结构钢按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要是用于各种工程结构，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢，这类钢冶炼简便、成本低、用量大，一般不进行热处理。而机器用钢大多采用优质碳素结构钢和合金结构钢，它们一般都经过热处理后使用。

一、碳素结构钢

碳素结构钢原称普通碳素结构钢，但88年国家标准修订后，增加了C、D质量等级的优质钢。碳素结构钢含碳量低（0.06～0.38%），硫、磷含量较高。这类钢通常在热轧空冷状态下使用，其塑性高，可焊性好，使用状态下的组织为铁素体加珠光体。碳素结构钢常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。适合于焊接、铆接、栓接等。碳素结构钢的牌号、成分、性能及应用如表6-4所示。

二、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途如表6-5所示。这类钢硫、磷含量较低（均不大于0.035%），力学性能优于（普通）碳素结构钢，多用于制造比较重要的机械零件。

表6-5  优质碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途（GB/T 699—1999）

注：表中拉伸性能除75、80、85三个牌号为820℃淬火加480℃中温回火处理值外，其余均为正火处理值，冲击性能为调质处理（回火温度为600℃）值，试样毛坯尺寸为25mm。

三、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的，原称普通低合金钢。这类钢的化学成分和力学性能列于表6-6。

1、性能特点  ① 强度高于碳素结构钢，从而可降低结构自重、节约钢材；② 具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能；③ 具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度。

2、成分特点  ① 低碳：含碳量≤0.2%，以满足对塑性、韧性、可焊性及冷加工性能的要求；② 低合金：主加合金元素为锰。因为锰的资源丰富，对铁素体具有明显的固溶强化作用。锰还能降低钢的冷脆转变温度，使组织中的珠光体相对量增加，从而进一步提高强度。钢中加入少量的V，Ti，Nb等元素可细化晶粒、提高钢的韧性。加入稀土元素RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。

        表6-6  低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能（GB/T 1591-1994）

注：①各牌号钢中均含有0.015~0.060Nb和0.02~0.20Ti；②表中的屈服点为直径≤16mm时的值。

3、热处理特点  这类钢大多在热轧状态下使用，组织为铁素体加珠光体。考虑到零件加工特点，有时也可在正火及正火加回火状态下使用。

4、典型钢种及用途  Q345（16Mn）是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，其综合性能好，广泛用于制造石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型钢结构，如我国的南京长江大桥就是用Q345钢制造的。Q390钢含有V、Ti、Nb，其强度高，可用于制造高压容器等。Q460钢含有Mo和B，正火后组织为贝氏体，强度高，可用于制造石化工业中温高压容器等。新旧低合金结构钢标准牌号对照及用途见表6-7。

                表6-7  新旧低合金结构钢标准牌号对照及用途

GB/T 1591-94	GB 1591-88	用途
Q295	09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn	汽车、桥梁、车辆、容器、船舶、油罐及建筑结构等
Q345	12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb	建筑结构、桥梁、车辆、压力容器、化工容器、船舶、锅炉、重型机械、机械制造及电站设备等
Q390	15MnV、15MnTi、16MnNb	桥梁、船舶、高压容器、电站设备、起重设备及锅炉等
Q420	15MnVN、14MnVTiRE	大型桥梁和船舶、高压容器、电站设备、车辆及锅炉等
Q460		大型桥梁及船舶、中温高压容器（<120℃）、锅炉、石油化工高压厚壁容器（<100℃）

四、渗碳钢

渗碳钢是用于制造渗碳零件的钢种。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表6~8所示。

1、用途  渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。

2、性能要求  ① 表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧；② 具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。

3、成分特点  ① 低碳：含碳量一般为0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。② 合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。

4、热处理和组织特点  渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。

5、常用钢种

根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。

① 低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。

② 中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。

③ 高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。

表6-8  常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途（GB/T 699—1999和GB/T 3077—1999）

注：① 钢中的磷、硫含量均不大于0.035%。② 15、20钢的力学性能为正火状态时的力学性能，15钢正火温度为920℃，20刚正火温度为910℃。

五、调质钢

调质钢是指调质处理后使用的钢种。常用的调质钢牌号、化学成分、热处理、性能和用途示于表6-9。

1、用途  调质钢主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他机器的各种重要零件，如齿轮、连杆、螺栓、轴类件等。

2、性能要求  ① 具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。② 具有良好的淬透性。

3、成分特点  ① 中碳：调质钢含碳量为0.25~0.50%。碳低则强度不够，碳高则韧性不足。② 合金元素：主加元素为Mn、Si、Cr、Ni、B，其主要作用是提高淬透性，其次是强化基体（除B之外）铁素体。辅加元素为W、Mo、V等，强碳化物形成元素V的主要作用是细化晶粒，而W、Mo的主要作用是防止高温（第二类）回火脆性。几乎所有合金元素都提高调质钢的耐回火性。

