合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或几种合金元素而获得的钢。它用于制造重要的工程结构和机械零件，是用途最广、用量最大的一类合金钢。
根据用途和热处理方法等的不同，常用的合金结构钢有以下几种。
4.2.1 低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢又称低合金结构钢，低合金结构钢的成分特点是低碳（w（C）＜0.20％）、低合金（一般合金元素总量w（Me）＜3％）、以锰为主加元素，并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等，有时还加入微量稀土元素。锰、硅的主要作用是强化铁素体；钒、钛、铌等主要是细化晶粒，提高钢的强度、塑性和韧度；少量的铜和磷可以提高钢的耐腐蚀性；加入少量稀土元素主要是脱硫去气，消除有害杂质，进一步改善钢的性能。
低合高强度结构钢的性能特点如下。
（1）具有高的屈服强度与良好的塑性和韧度。其屈服强度比碳钢提高30％～50％以上，尤其是屈强比（ReL／Rm）提高得更明显。因此，用它来制作金属结构，可以减小截面，减轻重量，节约钢材。
（2）良好的焊接性。由于这类钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且成分中的碳化物形成元素钒、钛、铌可抑制焊缝区的晶粒长大，故它的焊接性良好。
（3）较好的耐蚀性。加入铜、磷，提高了钢材抵抗海水、大气、土壤腐蚀的能力。
低合金高强度结构钢一般在热轧空冷状态下使用，其组织为铁素体和珠光体，被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑等。
常用低合金高强度结构钢的牌号及性能参照GB／T 1591—2008，见表4－1，如：Q345表示钢的屈服强度为345MPa，是我国发展最早、产量最大、各种性能配合较好、应用最广的钢材。
表4－1 低合金高强度结构钢的力学性能
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4.2.2 合金渗碳钢
渗碳钢通常是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢。它主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷，特别是冲击载荷的机器零件。这类零件都要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧度。
根据化学成分特点，渗碳钢可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。碳素渗碳钢（w（C）=0.10％～0.20％）由于淬透性低，仅能在表面获得高的硬度，而心部得不到强化，故只适用于较小的渗碳件。
合金渗碳钢的平均w（C）一般在0.1％～0.25％之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧度。加入镍、锰、硼等合金元素，以提高钢的淬透性，使零件在渗碳淬火后表面和心部都能得到强化。加入钨、钼、钒、钛等碳化物形成元素，主要是为了防止高温渗碳时晶粒长大，起细化晶粒的作用。
合金渗碳钢的性能有如下特点。
（1）渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性和接触疲劳强度。
（2）渗碳件心部具有高的韧度和足够高的强度。
（3）具有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度（900℃～950℃）下奥氏体晶粒不易长大，淬透性也较好。
合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。热处理后渗碳层的组织由回火马氏体+粒状合金碳化物+少量残余奥氏体组成，表面硬度一般为58HRC～64HRC。心部组织与钢的淬透性及工件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC～48 HRC；多数情况下，是由托氏体+回火马氏体+少量铁素体组成，硬度为25HRC～40HRC。
常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途见表4－2。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，可用来制造汽车、拖拉机的变速齿轮。为了节约铬，常用20Mn2B或20MnVB等钢代替20CrMnTi。
表4－2 常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途
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4.2.3 合金调质钢
调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，一般为中碳的优质碳素结构钢与合金结构钢。它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺栓和齿轮等。这类零件都要求具有高的强度和良好的塑性、韧度，即具有良好的综合力学性能。
合金调质钢的平均w（C）一般在0.25％～0.50％之间。碳含量过低，不易淬硬，回火后达不到所需硬度；碳含量过高，则韧度不足。主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加钢的淬透性，同时还强化铁素体。辅加元素有钼、钨、钒、钛等，主要是防止淬火加热产生过热现象，细化晶粒和提高回火稳定性，进一步改善钢的性能。因此，合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。
合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火（即调质处理），组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。
40Cr钢是典型的合金调质钢，其强度比40钢高20％，并有良好的塑性和淬透性，因此，被广泛用于各类机械设备的主轴，汽车半轴、连杆及螺栓、齿轮等。
常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途见表4－3。
表4－3 常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途
4.2.4 合金弹簧钢
弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。弹簧是利用其在工作时产生的弹性变形来吸收能量，以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量，以驱动机件完成规定的动作。因此，要求弹簧材料具有高的弹性极限，尤其要具有高的屈强比，高的疲劳强度及足够的塑性和韧度。
合金弹簧钢的平均w（C）一般在0.45％～0.70％之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。碳含量过高，塑性、韧度降低，疲劳强度也下降。加入的合金元素有硅、锰、铬、钒、钨等。硅、锰主要是提高淬透性和屈强比，可使屈强比（ReL／Rm）提高到接近于1。但硅易使钢在加热时脱碳，锰使钢易于过热。加入铬、钒、钨等，可减少钢的脱碳和过热倾向，同时也可进一步提高弹性极限和屈强比，钒还能细化晶粒，提高韧度。
弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其热处理方法也不同。
（1）热成形弹簧。当弹簧丝直径或钢板厚度大于10mm～15mm时，一般采用热成形。其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为40HRC～45HRC。
（2）冷成形弹簧。对于直径小于8mm～10mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火和中温回火；若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200℃～300℃的去应力退火，以消除内应力，并使弹簧定形。
弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。
60Si2Mn钢是应用最广的合金弹簧钢，被广泛用于制造汽车、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧以及安全阀用弹簧等。弹簧钢也可进行淬火及低温回火处理，用以制造高强度的耐磨件，如弹簧夹头、机床主轴等。常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能和用途见表4－4。
表4－4 常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能及用途
4.2.5 滚动轴承钢
滚动轴承钢是用来制造滚动轴承的滚动体（滚针、滚柱、滚珠）、内外套圈的专用钢。
滚动轴承在工作时，承受着高而集中的交变载荷；滚动体与内、外套圈之间是点接触或线接触，接触应力极大，还有滚动或滑动摩擦，易使轴承工作表面产生接触疲劳破坏与磨损，因而，要求滚动轴承材料具有高的硬度和耐磨性、高的疲劳强度、足够的韧度和一定的耐蚀性。目前，一般的滚动轴承钢是高碳铬钢，其平均w（C）为0.95％～1.15％，以保证轴承钢具有高的强度、硬度和形成足够的碳化物以提高耐磨性。基本合金元素铬的作用是提高淬透性，并形成细小均匀分布的合金渗碳体，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。在制造大型轴承时，为了进一步提高淬透性，还向钢中加入硅、锰等合金元素。
滚动轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。球化退火为预先热处理，其目的是降低钢的硬度以利于切削加工，并为淬火作好组织上的准备。淬火和低温退火是决定轴承钢性能的最终热处理，获得的组织为极细的回火马氏体、细小而均匀分布的粒状碳化物和少量的残余奥氏体，硬度为61HRC～65HRC。
对于精密轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，可在淬火后进行一次冷处理，以减少残余奥氏体的量，然后低温回火、磨削加工，最后再进行一次人工时效，消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。
GCr15、GCr15SiMn钢是应用最多的轴承钢。前者用做中、小型滚动轴承，后者用于较大型滚动轴承。常用滚动轴承钢的牌号、成分、热处理及用途见表4－5。
表4－5 常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途
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