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这类钢,由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性－脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。
合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢。
①调质结构钢 这类钢的含碳量一般约为0.25%～0.55%，对于既定截面尺寸的结构件，在调质处理（淬火加回火）时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn钢约为30～40mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV钢则约为 60～100mm，常用于制造承受较大载荷的轴、连杆等结构件。
②表面硬化结构钢 用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件,如齿轮、轴等。为使零件心部韧性高,钢中含碳量应低，一般在0.12～0.25%，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。氮化钢还需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。渗碳或碳氮共渗钢，经850～950℃渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火(约200℃)状态下使用。氮化钢经氮化处理(480～580℃)，直接使用，不再经淬火与回火处理。
根据钢种和钢的质量要求，合金结构钢的冶炼，可采用氧气顶吹转炉、平炉、电弧炉；或再加电渣重熔、真空除气。铸锭可采用连铸或模铸。钢锭应缓慢冷却或热送锻造、轧制。钢锭加热时，应力求温度均匀并有足够的保温时间，以改善偏析缺陷和避免锻、轧时变形不均匀；锻、轧后的钢材，尺寸小的、特别是含碳0.2%左右的渗碳钢,在600℃以上时应快速冷却,以免加重带状组织；截面较大的锻件，应采取措施消除内应力和白点。调质钢应尽可能淬火成马氏体组织，然后回火成索氏体组织；渗碳钢在渗碳过程中，渗层浓度梯度不宜过大,以免在渗层晶界上出现连续网状碳化物;氮化钢必需先经热处理得到所需的性能，再经***后精加工才能进行氮化。氮化处理后除将脆薄的“白层”研磨除去外，不再加工。
1.按化学成分分类
碳素钢按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
(1) 低碳钢
又称软钢，含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削，常用于制造链条，铆钉，螺栓，轴等。
(2) 中碳钢
碳量0.25%～0.60%的碳素钢。有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。除碳外还可含有少量锰（0.70%～1.20%）。按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的硬度约为HRC55(HB538），σb为600～1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到***广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。
（3）高碳钢
常称工具钢，含碳量从0.60%至1.70%，可以淬硬和回火。锤，撬棍等由含碳量0.75%的钢制造； 切削工具如钻头，丝攻，铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。
2.按钢的品质分类
按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。
（1）普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。在中国和某些 根据交货的保证条件又分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢(C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。中国目前生产和使用***多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢），主要用于工程结构。
有的碳素结构钢还添加量的铝或铌（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物粒，以限制晶粒长大，使钢强化，节约钢材。在中国和某些 ，为适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等）。
（2）优质碳素结构钢和普通碳素结构钢相比，硫、磷及其他非金属夹杂物的含量较低。根据含碳量和用途的不同，这类钢大致又分为三类：小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F,08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐……等。20G则是制造普通锅炉的主要材料。此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等。根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
3.按用途分类
按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。
碳素工具钢 含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具（见工具钢）。
碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个牌号：
Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D等级，***多的有四种，有的只有一；另外还有钢材冶炼的脱氧方法区别。
脱氧方法符号：
F——沸腾钢
b——半镇静钢
Z——镇静钢
TZ——特殊镇静钢