4、热处理特点  调质件一般的工艺路线为：下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工。预备热处理采用退火（或正火），其目的是调整硬度、便于切削加工；改善锻造组织、消除缺陷、细化晶粒，为淬火做组织准备。最终热处理为淬火加高温回火（调质），回火温度的选择取决于调质件的硬度要求。为防止第二类回火脆性，回火后采用快冷（水冷或油冷），最终热处理后的使用状态下组织为回火索氏体。当调质件还有高耐磨性和高耐疲劳性能要求时，可在调质后进行表面淬火或氮化处理，这样在得到表面高耐磨性硬化层的同时，心部仍保持综合力学性能高的回火索氏体组织。

近年来，利用低碳钢和低碳合金钢经淬火和低温回火处理，得到强度和韧性配合较好的低碳马氏体来代替中碳的调质钢。在石油、矿山、汽车工业上得到广泛应用，收效很大。如用15MnVB代替40Cr制造汽车连杆螺栓等，效果很好。

5、典型钢种

根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。

① 低淬透性调质钢：这类钢的油中临界直径为30~40mm，常用钢种为45、40Cr等，用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。

② 中淬透性调质钢：这类钢的油中临界直径为40~60mm，常用钢种为40CrNi，用于制造截面较大的零件，如曲轴、连杆等。

③ 高淬透性调质钢：这类钢的油中临界直径为60~100mm，常用钢种为40CrNiMo，用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。

六、弹簧钢

1、用途  主要用于制造各种弹簧或类似性能的结构件。弹簧钢的牌号、化学成分、性能及用途见表6-10。

2、性能要求  弹簧是利用弹性变形来贮存能量或缓和震动和冲击的零件。因此，要求弹簧：① 具有高的弹性极限，尤其是屈强比，以保证承受大的弹性变形和较高的载荷；② 具有高的疲劳强度，以承受交变载荷的作用；③ 具有足够的塑性和韧性。

3、成分特点  ① 中高碳：通常情况下，碳素弹簧钢的含碳量为0.6~0.9%，合金弹簧钢的含碳量为0.45~0.7%。② 合金元素：主加元素是Si、Mn，其主要作用是提高淬透性、强化铁素体，Si还是提高屈强比的主要元素。辅加元素为Cr、V、W等，其主要作用是细化晶粒，防止由Mn引起的过热倾向和由Si引起的脱碳倾向。

4、加工及热处理特点  

    ① 冷成型弹簧——对于钢丝直径小于10mm的弹簧，通过冷拔（或冷拉）、冷卷成型。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理， 

