低合金鋼及合金鋼

根據對鋼的工藝性能和使用性能的特定要求，用不同化學元素對鋼進行合金化，按鋼中化學元素規定含量的界限值，分別把鋼稱為低合金鋼及合金鋼。未經合金化的鋼則稱為非合金鋼(見碳鋼)。

在鋼液中特意加入不同化學元素的過程稱為合金化。合金化所用的化學元素稱為合金元素。常用的合金元素有10多種，如碳、氮、鋁、硼、鉻、鈷、銅、錳、鉬、鎳、鈮、硅、鈦、鎢、釩、鋯、稀土等。鋼合金化的主要目的在于從基體金屬鐵創造出工藝性能(如鑄造性、焊接性、熱處理性、切削性、深沖性等)和使用性能(如強度、硬度、韌性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性或其它性能等)穩定、優良的低合金鋼與合金鋼。合金元素在鋼中的作用規律是鋼的合金化原理，它屬于物理冶金學(金屬學)的范疇。鋼的物理冶金學研究鋼的成分、組織和性能之間的關系。鋼的合金化原理則側重研究合金元素對構成鋼中不同組織的合金相的形成規律的影響，其理論涉及到鋼中相轉變、鋼的淬透性、鋼的脆性、鋼的化學和物理性能以及鋼的強韌化等等。

鋼的發展簡史出土文物表明，春秋末年和戰國初期中國已能制造鋼劍，它是從固態還原的鐵，再摻碳鍛造而成。到漢代以后，又先后創造了炒鋼、灌鋼等制鋼方法。近代煉鋼技術是從18世紀中期開始的，1740年，英國用坩堝法首次煉成鋼。1821年，法國創制了鉻鋼，生產刀具。1882年，英國人哈特菲爾德(R.A.Had-field)發明了高錳耐磨鋼。1885年，法國創制了耐蝕鉻鋼。1900年，英國人泰勒(F.w.Taylor)研制成鎢高速鋼。同期，德國人巴基烏斯(H.w.Bakhius)等首建鐵碳相圖。1904年，法國人基利(L.Guillet)創制了馬氏體、鐵素體鉻鋼和奧氏體鉻鎳鋼。1917～1918年，法國研制了高合金的鉻鎳鋼(含10％～15％鉻和20％～40％鎳)。1930年，美國人貝茵(E.c.Bain)等創立了TTT曲線(當時稱s曲線，見等溫轉變曲線)；20世紀30年代末開始，由美國人格羅斯曼(M.A.Grossmann)等開創的關于鋼的淬透性的研究，以及20世紀20年代末開始的鋼中馬氏體型相變的研究等，有效地指導了高強度高韌性鋼的設計和發展，諸如低合金高強度鋼、形變熱處理型超強韌鋼、低碳馬氏體鋼、微碳馬氏體時效鋼、相變誘導塑性鋼，以及低碳低合金雙相鋼等。1955年，全世界鋼產量為2.6億t，1979年達7億多t。80年代初期，世界主要產鋼國家(美國、日本、前蘇聯)鋼產量都超過1億t，其中合金鋼占總產量的百分比也都大于10％(美國高達16％)。中國在80年代中期，低合金鋼產量為600多萬t，合金鋼產量近300萬t。90年代中期，中國鋼產量連續超過1億t。

