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用于制造重要工程结构和机器零件的钢种称为合金结构钢。主要有低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。低合金结构钢用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。性能要求高强度：一般其的屈服强度在300MPa以上。高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m～800kJ/m。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。良好的焊接性能和冷成型性能。低的冷脆转变温度。良好的耐蚀性。成分特点低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。加入以锰为主的合金元素。加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。
性能要求调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。成分特点：中碳：碳含量一般在0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量约为0.15%～0.30%Mo或0.8%～1.2%的W。
增大回火脆性和碳钢一样，合金钢也产生回火脆性，而且更明显。这是合金元素的不利影响。在450℃-600℃间发生的第二类回火脆性(高温回火脆性)主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，多发生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中。这是一种可逆回火脆性，回火后快冷(通常用油冷)可防止其发生。钢中加入适当Mo或W(0.5%Mo，1%W)也可基本上这类脆性。合金元素对钢的机械性能的影响提高钢的强度是加入合金元素的主要目的之一。欲提高强度，就要设法增大位错运动的阻力。金属中的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化。合金元素的强化作用，正是利用了这些强化机制。
除Co外，几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织的转变，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于奥氏体时，才能提高淬透性。如果未完全溶解，则碳化物会成为珠光体的核心，反而降低钢的淬透性。另外，两种或多种合金元素的同时加入(如铬锰钢、铬镍钢等)，比单个元素对淬透性的影响要强得多。除Co、Al外，多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用强，Si实际上无影响。Ms和Mf点的下降，使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时，可进行冷处理(冷至Mf点以下)，以使其转变为马氏体；或进行多次回火，这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升，并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。
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