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低合金钢及合金钢

根据对钢的工艺性能和使用性能的特定要求，用不同化学元素对钢进行合金化，按钢中化学元素规定含量的界限值，分别把钢称为低合金钢及合金钢。未经合金化的钢则称为非合金钢(见碳钢)。

在钢液中特意加入不同化学元素的过程称为合金化。合金化所用的化学元素称为合金元素。常用的合金元素有10多种，如碳、氮、铝、硼、铬、钴、铜、锰、钼、镍、铌、硅、钛、钨、钒、锆、稀土等。钢合金化的主要目的在于从基体金属铁创造出工艺性能(如铸造性、焊接性、热处理性、切削性、深冲性等)和使用性能(如强度、硬度、韧性、耐热性、耐蚀性、耐磨性或其它性能等)稳定、优良的低合金钢与合金钢。合金元素在钢中的作用规律是钢的合金化原理，它属于物理冶金学(金属学)的范畴。钢的物理冶金学研究钢的成分、组织和性能之间的关系。钢的合金化原理则侧重研究合金元素对构成钢中不同组织的合金相的形成规律的影响，其理论涉及到钢中相转变、钢的淬透性、钢的脆性、钢的化学和物理性能以及钢的强韧化等等。

钢的发展简史出土文物表明，春秋末年和战国初期中国已能制造钢剑，它是从固态还原的铁，再掺碳锻造而成。到汉代以后，又先后创造了炒钢、灌钢等制钢方法。近代炼钢技术是从18世纪中期开始的，1740年，英国用坩埚法首次炼成钢。1821年，法国创制了铬钢，生产刀具。1882年，英国人哈特菲尔德(R.A.Had-field)发明了高锰耐磨钢。1885年，法国创制了耐蚀铬钢。1900年，英国人泰勒(F.w.Taylor)研制成钨高速钢。同期，德国人巴基乌斯(H.w.Bakhius)等首建铁碳相图。1904年，法国人基利(L.Guillet)创制了马氏体、铁素体铬钢和奥氏体铬镍钢。1917～1918年，法国研制了高合金的铬镍钢(含10％～15％铬和20％～40％镍)。1930年，美国人贝茵(E.c.Bain)等创立了TTT曲线(当时称s曲线，见等温转变曲线)；20世纪30年代末开始，由美国人格罗斯曼(M.A.Grossmann)等开创的关于钢的淬透性的研究，以及20世纪20年代末开始的钢中马氏体型相变的研究等，有效地指导了高强度高韧性钢的设计和发展，诸如低合金高强度钢、形变热处理型超强韧钢、低碳马氏体钢、微碳马氏体时效钢、相变诱导塑性钢，以及低碳低合金双相钢等。1955年，全世界钢产量为2.6亿t，1979年达7亿多t。80年代初期，世界主要产钢国家(美国、日本、前苏联)钢产量都超过1亿t，其中合金钢占总产量的百分比也都大于10％(美国高达16％)。中国在80年代中期，低合金钢产量为600多万t，合金钢产量近300万t。90年代中期，中国钢产量连续超过1亿t。

钢的分类钢的分类方法很多，有按化学成分分类、按质量等级分类和按主要特性分类等。

按化学成分分类由于全世界钢的种类繁多，为便于生产、使用和贸易，198l～1982年，国际标准(ISO4948/1和ISO4948/2)按化学成分把钢分作两大类，即非合金钢和合金钢。中国制订的钢分类国家标准(GB/T13304-91)，参照上述国际标准，结合中国的具体国情，将钢分作3大类，即非合金钢、低合金钢和合金钢。上述中国国家标准(GB/T)与国际标准(ISO)中关于钢分类的合金元素规定含量界限值的对比如表所示。其中GB/T还有4点说明。(1)表中“界限值”不是指钢实际成分的界限值，而是指“规定含量”的界限值。“规定含量”是GB确定的代表每个元素用以分类的特征值，即：当规定钢的熔炼分析化学成分最低值或范围时，以最低值作为规定含量；当规定钢的熔炼分析化学成分最高值时，以最高值的0.7倍作为规定含量。特殊情况下，在没有标准、技术条件或订货单规定的化学成分时，按生产厂报出的熔炼分析值作为规定含量；在只有钢的成品分析值时，可按成品分析值作为规定含量，但要考虑化学成分允许偏差的影响，对钢的原来预定类别应准确地予以证明。(2)镧系元素含量，也可为混合稀土元素总含量。(3)当铬、铜、钼、镍4种元素，有其中2种、3种或4种元素同时规定在钢中时，对于低合金钢，应同时考虑这些元素中每种元素的规定含量，以及所有这些元素规定含量的总和，应不大于同时规定在钢中的2种、3种或4种元素每种元素最高界限值总和的70％，即使这些元素中每种元素的规定含量低于规定的最高界限值，该钢也应划为合金钢。(4)上述(3)的原则也适用于铌、钛、钒、锆4种元素。