鋼的分類鋼的分類方法很多，有按化學成分分類、按質量等級分類和按主要特性分類等。

按化學成分分類由于全世界鋼的種類繁多，為便于生產、使用和貿易，198l～1982年，國際標準(ISO4948/1和ISO4948/2)按化學成分把鋼分作兩大類，即非合金鋼和合金鋼。中國制訂的鋼分類國家標準(GB/T13304-91)，參照上述國際標準，結合中國的具體國情，將鋼分作3大類，即非合金鋼、低合金鋼和合金鋼。上述中國國家標準(GB/T)與國際標準(ISO)中關于鋼分類的合金元素規定含量界限值的對比如表所示。其中GB/T還有4點說明。(1)表中“界限值”不是指鋼實際成分的界限值，而是指“規定含量”的界限值?！耙幎ê俊笔荊B確定的代表每個元素用以分類的特征值，即：當規定鋼的熔煉分析化學成分最低值或范圍時，以最低值作為規定含量；當規定鋼的熔煉分析化學成分最高值時，以最高值的0.7倍作為規定含量。特殊情況下，在沒有標準、技術條件或訂貨單規定的化學成分時，按生產廠報出的熔煉分析值作為規定含量；在只有鋼的成品分析值時，可按成品分析值作為規定含量，但要考慮化學成分允許偏差的影響，對鋼的原來預定類別應準確地予以證明。(2)鑭系元素含量，也可為混合稀土元素總含量。(3)當鉻、銅、鉬、鎳4種元素，有其中2種、3種或4種元素同時規定在鋼中時，對于低合金鋼，應同時考慮這些元素中每種元素的規定含量，以及所有這些元素規定含量的總和，應不大于同時規定在鋼中的2種、3種或4種元素每種元素最高界限值總和的70％，即使這些元素中每種元素的規定含量低于規定的最高界限值，該鋼也應劃為合金鋼。(4)上述(3)的原則也適用于鈮、鈦、釩、鋯4種元素。

鋼分類的合金元素規定含量界限值的對比

各國由于具體國情的不同，相應標準中關于非合金鋼與合金鋼按化學成分分類的元素規定含量的界限值也各有異同。

按質量等級分類根據GB/T13304-91的規定，低合金鋼按質量等級共分3類：

(1)普通質量低合金鋼。普通質量低合金鋼指不規定需要特別控制質量要求的供一般用途的低合金鋼。這類鋼合金元素含量較低(符合GB/T13304-91對低合金鋼的化學成分規定含量界限值規定)；不規定熱處理；如產品標準或技術條件有規定，其特性值應符合：硫、磷含量最高值≥0.045％；厚度3～16mm鋼材的力學性能指標中，抗拉強度最低值≤690MPa，屈服點或屈服強度最低值≤360MPa，伸長率最低值≤26％，20℃時V型缺口縱向標準試樣沖擊功最低值≤27J，以及彎心直徑最低值≥2倍試樣厚度；另外，未規定其他質量要求。

普通質量低合金鋼主要包括：一般用途低合金結構鋼，規定的屈服強度不大于360MPa，低合金鋼筋鋼，鐵道用一般低合金鋼，礦用一般低合金鋼。

(2)優質低合金鋼。優質低合金鋼指除普通質量低合金鋼和特殊質量低合金鋼以外的低合金鋼。這類鋼在生產過程中需要特別控制質量(例如降低硫、磷含量，控制晶粒度，改善表面質量，增加工藝控制等)，以達到比普通質量低合金鋼較好的質量要求(例如良好的抗脆斷性能，良好的冷成型性等)，但這類鋼的生產控制和質量要求，不如特殊質量低合金鋼嚴格。

優質低合金鋼主要包括：可焊接的高強度結構鋼，規定的屈服強度大于360MPa，而小于420MPa，鍋爐和壓力容器用低合金鋼，造船用低合金鋼，汽車用低合金鋼，橋梁用低合金鋼，自行車用低合金鋼，低合金耐候鋼，鐵道用低合金鋼，礦用低合金鋼，輸油、輸氣管線用低合金鋼。

(3)特殊質量低合金鋼。特殊質量低合金鋼是指在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能(特別是嚴格控制硫、磷等雜質含量和純潔度)的低合金鋼。這類鋼應至少符合下列一種條件：(1)規定限甜非金屬夾雜物含量和(或)內部材質均勻性，例如鋼板的抗層狀撕裂性能；(2)規定嚴格限制磷含量和(或)硫含量最高值，并符合熔煉分析值≤0.020％，成品分析值≤0.025％的規定；(3)規定限制殘余元素含量，并符合銅熔煉分析最高含量≤0.10％，鈷熔煉分析最高含量≤0.05％，釩熔煉分析最高含量≤0.05％的規定；(4)規定低溫(低于-40℃)沖擊性能；(5)可焊接的高強度鋼，規定厚度不大于16mm的鋼材縱向或橫向試樣的屈服強度最低值≥420MPa；(6)規定鋼材進行無損探傷檢查和特殊質量控制要求：

