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这类合金元素在钢中，
一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等，是低合金钢中存在的主要碳化物，比渗碳体的硬度高，且稳定。
二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它们具有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好，主要存在于高碳高合金钢中，产生弥散强化，提高钢的强度 、硬度和耐磨性。
（3）其它：如稀土元素，钢号中统一用Re表示。

2．合金元素在钢中的作用
作用机理比较复杂，可归纳以下几个方面：
（1）阻碍晶粒奥氏体晶粒长大，细化晶粒；
（2）提高淬透性 （Co除外）；
（3）提高回火稳定性，防止回火脆性；
（4）提高钢的使用性能，使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能；
（5）提高钢的强韧性。金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的，主要方法有：
 固溶强化，提高强度和硬度；
 细晶强化，提高强韧性；
 位错强化，位错密度增加，提高强度；
 弥散强化（第二相强化），细小均匀的第二相硬质点分布在基体上，阻碍位错移动面强化；
 加工硬化，金属产生塑性变形后位错密度增加，晶料变得细碎，使金属的强度硬度提高。
大多数的合金元素较好利用了上述前四种强化机制。如合金钢淬火时，形成马氏体，马氏体中含较高的位错密度，马氏体的形成分割了A的晶粒，使之细小，马氏体中碳的过饱和产生固溶强化，回火时析出的碳化物颗粒又产生弥散强化，等等。

第三节  结构钢
结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。
一、 工程结构钢
用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢，如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、钻井架、车辆构件等，所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
1． 碳素结构钢
见第四章碳钢的分类、编号及用途。

2． 低合金高强度结构钢
用途：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶 、输油输气管道、压力容器等。
性能特点：强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能 ，可抵抗大气腐蚀。
成分特点：
低碳（<0.2%），保证良好的塑性；
合金元素：以Mn为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ti、V、Nb、Re等，细化晶粒，提高强韧性。

牌号：Q＋数字＋（质量等级符号A、B、C、D、E）
共11个牌号，6个等级，以强度等级分类，如表所示。
热处理工艺特点：一般在热轧空冷状态下使用，必要时经正火处理后使用。正火处理的温度在Ac3+（30～50）℃，使用态组织为（P+F）。
典型牌号及用途：
（1）在Q345较低级别的钢中，16Mn钢具有代表性，是目前我国用量钢多、产量钢大的一种低合金高强度钢。其派生钢种有16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。
（2）对Q420级的15MnVN、14MnVTiRe等，加入了钒、氮起到细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高强韧性，因此强度高于15MnTi。
（3）Q460级的钢种，如14MnMoVBRe，加入钼和微量硼元素，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性，焊接性好，适于制造400～500℃的锅炉、中温高压容器等。
工程结构用钢的发展趋势：
低合金高强度钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，合金元素耗量少，并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视。目前，这类钢发展趋势是：
（a）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，以达到更高的强度。
（b）通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组织。这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。
（c）超低碳化。为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到PPM级，此时必须采用真空冶炼，或真空去气的先进冶炼工艺。

二、 机器结构钢
指用于制造各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，又称机器零件用钢，包括优质碳素结构钢和合金结构钢。
机器零件用钢不但要求钢材具有高的强度、塑性和韧性，良好的疲劳强度和耐磨性；而且还要求具有良好的切削加工性能和热处理工艺性能。机器零件用钢一般都经过热处理后使用。
按用途不同，分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。

1． 渗碳钢
用途：主要作于制作承受交变载荷、很大的接触应力，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。
性能要求：“表硬心韧”。 要求零件表面硬度高、耐磨，心部则具有较高的韧性和足够的强度以承受冲击。一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。
成分：Wc＝0.15—0.25%，保证心部塑韧性；
主加元素Cr、Ni、Mn、B，强化基体，提高淬透性，保证心部强韧性；
微量元素V、Ti、W、Mo，防止渗碳时过热，细化晶粒，提高耐磨性。
分类和典型牌号：                
低淬透性渗碳钢，典型钢种20、20Cr，其水淬临界直径20－35mm，渗碳淬火后，心部强韧性较低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。
中淬透性渗碳钢，典型钢种为20CrMnTi，其油淬临界直径约为25～60mm，主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。
高淬透性渗碳钢，典型钢种为18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，其油淬临界直径>100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。
 常用牌号：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等，通常尺寸小、受力小的零件，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。
热处理特点：
预备热处理，一般是正火，组织为P＋F，目的是调整硬度，改善组织和切削加工性能；
钢终热处理，一般是渗碳后直接淬火＋低温回火。其组织为：
表面组织为“M回＋细小碳化物＋少量Ar”,
心部组织依钢的淬透性及工件尺寸而定，淬透时为低碳M回，未淬透为低碳M回＋F＋P。
应用举例：
下面以应用广泛的20CrMnTi钢为例，分析其热处理工艺规范。
20CrMnTi是中淬透性钢，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。
用20CrMnTi钢制作齿轮的加工工艺路线如下：
下料→锻造→正火→机加工齿形→滲碳，预冷淬火＋低温回火→磨齿。
预备热处理为正火，正火后的组织为（S＋F），其目的是改善锻造组织；调整硬度（170～210HBS）便于机加工。
钢终热处理为滲碳后预冷到875℃直接淬火＋低温回火；预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。钢终热处理后组织由表面到心部为“M回＋细小碳化物＋少量A残→M回+少量A残→低碳M＋F＋P。

2． 调质钢
采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。
应用：用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。
性能要求：具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。
成分特点：
碳含量：中碳Wc：0.25～0.5％，保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。含碳量太低，强度硬度不足；太高，塑性、韧性降低；为达到两者兼顾，取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低，含碳量偏上限；合金调质钢淬透性好，随合金元素的增加，含碳量趋于下限，如30CrMnSi、38CrMoAl。
合金元素：主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅加W、Mo元素，防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。
分类及典型牌号：按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：
①低淬透性调质钢。典型钢种45、40Cr，这类钢的油淬临界直径钢大为30～40mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。
②中淬透性调质钢。典型钢种40CrNi，这类钢的油淬临界直径钢大为40～60mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。
③高淬透性调质钢。典型钢种40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径为60～100mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。
钢种的选择根据零件的工作载荷大小及其尺寸、形状来确定的。载荷大、尺寸大、形状复杂的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。
热处理工艺特点：
（1）预备热处理：采用完全退火或正火（高淬透性的调质钢正火后应再高温回火），其目的是细化晶粒，改善组织；调整硬度，改善切削加工性能。组织（P+F）。

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