(1)普通质量低合金钢。普通质量低合金钢指不规定需要特别控制质量要求的供一般用途的低合金钢。这类钢合金元素含量较低(符合GB/T13304-91对低合金钢的化学成分规定含量界限值规定)；不规定热处理；如产品标准或技术条件有规定，其特性值应符合：硫、磷含量最高值≥0.045％；厚度3～16mm钢材的力学性能指标中，抗拉强度最低值≤690MPa，屈服点或屈服强度最低值≤360MPa，伸长率最低值≤26％，20℃时V型缺口纵向标准试样冲击功最低值≤27J，以及弯心直径最低值≥2倍试样厚度；另外，未规定其他质量要求。

普通质量低合金钢主要包括：一般用途低合金结构钢，规定的屈服强度不大于360MPa，低合金钢筋钢，铁道用一般低合金钢，矿用一般低合金钢。

(2)优质低合金钢。优质低合金钢指除普通质量低合金钢和特殊质量低合金钢以外的低合金钢。这类钢在生产过程中需要特别控制质量(例如降低硫、磷含量，控制晶粒度，改善表面质量，增加工艺控制等)，以达到比普通质量低合金钢较好的质量要求(例如良好的抗脆断性能，良好的冷成型性等)，但这类钢的生产控制和质量要求，不如特殊质量低合金钢严格。

优质低合金钢主要包括：可焊接的高强度结构钢，规定的屈服强度大于360MPa，而小于420MPa，锅炉和压力容器用低合金钢，造船用低合金钢，汽车用低合金钢，桥梁用低合金钢，自行车用低合金钢，低合金耐候钢，铁道用低合金钢，矿用低合金钢，输油、输气管线用低合金钢。

(3)特殊质量低合金钢。特殊质量低合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能(特别是严格控制硫、磷等杂质含量和纯洁度)的低合金钢。这类钢应至少符合下列一种条件：(1)规定限甜非金属夹杂物含量和(或)内部材质均匀性，例如钢板的抗层状撕裂性能；(2)规定严格限制磷含量和(或)硫含量最高值，并符合熔炼分析值≤0.020％，成品分析值≤0.025％的规定；(3)规定限制残余元素含量，并符合铜熔炼分析最高含量≤0.10％，钴熔炼分析最高含量≤0.05％，钒熔炼分析最高含量≤0.05％的规定；(4)规定低温(低于-40℃)冲击性能；(5)可焊接的高强度钢，规定厚度不大于16mm的钢材纵向或横向试样的屈服强度最低值≥420MPa；(6)规定钢材进行无损探伤检查和特殊质量控制要求：

特殊质量低合金钢主要包括：核能用低合金钢，保证厚度方向性能低合金钢，铁道用特殊低合金钢，舰船、兵器用特殊低合金钢等。

根据GB/T13304-91的规定合金钢按质量等级共分2类：

(1)优质合金钢。优质合金钢是指在生产过程中需要特别控制质量和性能，但其生产控制和质量要求不如特殊质量合金钢那么严格的合金钢。

优质合金钢主要包括：一般工程结构用合金钢，合金钢筋钢，电工用硅(铝)钢(无磁导率要求)，铁道用合金钢，地质、石油钻探用合金钢，硫、磷含量>0.035％的耐磨钢，硅锰弹簧钢。

(2)特殊质量合金钢。特殊质量合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的合金钢。除优质合金钢以外的所有其他合金钢都属特殊质量合金钢。

特殊质量合金钢主要包括：压力容器用合金钢，经热处理的合金钢筋钢，经热处理的地质、石油钻探用合金钢，合金结构钢，合金弹簧钢，不锈耐酸钢，耐热钢，合金工具钢，高速工具钢，轴承钢，高电阻电热钢，无磁钢，永磁钢。