特殊質量低合金鋼主要包括：核能用低合金鋼，保證厚度方向性能低合金鋼，鐵道用特殊低合金鋼，艦船、兵器用特殊低合金鋼等。

根據GB/T13304-91的規定合金鋼按質量等級共分2類：

(1)優質合金鋼。優質合金鋼是指在生產過程中需要特別控制質量和性能，但其生產控制和質量要求不如特殊質量合金鋼那么嚴格的合金鋼。

優質合金鋼主要包括：一般工程結構用合金鋼，合金鋼筋鋼，電工用硅(鋁)鋼(無磁導率要求)，鐵道用合金鋼，地質、石油鉆探用合金鋼，硫、磷含量>0.035％的耐磨鋼，硅錳彈簧鋼。

(2)特殊質量合金鋼。特殊質量合金鋼是指在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能的合金鋼。除優質合金鋼以外的所有其他合金鋼都屬特殊質量合金鋼。

特殊質量合金鋼主要包括：壓力容器用合金鋼，經熱處理的合金鋼筋鋼，經熱處理的地質、石油鉆探用合金鋼，合金結構鋼，合金彈簧鋼，不銹耐酸鋼，耐熱鋼，合金工具鋼，高速工具鋼，軸承鋼，高電阻電熱鋼，無磁鋼，永磁鋼。

按主要特性分類低合金鋼按主要特性可分為以下幾類：(1)可焊接低合金高強度結構鋼；(2)低合金耐候鋼；(3)低合金鋼筋鋼；(4)鐵道用低合金鋼；(5)礦用低合金鋼；(6)其他低合金鋼。合金鋼按主要特性可為以下幾類：(1)工程結構用合金鋼，包括一般工程結構用合金鋼，合金鋼筋鋼，壓力容器用合金鋼，地質、石油鉆探用鋼，高錳耐磨鋼；(2)機械結構用合金鋼，包括調質處理合金結構鋼，表面硬化合金結構鋼，冷塑性成型合金結構鋼，合金彈簧鋼等；(3)不銹、耐蝕和耐熱鋼，包括不銹鋼、耐酸鋼、抗氧化鋼和熱強鋼等；(4)工具鋼，包括合金工具鋼和高速工具鋼，合金工具鋼又可分為量具刃具用鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁模具鋼、塑料模具鋼等；高速工具鋼分為鎢鉬系高速工具鋼、鎢系高速工具鋼和鈷系高速工具鋼等；(5)軸承鋼，包括高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼、無磁軸承鋼等；(6)特殊物理性能鋼，包括軟磁鋼、永磁鋼、特殊彈性鋼、特殊膨脹鋼、高電阻鋼、無磁鋼等(見精密合金)；(7)其他，如鐵道用合金鋼等。

鋼除了可以按化學成分質量等級和主要特性(如使用性能)分類外，還可為了不同目的，人為規定其他的分類方法。常見的有：(1)按主要合金元素名稱(或合金系名稱)可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼、鎢鉬鋼等等，這種分類方法比較直觀，但只適用于定性區分鋼的品種；(2)按鋼中合金元素總含量可分為微合金鋼(元素含量通常<0.1％)，低合金鋼(合金元素總量<3％或5％，這和表1所列區分低合金鋼與合金鋼時，低合金鋼元素含量界限值的涵義有所不同，此為人們粗略區分元素含量高低的稱謂)，中合金鋼(合金元素總量3％～10％或5％～10％)，高合金鋼(合金元素總量>10％)，這種方法是人們約定俗成的分類法；(3)按退火后的金相組織可分為亞共析鋼(組織為先共析鐵素體加珠光體)、共析鋼(珠光體組織)、過共析鋼(組織為先共析碳化物加珠光體)和萊氏體鋼；(4)按小試樣空冷后的金相組織可分為鐵素體一珠光體鋼(有時簡稱珠光體型鋼)、貝氏體鋼、馬氏體鋼，奧氏體鋼、鐵素體鋼以及奧氏體一鐵素體鋼或鐵素體一奧氏體鋼(后者的鐵素體體積分數多于奧氏體)。還有其他的分類方法。

