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在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。钢的合金化目的是希望利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。合金元素与铁、碳的相互作用合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。溶于铁中几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中，形成合金铁素体或合金奥氏体，按其对α-Fe或γ-Fe的作用，可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。扩大γ相区的元素—亦称奥氏体稳定化元素，主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等，它们使A3点(γ-Feα-Fe的转变点)下降，A4点(γ-Fe的转变点)上升，从而扩大γ-相的存在范围。其中Ni、Mn等加入到一定量后，可使γ相区扩大到室温以下，使α相区消失，称为完全扩大γ相区元素。另外一些元素(如C、N、Cu等)，虽然扩大γ相区，但不能扩大到室温，故称之为部分扩大γ相区的元素。
热处理特点这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显组织一般为铁素体+索氏体。合金渗碳钢用途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。性能要求表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。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，并有良好的淬透性。成分特点低碳：碳含量一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
合金钢的编号
牌号首部用数字标明碳含量。规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳含量，而工具钢的碳含量超过1%时，碳含量不标出。在表明碳含量数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，含量由其后面的数字标明，平均含量少于1.5%时不标数，平均含量为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%时，相应地标以2、3。金结构钢40Cr，平均碳含量为0.40%，主要合金元素Cr的含量在1.5%以下。合金工具钢5CrMnMo，平均碳含量为0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的含量均在1.5%以下。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。如:滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。GCr15表含碳量约1.0%、铬含量约1.5%(这是一个特例，铬含量以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn，表示碳含量为0.4%、锰含量少于1.5%的易切削钢等等。对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4。
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