按主要特性分类低合金钢按主要特性可分为以下几类：(1)可焊接低合金高强度结构钢；(2)低合金耐候钢；(3)低合金钢筋钢；(4)铁道用低合金钢；(5)矿用低合金钢；(6)其他低合金钢。合金钢按主要特性可为以下几类：(1)工程结构用合金钢，包括一般工程结构用合金钢，合金钢筋钢，压力容器用合金钢，地质、石油钻探用钢，高锰耐磨钢；(2)机械结构用合金钢，包括调质处理合金结构钢，表面硬化合金结构钢，冷塑性成型合金结构钢，合金弹簧钢等；(3)不锈、耐蚀和耐热钢，包括不锈钢、耐酸钢、抗氧化钢和热强钢等；(4)工具钢，包括合金工具钢和高速工具钢，合金工具钢又可分为量具刃具用钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢、塑料模具钢等；高速工具钢分为钨钼系高速工具钢、钨系高速工具钢和钴系高速工具钢等；(5)轴承钢，包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、无磁轴承钢等；(6)特殊物理性能钢，包括软磁钢、永磁钢、特殊弹性钢、特殊膨胀钢、高电阻钢、无磁钢等(见精密合金)；(7)其他，如铁道用合金钢等。

钢除了可以按化学成分质量等级和主要特性(如使用性能)分类外，还可为了不同目的，人为规定其他的分类方法。常见的有：(1)按主要合金元素名称(或合金系名称)可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢、钨钼钢等等，这种分类方法比较直观，但只适用于定性区分钢的品种；(2)按钢中合金元素总含量可分为微合金钢(元素含量通常<0.1％)，低合金钢(合金元素总量<3％或5％，这和表1所列区分低合金钢与合金钢时，低合金钢元素含量界限值的涵义有所不同，此为人们粗略区分元素含量高低的称谓)，中合金钢(合金元素总量3％～10％或5％～10％)，高合金钢(合金元素总量>10％)，这种方法是人们约定俗成的分类法；(3)按退火后的金相组织可分为亚共析钢(组织为先共析铁素体加珠光体)、共析钢(珠光体组织)、过共析钢(组织为先共析碳化物加珠光体)和莱氏体钢；(4)按小试样空冷后的金相组织可分为铁素体一珠光体钢(有时简称珠光体型钢)、贝氏体钢、马氏体钢，奥氏体钢、铁素体钢以及奥氏体一铁素体钢或铁素体一奥氏体钢(后者的铁素体体积分数多于奥氏体)。还有其他的分类方法。

钢产品牌号表示方法各国钢产品牌号表示方法不同，大致可分以下4种：(1)用国际元素化学符号代表合金元素名称，钢号的构成是阿拉伯数字+国际元素化学符号+阿拉伯数字(或缺)；前、后数字与化学符号同字号，前面的数字表示平均碳含量，后面数字较直观地表示合金元素平均含量，如中国国家标准；后面数字按规定方法间接表示合金元素平均含量的，如德国、意大利、匈牙利等；(2)用本国文字字母代表合金元素名称，钢号的构成是阿拉伯数字+本国文字字母代号+下标的阿拉伯数字(或缺)，前面数字表示平均碳含量，后面数字较直观地表示合金元素的平均含量，如前苏联钢号；(3)用数字表示钢号，但只表示出钢的部分成分，如美国钢号，钢号的构成是阿拉伯字母的某学会标准缩写+阿拉伯数字(4位、3位、2位或1位)，或单一的阿拉伯数字，如用4位数字表示时，前2位表示规定的钢类，后2位表示万分率的平均碳含量；(4)用拉丁字母和顺序号或表示抗拉强度的数字组成钢号，而不直接标明化学成分，如英国和日本的钢号。

中国钢铁产品牌号表示方法(GB221-63)原则是钢中元素用国际化学元素符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音缩写或汉字表示。

(1)低合金钢、合金结构钢和合金弹簧钢。碳含量用万分率表示其平均含量，写在钢号的最前面，例如有两种钢，平均碳含量分别为0.15％和0.40％，则钢号中碳含量-项分别写作15和40，余类推。钢中主要合金元素含量的表示方法规定为：当某元素的平均含量<1.5％时，只在钢号中(写在表示碳含量的数字之后)标注该元素的化学符号(或者写汉字)；当元素的平均含量≥1.5％、2.5％、3.5％…时，则在元素化学符号的后面分别加写和元素化学符号同样字号的2、3、4…等数字。钢中起特殊作用的元素，通常虽其含量很少(如铌、硼、稀土元素等)，也同样标注元素的化学符号，-般都标在主要元素之后。此外，所有特殊质量的低合金钢和合金钢，都在钢号的末尾加注“A”字或“高”字。上述规定举例如16Mn、16MnCu、15MnB、40Cr、60Si2Mn、40CrNiMoA、20Cr2Ni4A等。