鋼產品牌號表示方法各國鋼產品牌號表示方法不同，大致可分以下4種：(1)用國際元素化學符號代表合金元素名稱，鋼號的構成是阿拉伯數字+國際元素化學符號+阿拉伯數字(或缺)；前、后數字與化學符號同字號，前面的數字表示平均碳含量，后面數字較直觀地表示合金元素平均含量，如中國國家標準；后面數字按規定方法間接表示合金元素平均含量的，如德國、意大利、匈牙利等；(2)用本國文字字母代表合金元素名稱，鋼號的構成是阿拉伯數字+本國文字字母代號+下標的阿拉伯數字(或缺)，前面數字表示平均碳含量，后面數字較直觀地表示合金元素的平均含量，如前蘇聯鋼號；(3)用數字表示鋼號，但只表示出鋼的部分成分，如美國鋼號，鋼號的構成是阿拉伯字母的某學會標準縮寫+阿拉伯數字(4位、3位、2位或1位)，或單一的阿拉伯數字，如用4位數字表示時，前2位表示規定的鋼類，后2位表示萬分率的平均碳含量；(4)用拉丁字母和順序號或表示抗拉強度的數字組成鋼號，而不直接標明化學成分，如英國和日本的鋼號。

中國鋼鐵產品牌號表示方法(GB221-63)原則是鋼中元素用國際化學元素符號或漢字表示；產品用途、冶煉和澆注方法等用漢語拼音縮寫或漢字表示。

(1)低合金鋼、合金結構鋼和合金彈簧鋼。碳含量用萬分率表示其平均含量，寫在鋼號的最前面，例如有兩種鋼，平均碳含量分別為0.15％和0.40％，則鋼號中碳含量-項分別寫作15和40，余類推。鋼中主要合金元素含量的表示方法規定為：當某元素的平均含量<1.5％時，只在鋼號中(寫在表示碳含量的數字之后)標注該元素的化學符號(或者寫漢字)；當元素的平均含量≥1.5％、2.5％、3.5％…時，則在元素化學符號的后面分別加寫和元素化學符號同樣字號的2、3、4…等數字。鋼中起特殊作用的元素，通常雖其含量很少(如鈮、硼、稀土元素等)，也同樣標注元素的化學符號，-般都標在主要元素之后。此外，所有特殊質量的低合金鋼和合金鋼，都在鋼號的末尾加注“A”字或“高”字。上述規定舉例如16Mn、16MnCu、15MnB、40Cr、60Si2Mn、40CrNiMoA、20Cr2Ni4A等。

(2)合金工具鋼。當鋼中平均碳含量>1.0％時，鋼號中不標示碳含量；當碳含量<1.0％時，則規定用千分率表示，寫在鋼號的最前面。鋼中合金元素的表示方法基本上與合金結構鋼相同；只是平均鉻含量<1％的工具鋼，其鉻含量用干分率表示，并在用千分率表示的數字前加“0”(零)，寫在鉻元素符號之后。上述規定舉例如CrwMn、Cr12MoV、9CrSi、9Mn2V、Cr06等。

(3)高速工具鋼。碳含量-般不在鋼號中表示，個別情況下，如鋼中碳含量>1％，或者合金元素含量相同、碳含量不同的-組鋼，為區別起見，有時也用萬分率表示碳含量。主要合金元素的平均含量(單元素)直接用百分率寫在各元素化學符號之后。特殊合金元素(-般含量較少)只標注元素的化學符號。上述有關規定舉例如W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、95W18Cr4v、100W18Cr4V等。

