什么是合金钢？
除铁和碳外，在普通碳素钢的基础上加入适量的一种或多种合金元素而形成的铁碳合金称为合金钢。
根据不同的添加元素和适当的加工工艺，合金钢可以获得相应的高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。
合金钢的分类
合金钢有多种分类系统。目前主流的分类主要有以下几种：
按合金元素含量分类
低合金钢合金元素总含量≤5%
中合金钢合金元素总含量在5%～10%之间
高合金钢合金元素总含量≥10%
常用合金元素分类
铬钢
典型钢种：AISI、41Cr4、SCr
锰钢
典型钢种：28Mn6、SMn、AISI
铬锰钢
典型钢种：16/20MnCr5、AISI、SMnC
铬钼钢
典型钢种：AISI、AISI、42CrMo4、SCM
铬镍钼钢
典型钢种：AISI、34CrNiMo6、EN24
按功能和用途分类
结构钢
结构合金钢是满足特定强度和可成形性等级的钢。可成形性表示为拉伸试验中断裂后的伸长率。结构钢通常用于承载和其他应用，其中钢的强度是重要的设计标准。
一般分为用作工程构件（管道、支架等）的建筑工程用结构钢和用作各种机械零件（轴、齿轮、弹簧、叶轮等）的机械制造用结构钢。
工具钢
合金工具钢是用来制造刃具、量具、模具和耐磨工具的钢材。
工具钢具有高硬度，在高温下保持高硬度和红硬性，以及高耐磨性和适当的韧性。
特殊性能钢
特种性能钢具有特殊的物理或化学性能。除了一定的机械性能外，还要求有特殊的性能。
特种性能钢的种类很多。在机械制造中，主要使用不锈钢、耐热钢和耐磨钢。
合金元素在钢中的作用
合金元素介绍
合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。
钒、钛、铌和锆是钢中强碳化物形成元素。只要有足够的碳，它们在适当的条件下就能形成各自的碳化物。当碳不足或在高温条件下，它们以原子态进入固溶体。
锰、铬、钨、钼是碳化物形成元素，一部分以原子态进入固溶体，另一部分形成置换合金渗碳体。
铝、铜、镍、钴、硅是不形成碳化物的元素，一般以原子态存在于固溶体中。
常用合金元素的具体作用
硅(Si)
硅在炼钢过程中用作主要脱氧剂之一。一旦钢中硅含量超过0.50-0.60%，硅就被认为是合金元素。
硅能显着提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，因此被广泛用作弹簧钢。如果在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅，材料强度可提高15-20%。
硅能与钼、钨、铬等合金元素化合，可提高耐蚀性和抗氧化性，故用于制造耐热钢。
含硅1-4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电气工业中的硅叠片。
但是，增加硅的量会降低钢的可焊性。
锰(Mn)
在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。一般钢中锰的含量为0.30-0.50%。碳钢中加入0.70%以上的Mn，即为“锰钢”。
锰不仅赋予钢更高的强度、更好的硬度和更高的耐磨性，而且提高淬透性和热加工性能。
含锰11-14%的钢具有极高的耐磨性，用于挖掘机铲斗、球磨机衬板等。
但锰含量的增加削弱了钢的耐蚀性，降低了焊接性能。
铬(Cr)
在结构钢和工具钢中，铬能显着提高强度、硬度、淬透性和耐磨性，但同时降低塑性和韧性
铬还能提高钢的抗氧化性和耐蚀性，因此是不锈钢和耐热钢最重要的合金元素。
镍(Ni)
镍可以提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。镍具有很高的耐酸碱腐蚀、防锈和高温下的耐热性。
当在高铬（不锈钢）钢中引入适量的镍时，它会变成更坚韧、保持良好延展性、耐腐蚀性能强的奥氏体不锈钢。
但是，由于镍是一种比较稀缺的资源，应该使用其他合金元素来代替镍铬钢。
钼(Mo)
钼能细化钢的晶粒，提高淬透性和热强度，在高温下保持足够的强度和抗蠕变性能（在高温下长期受力，发生变形，称为蠕变）。
