯等零件。

②制作耐冲击工具的合金工具钢。耐冲击工具主要是指风镐钎（见图3-12）、錾、冲裁切边复合模、金属冷剪刀片、铆钉冲头、冲孔冲头及小型热作模具等。此类工具不仅要求高硬度和高耐磨性，而且还要求有良好的冲击韧性，一般需要经过淬火加中温回火后使用。常用的制作耐冲击工具的合金工具钢主要有4CrW2Si钢、5CrW2Si钢、6CrW2Si钢等。

图3-11　丝锥

图3-12　风镐钎

③制作冷作模具的合金工具钢（或冷作模具钢）。冷作模具主要是指冷冲模（见图3-13）、拉丝模、搓丝板、冷挤压模等。常用的制作冷作模具的合金工具钢主要有Cr12MoV钢、Cr12钢、CrWMn钢、9CrWMn钢等。冷作模具要求高硬度和高耐磨性，还要求有一定的冲击韧性和抗疲劳性。制作冷作模具的合金工具钢的碳的质量分数较高，wC=0.95%～2.0%，主要加入的合金元素有Cr、Mo、W、V等，这样设计钢的化学成分的目的是保证钢材获得高硬度和高耐磨性。制作冷作模具的合金工具钢一般需要淬火加低温回火后使用，而且热处理后变形小。

④制作热作模具用的合金工具钢（或冷作模具钢）。热作模具主要是指热锻模、压铸模、热挤压模、精锻模、非铁金属成形模等。热作模具要求高强度、较好的韧性和耐磨性，还要求有较高的抗热疲劳性能。制作热作模具的合金工具钢的碳的质量分数wC=0.3%～0.6%，主要加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si等。

⑤高速工具钢（简称高速钢）。高速工具钢是指用于制作中速或高速切削工具（车刀、铣刀、麻花钻头、齿轮刀具、拉刀等）的高碳合金钢。高速工具钢的wC=0.7%～1.65%，主要加入的合金元素有W、Mo、Cr、V、Co等，合金元素的质量分数达10%～25%。这样设计钢的化学成分的目的是形成大量的碳化物，提高钢的耐磨性和热硬性。热硬性是指钢能够在600℃以下保持高硬度和高耐磨性的能力。

图3-13　冷冲模

（5）不锈钢。不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬的质量分数至少为10.5%，碳的质量分数最大不超过1.2%的钢。不锈钢化学成分的主要特点是铬和镍的质量分数较高，这样可以使不锈钢中的铬元素在氧化性介质中形成一层致密的具有保护作用的Cr2O3薄膜，覆盖住整个不锈钢表面，防止不锈钢被不断地氧化和腐蚀。不锈钢最突出的性能是良好的耐蚀性，其次是具有良好的力学性能以及良好的冷、热加工和焊接工艺性能。

不锈钢按其使用时的组织特征进行分类，可分为奥氏体型不锈钢（如12Cr18Ni9钢、06Cr19Ni10钢、022Cr17NiTN等）、铁素体型不锈钢（如10Cr17钢、008Cr30Mo2钢等）、马氏体型不锈钢（如12Cr13钢、06Cr11Ti、68Cr17钢等）、奥氏体-铁素体型不锈钢（如022Cr19Ni5Mo3Si2N钢、14Cr18Ni11Si4A1Ti钢等）和沉淀硬化型不锈钢（如05Cr17Ni4Cu4Nb钢、07Cr15Ni7Mo2A1钢）5类。不锈钢主要用于制作建筑装饰品、电器、医疗器械、食品设备、化工设备、耐腐蚀部件（如轴、弹簧、容器、刃具、量具、滚珠轴承）等。

（6）耐热钢。在航空、航天、火力发电设备、发动机、化工、冶金等多个领域中，许多零部件是在高温下工作的，要求其具有良好的耐热性。耐热性是金属材料在高温下具有抗氧化性（热稳定性）和高温热强性（蠕变强度）两个方面。高温抗氧化性是指金属材料在高温下对氧化作用的抗力；热强性是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温强度。

耐热钢是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。耐热钢分为抗氧化钢和热强钢。抗氧化钢是指在高温下能够抵抗气体腐蚀而不会使氧化皮剥落的钢，主要用于长期在高温下工作但强度要求较低的零件，如渗碳炉构件、加热炉传送带料盘、燃气轮机的燃烧室等。常用的抗氧化钢种有：26Cr18Mn12Si2N钢、22Cr20Mn10Ni2Si2N钢等。热强钢是指在高温条件下能够抵抗气体腐蚀而又有较高强度的钢。例如，12CrMoV钢、15CrMoV钢、24CrMoV钢可制造在350℃以下工作的锅炉钢管件等；14Cr11MoV钢、158Cr12MoV钢可用于制造540℃以下工作的汽轮机叶片、发动机排气阀、螺栓紧固件等；42Cr9Si2钢可用于制造工作温度不高于800℃的内燃机重载荷排气阀。

（7）特殊物理性能钢。特殊物理性能钢是指在钢的定义范围内具有特殊磁性、电性、弹性、膨胀性等物理特性的钢，包括软磁钢、永（硬）磁钢、无磁钢以及特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢及合金等。

（8）铸造合金钢。铸造合金钢包括一般工程与结构用低合金铸钢、大型低合金铸钢、特殊铸钢3类。一般工程与结构用低合金铸钢的牌号表示方法基本上与铸造非合金钢相同，所不同的是需要在“ZG”后加注字母“D”，如ZGD270-480、ZGD290-510、ZGD345-570等。