 表6-9  常用调质钢的牌号、化学成分、热处理、性能和用途（GB/T 699—1999和GB/T 3077—1999）

类别	钢号	统一数字代号	化学成分，%					热处理，℃		机械性能（不小于）					退火 硬度HB	毛坯 尺寸 mm	应用举例
			C	Mn	Si	Cr	其他	淬火	回火	sb, MPa	ss, MPa	d5, %	y， %	AKU2 J
低淬透性	45	U20452	0.42~0.50	0.50~0.80	0.17~0.37	≤0.25		840	600	600	355	16	40	39	≤ 197	25	小截面、中载荷的调质件如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等
	40Mn	U21402	0.37~0.44	0.70~1.00	0.17~0.37	≤0.25		840	600	590	355	17	45	47	≤ 207	25	比45钢强韧性要求稍高的调质件
	40Cr	A20402	0.37~0.44	0.50~0.80	0.17~0.37	0.80~1.10		850油	520	980	785	9	45	47	≤ 207	25	重要调质件，如轴类、连杆螺栓、机床齿轮、蜗杆、销子等
	45Mn2	A00452	0.42~0.49	1.40~1.80	0.17~0.37			840油	550	885	735	10	45	47	≤ 217	25	代替40Cr作<50mm的重要调质件，如机床齿轮、钻床主轴、凸轮、蜗杆等
	45MnB	A71452	0.42~0.49	1.10~1.40	0.17~0.37		0.0005~ 0.0035B	840油	500	1030	835	9	40	39	≤ 217	25
	40MnVB	A73402	0.37~0.44	1.10~1.40	0.17~0.37		0.05~0.10V 0.0005~ 0.0035B	850油	520	980	785	10	45	47	≤ 207	25	可代替40Cr或40CrMo制造汽车、拖拉机和机床的重要调质件，如轴、齿轮等
	35SiMn	A10352	0.32~0.40	1.10~1.40	1.10~1.40			900水	570	885	735	15	45	47	≤ 229	25	除低温韧性稍差外，可全面代替40Cr和部分代替40CrNi
中淬透性	40CrNi	A40402	0.37~0.44	0.50~0.80	0.17~0.37	0.45~0.75	1.00~1.40Ni	820油	500	980	785	10	45	55	≤241	25	作较大截面的重要件，如曲轴、主轴、齿轮、连杆等
	40CrMn	A22402	0.37~0.45	0.90~1.20	0.17~0.37	0.90~1.20		840油	550	980	835	9	45	47	≤229	25	代40CrNi作受冲击载荷不大零件，如齿轮轴、离合器等
	35CrMo	A30352	0.32~0.40	0.40~0.70	0.17~0.37	0.80~1.10	0.15~0.25Mo	850油	550	980	835	12	45	63	≤229	25	代40CrNi作大截面齿轮和高负荷传动轴、发电机转子等
	30CrMnSi	A24302	0.27~0.34	0.80~1.10	0.90~1.20	0.80~1.10		880油	520	1080	885	10	45	39	≤229	25	用于飞机调质件，如起落架、螺栓、天窗盖、冷气瓶等
	38CrMoAl	A33382	0.35~0.42	0.30~0.60	0.20~0.45	1.35~1.65	0.15~0.25Mo	940 水、油	640	980	835	14	50	71	≤229	30	高级氮化钢，作重要丝杆、镗杆、主轴、高压阀门等
高淬透性	37CrNi3	A42372	0.34~0.41	0.30~0.60	0.17~0.37	1.20~1.60	3.00~3.50Ni	820油	500	1130	980	10	50	47	≤269	25	高强韧性的大型重要零件，如汽轮机叶轮、转子轴等
	25Cr2Ni4WA	A52253	0.21~0.28	0.30~0.60	0.17~0.37	1.35~1.65	4.00~4.50Ni 0.80~1.20W	850油	550	1080	930	11	45	71	≤269	25	大截面高负荷的重要调质件，如汽轮机主轴、叶轮等
	40CrNiMoA	A50403	0.37~0.44	0.50~0.80	0.17~0.37	0.60~0.90	0.15~0.25Mo 1.25~1.65Ni	850油	600	980	835	12	55	78	≤269	25	高强韧性大型重要零件，如飞机起落架、航空发动机轴
	40CrMnMo	A34402	0.37~0.45	0.90~1.20	0.17~0.37	0.90~1.20	0.20~0.30Mo	850油	600	980	785	10	45	63	≤217	25	部分代替40CrNiMoA，如作卡车后桥半轴、齿轮轴等

注：钢中的磷、硫含量均不大于0.035%。

即加热到250～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用。钢丝的直径越小，则强化效果越好，强度越高，强度极限可达1600MPa以上，而且表面质量很好。

② 热成型弹簧——通常是在热卷簧后进行淬火加中温回火（350～500℃）处理，得到回火托氏体组织，其硬度可达HRC40～45，从而在保证得到高的屈服强度的条件下又具有足够的韧性。

5、典型钢种

① Si、Mn弹簧钢：代表性钢种为65Mn、60Si2Mn，这类钢价格较低，性能高于碳素弹簧钢，主要用于制造较大截面弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等。

    ② Cr、V弹簧钢：典型钢种为50CrV，这类钢淬透性高，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。

弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，若弹簧表面有缺陷，就容易造成应力集中，从而降低疲劳强度，故常采用喷丸强化表面，使表面产生压应力，消除或减轻弹簧的表面缺陷，以便提高弹簧钢的屈服强度、疲劳强度。例如用于汽车板簧的60Si2Mn，经喷丸处理后，使用寿命可提高3～5倍。

 七、滚动轴承钢

1、用途  滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和轴承套的专用钢种，分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢四类，这里只介绍高碳铬轴承钢。由于高碳铬轴承钢属于高碳钢，因而也可用于制造精密量具、冷冲模和机床丝杠等耐磨零件。

2、性能要求  轴承工作时，滚动体和轴承套之间为点或线接触，接触应力高达3000~3500MPa，且承受周期性交变载荷引起的接触疲劳，频率达每分钟数万次，同时还承受摩擦。因此要求：① 具有高而均的硬度（HRC61～65）和耐磨性；② 具有高的接触疲劳强度和弹性极限；③ 具有足够的韧性、淬透性和耐蚀性。

3、成分特点  ① 高碳：含碳量一般为0.95~1.10%，以保证高的硬度和耐磨性。② 合金元素：主加元素是Cr，其主要作用是提高淬透性，铬还会进入渗碳体形成合金渗碳体，提高耐磨性。此外，铬还有提高耐蚀性的作用。当铬含量高于1.65%时，会因残余奥氏体量增加而使钢的硬度和稳定性下降。钢中加入Si、Mn、Mo会进一步提高淬透性和强度，加入V则是为了细化晶粒。