(2)合金工具钢。当钢中平均碳含量>1.0％时，钢号中不标示碳含量；当碳含量<1.0％时，则规定用千分率表示，写在钢号的最前面。钢中合金元素的表示方法基本上与合金结构钢相同；只是平均铬含量<1％的工具钢，其铬含量用干分率表示，并在用千分率表示的数字前加“0”(零)，写在铬元素符号之后。上述规定举例如CrwMn、Cr12MoV、9CrSi、9Mn2V、Cr06等。

(3)高速工具钢。碳含量-般不在钢号中表示，个别情况下，如钢中碳含量>1％，或者合金元素含量相同、碳含量不同的-组钢，为区别起见，有时也用万分率表示碳含量。主要合金元素的平均含量(单元素)直接用百分率写在各元素化学符号之后。特殊合金元素(-般含量较少)只标注元素的化学符号。上述有关规定举例如W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、95W18Cr4v、100W18Cr4V等。

(4)滚动轴承钢。钢号的最前面标准用途缩写“G”或“滚”。钢中碳含量不标示。高碳铬轴承钢中平均铬含量用千分率表示。渗碳轴承钢合金元素含量表示方法与合金结构钢相同。不锈、高温轴承钢合金元素含量，直接用百分率写在元素化学符号之后。上述有关规定举例如GCr15(或滚铬15)、GCr15SiMn、G20Cr2Ni4等。

(5)不锈钢和耐热钢。这两类钢碳含量大都很低，-般在钢号中不标示。钢中主要合金元素平均含量用百分率表示。氮、钛、铌等按微量特殊元素只标示化学符号。合金元素量相同、碳含量不同的-组钢，则用特定的千分率代号表示碳含量，例如，碳含量分别为≤0.04％、≤0.06％和≤0.12％的“Cr18Ni9Ti”钢，它们的钢号分别写作00Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti。这里的“0”表示低碳，“00”表示超低碳。如果碳含量较高，仍用千分率表示，如9Cr18、4Cr9Si2钢，相应的平均碳含量为0.9％和0.4％。铁素体-珠光体型耐热钢的钢号表示方法与合金结构钢相同。

标准代号中国国家标准代号为GB(汉语拼音缩写)。国际标准协会国际标准代号为ISO。其他主要产钢国家的相应标准为：美国标准，即美国钢铁学会标准AISI和美国汽车工程师学会标准SAE；日本工业标准JIS；前苏联国家标准ГOCT；英国标准BS；德国工业标准DIN；法国标准NF；欧洲标准EuRONORM等。

发展趋势世界主要产钢国家，合金钢发展的趋势是，合金结构钢占钢总产量的比例越来越大；不锈耐酸钢的比例增大；高速钢、合金工具钢和轴承钢的比例相对减少；低合金高强度钢以及淬火、回火超高强度钢的发展速度远远大于其他合金钢的发展。中国于80年代中期，低合金钢发展迅速，在钢总产量中的比重已达13.2％。由于世界范围的合金资源和能源的短缺，要求发展那些消耗合金资源少，能大大节约能源的钢种。例如20世纪50～60年代发展使用的硼钢，60～70年代大量发展的微合金钢和冲压型双相钢(主要是板材)，80年代中期以来发展使用的低碳低合金节能型非冲压双相钢等，都是适应世界资源和能源总情势的产品。

20世纪以来，金属学取得了-系列的重大成就。从宏观到微观，包括合金成分偏析、夹杂物、显微组织、晶体结构和晶体缺陷等各个层次，在有关组织结构的作用及其变化因素诸方面都已积累大量知识，并总结出相应的规律。这些成就推动了冶金生产和技术的发展。在钢的物理冶金学方面，也已确立了大量有关成分-组织结构-性能之间的定量关系和大量的经验、实验数据。特别是20世纪70年代以来，电子计算机应用技术进入了材料科学领域。这就使得钢的合金设计发展到-个新阶段。人们借助于电子计算机，从已有大量的有关成分-组织结构-性能之间的定量关系，可以直接由成分预报性能，或者反过来，由性能的要求来规定优化的成分。这二者当中关键的-环当是通过相应工艺改变合金的组织结构。例如，低合金钢强度、韧性、焊接性的设计和估价，钢的淬透性的计算、优化以及合金相图的计算(特别是多元相图的计算)等，已得到有成效的运用。可以认为，20世纪中、后期人类已进入按使用要求创制性能更好的金属材料的时代。随着工业生产设备和工艺的不断改进，人们将会生产出更加纯净、更加匀质、更多规格的钢材。