钼被添加到结构钢中以提高强度、硬度、淬透性和韧性。钼能抑制合金钢因淬火引起的回火脆性。
在热作钢和高速钢中，钼提高了红硬性。
钛(Ti)
钛是钢中的强脱氧剂。钛能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性。
在奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可作为稳定元素，将碳固定在惰性颗粒中，提高耐蚀性和焊接性。
由于钛是地球上的稀有元素，这种合金元素的价格可能比普通碳钢贵倍。
钒(V)
钒是一种优良的钢脱氧剂。钢中加入0.5%钒可细化晶粒组织，提高强度、韧性、耐磨性和抗冲击冲击性能。
钒与碳形成的碳化物可提高在高温高压下的抗氢腐蚀能力。
钒最常用于高速金属切削工具，因为它具有增强的红硬性。
钨(W)
钨作为一种贵重的合金元素，熔点高，比重大。钨与碳形成的碳化钨具有很高的硬度和耐磨性。
在高速钢和热作工具钢中添加钨，可显着提高红硬性和热强度，并在高温下具有优异的热加工性和更高的切削效率。
铜(Cu)
铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能（铜含量在0.2%-0.4%之间）。
但铜对锻造和焊接有不利影响，在热加工时容易产生热脆。
铜含量超过0.5%时塑性明显下降。当铜含量小于0.50%时，对焊接性无影响。
铝(Al)
铝是钢中最有效和最常用的脱氧剂。在钢中加入少量铝可细化晶粒，提高冲击韧性。
铝还具有抗氧化和抗腐蚀的特性。与铬、硅并用时，可显着提高钢的耐高温腐蚀性能。
渗氮钢中常加入铝，因为它与氮形成坚硬的氮化铝。如EN41B、41CrAlMo7钢。
然而，铝影响钢的热加工性、焊接性和切削性。
钴(Co)
钴是一种稀有贵金属，主要用于高速钢、热成型工具钢和高温材料。
钴提高红硬性、高温强度，并允许更高的淬火温度。
然而，钴不形成任何碳化物。
选择合金钢的原则
合金钢的选用和其他种类的材料一样，是一个比较复杂的问题，是各种机械产品设计中极为重要的一环。
要生产出高质量的产品，必须从产品的结构设计、合金材料的选择、冷热工艺、生产成本等方面综合考虑。
正确、合理地选择合金材料是保证产品最佳性能、使用寿命、安全性和经济性的基础。现将合金材料选择的一般原则介绍如下：
满足产品的性能要求
材料的性能是指材料为保证产品正常工作所必须具备的性能。它包括机械性能、物理性能和化学性能。
各种机械产品，由于其用途、工作条件等因素的不同，对其零部件的要求也不同，可表现为以下三类差异。
应力状态：载荷特性（静载荷、动载荷、交变载荷）、应力形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切）、分布（集中分布、均匀分布）和强度、应力状态。
工作环境：温度（常温、高温、低温或变温）、介质（腐蚀性介质、润滑剂）。
其他要求：如导热性、密度和磁性。
材料的性能是在综合分析工况条件的基础上确定的。例如，在交变载荷下需要疲劳性能，在冲击载荷下工作需要良好的韧性，在腐蚀性介质中工作需要耐腐蚀如酸和碱。
满足产品的工艺性能
工艺性能是指材料在制造过程中适应加工的性能，即铸造性能、锻造性能、焊接性能、机加工性能和热处理工艺性能。
材料工艺性能的好坏直接影响到产品的加工生产。良好的工艺性能不仅可以保证产品的制造质量，还有助于提高生产率和降低成本。
因此，工艺性能也是选材必须考虑的问题。我们在选择合金钢时，具体需要考虑的问题如下：
问题一：合金钢的铸造性能好吗？
问题二：合金钢的压力加工性能好吗？
问题三：合金钢是否要求有一定的可焊性？
问题四：合金钢是否需要具有良好的切削加工性？
问题五：合金钢是否具有良好的热处理工艺性能？
符合产品的经济性原则
经济性原则不仅是指选用最便宜的材料或生产成本最低的产品，还指采用价值分析方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，以达到最佳效果。技术和经济效益。
对于材料的设计和选用，保证经济性的前提是计算准确，而不是盲目选用高级材料或简单地以劣换优。
此外，应根据产品的应力、温度、耐腐蚀性等条件选择合适的材料，而不是简单地追求某项指标。