4、热处理特点  高碳铬轴承钢的热处理主要为球化退化、淬火和低温回火。球化退化作为预备热处理，其主要目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。最终热处理是加热到840℃，在油中淬火，并在淬火后立即进行低温回火（160～180℃），回火后的硬度HRC>61。使用状态下的组织为回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体。为了减少残余奥氏体量，稳定尺寸，可在淬火后进行冷处理（-60~-80℃），并在磨削加工后进行低温（120℃左右）时效处理。

5、典型钢种  高碳铬轴承钢的牌号和化学成分示于表6-11。其中应用最广的是GCr15钢，大量用于制造大中型轴承，此外，还常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。制造大型轴承也可用GCr15SiMn。

八、耐磨钢

耐磨钢主要是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。高锰钢共包括5种牌号，其化学成分和力学性能示于表6-12。

1、用途和性能要求  高锰钢主要用于既承受严重磨损又承受强烈冲击的零件，如拖拉机、坦克的履带板、破碎机的颚板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。因此，高的耐磨性和韧性是对高锰钢的主要性能要求。

2、成分特点  ① 高碳：含碳量为0.75~1.45%，以保证高的耐磨性；② 高锰：含锰量为11~14%，以保证形成单相奥氏体组织，获得良好的韧性。

表6-11  高碳铬轴承钢的牌号、成分及退火硬度（GB/T 18254-2002）

统一数字代号

牌号

化  学  成  分，%

退火硬度HBW

C

Si

Mn

Cr

Mo

P

S,

Ni

Cu

Ni+Cu

不 大 于

B00040

GCr4

0.95 ~1.05

0.15 ~0.30

0.15 ~0.30

0.35 ~0.50

≤0.08

0.025

0.020

0.25

0.20

179~207

B00150

GCr15

0.95 ~1.05

0.15 ~0.35

0.25 ~0.45

1.40 ~1.65

≤0.10

0.025

0.025

0.30

0.25

0.50

179~207

B01150

GCr15SiMn

0.95 ~1.05

0.45 ~0.75

0.95 ~1.25

1.40 ~1.65

≤0.10

0.025

0.025

0.30

0.25

0.50

179~217

B03150

GCr15SiMo

0.95 ~1.05

0.65 ~0.85

0.20 ~0.40

1.40 ~1.70

0.3 ~0.4

0.027

0.020

0.30

0.25

179~217

B02180

GCr18Mo

0.95 ~1.05

0.20 ~0.40

0.25 ~0.40

0.65 ~1.95

0.15 ~0.25

0.025

0.020

0.25

0.25

179~207

                      注：钢中的氧含量均不大于15×10-6。

3、热处理及使用  高锰钢的铸态组织为奥氏体加碳化物，性能硬而脆。为此，需对其进行“水韧处理”，即把钢加热到1100℃，使碳化物完全溶入奥氏体，并进行水淬，从而获得均匀的过饱和单相奥氏体。这时，其强度、硬度并不高（HB180~200），但塑性、韧性却很好。为获得高耐磨性，使用时必须伴随着强烈的冲击或强大的压力，在冲击或压力作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，同时形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500~550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织，具有高耐冲击能力。当表面磨损后，新露出的表面又可在冲击或压力作用下获得新的硬化层。

高锰钢水冷后不应当再受热，因加热到250℃以上时有碳化物析出，会使脆性增加。这种钢由于具有很高的加工硬化性能，所以很难机械加工，但采用硬质合金、含钴高速钢等切削工具，并采取适当的刀角及切削条件，还是可以加工的。

表6-12  高锰钢的化学成分和力学性（GB/T 5680—1998）

牌 号	化 学 成 分，%						力学性能（不小于）				HBS ≤
	C	Mn	Si	S ≤	P ≤	其他	ss MPa	sb MPa	d5 %	αKu J/cm2
ZGMn13-1	1.00~1.45	11.00~14.00	0.30~1.00	0.040	0.090		—	635	20	—	—
ZGMn13-2	0.90~1.35	11.00~14.00	0.30~1.00	0.040	0.070		—	685	25	147	300
ZGMn13-3	0.95~1.35	11.00~14.00	0.30~0.80	0.035	0.070		—	735	30	147	300
ZGMn13-4	0.90~1.30	11.00~14.00	0.30~0.80	0.040	0.070	1.50~2.50Cr	390	735	20		300
ZGMn13-5	0.75~1.30	11.00~14.00	0.30~1.00	0.040	0.070	0.90~1.20Mo	—