(4)滾動軸承鋼。鋼號的最前面標準用途縮寫“G”或“滾”。鋼中碳含量不標示。高碳鉻軸承鋼中平均鉻含量用千分率表示。滲碳軸承鋼合金元素含量表示方法與合金結構鋼相同。不銹、高溫軸承鋼合金元素含量，直接用百分率寫在元素化學符號之后。上述有關規定舉例如GCr15(或滾鉻15)、GCr15SiMn、G20Cr2Ni4等。

(5)不銹鋼和耐熱鋼。這兩類鋼碳含量大都很低，-般在鋼號中不標示。鋼中主要合金元素平均含量用百分率表示。氮、鈦、鈮等按微量特殊元素只標示化學符號。合金元素量相同、碳含量不同的-組鋼，則用特定的千分率代號表示碳含量，例如，碳含量分別為≤0.04％、≤0.06％和≤0.12％的“Cr18Ni9Ti”鋼，它們的鋼號分別寫作00Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti。這里的“0”表示低碳，“00”表示超低碳。如果碳含量較高，仍用千分率表示，如9Cr18、4Cr9Si2鋼，相應的平均碳含量為0.9％和0.4％。鐵素體-珠光體型耐熱鋼的鋼號表示方法與合金結構鋼相同。

標準代號中國國家標準代號為GB(漢語拼音縮寫)。國際標準協會國際標準代號為ISO。其他主要產鋼國家的相應標準為：美國標準，即美國鋼鐵學會標準AISI和美國汽車工程師學會標準SAE；日本工業標準JIS；前蘇聯國家標準ГOCT；英國標準BS；德國工業標準DIN；法國標準NF；歐洲標準EuRONORM等。

發展趨勢世界主要產鋼國家，合金鋼發展的趨勢是，合金結構鋼占鋼總產量的比例越來越大；不銹耐酸鋼的比例增大；高速鋼、合金工具鋼和軸承鋼的比例相對減少；低合金高強度鋼以及淬火、回火超高強度鋼的發展速度遠遠大于其他合金鋼的發展。中國于80年代中期，低合金鋼發展迅速，在鋼總產量中的比重已達13.2％。由于世界范圍的合金資源和能源的短缺，要求發展那些消耗合金資源少，能大大節約能源的鋼種。例如20世紀50～60年代發展使用的硼鋼，60～70年代大量發展的微合金鋼和沖壓型雙相鋼(主要是板材)，80年代中期以來發展使用的低碳低合金節能型非沖壓雙相鋼等，都是適應世界資源和能源總情勢的產品。

20世紀以來，金屬學取得了-系列的重大成就。從宏觀到微觀，包括合金成分偏析、夾雜物、顯微組織、晶體結構和晶體缺陷等各個層次，在有關組織結構的作用及其變化因素諸方面都已積累大量知識，并總結出相應的規律。這些成就推動了冶金生產和技術的發展。在鋼的物理冶金學方面，也已確立了大量有關成分-組織結構-性能之間的定量關系和大量的經驗、實驗數據。特別是20世紀70年代以來，電子計算機應用技術進入了材料科學領域。這就使得鋼的合金設計發展到-個新階段。人們借助于電子計算機，從已有大量的有關成分-組織結構-性能之間的定量關系，可以直接由成分預報性能，或者反過來，由性能的要求來規定優化的成分。這二者當中關鍵的-環當是通過相應工藝改變合金的組織結構。例如，低合金鋼強度、韌性、焊接性的設計和估價，鋼的淬透性的計算、優化以及合金相圖的計算(特別是多元相圖的計算)等，已得到有成效的運用。可以認為，20世紀中、后期人類已進入按使用要求創制性能更好的金屬材料的時代。隨著工業生產設備和工藝的不斷改進，人們將會生產出更加純凈、更加勻質、更多規格的鋼材。