任务3 结构钢
按应用分类，结构钢一般分为两大类：一类是制造机器零件，如汽车、拖拉机、电站设备、电动机等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、轴承、紧固件等；另一类是制造各种金属结构的工程用钢，如桥梁、船体、厂房结构、高压容器等，它们是合金钢中用途最广、最大的钢种。
机器零件在工作时会承受各种复杂载荷，如拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、疲劳、摩擦等作用，同时还受到温度、腐蚀等环境因素的作用。因而机器结构钢要具有良好的力学性能，足够高的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度及足够强的韧性，同时要具有良好的冷热压力加工、切削加工、焊接及热处理等工艺性能。
此外，结构钢的用途广、用量大，因此结构钢中的合金元素要符合资源丰富、价格低廉的要求。
按钢的具体用途分类，结构钢一般分为工程构件用钢和机械零件用钢。
一、工程构件用钢
工程构件用钢是指用于制作各种大型金属结构如桥梁、船舶、车辆、锅炉和压力容器等所用的钢材。
工程构件的主要生产过程有冷变形与焊接两大方面，所以，对工程构件用钢必须相应要求有良好的冷变形性和焊接性。另外，为使工程构件在大气或海水中能长期稳定地工作，应要求工程构件用钢具有一定的耐大气及海水腐蚀的能力。
目前，绝大多数工程构件用钢都采用低碳钢，wC一般在0．2%以下，加入微量的V、Ti、Nb、Zr、Cu、Re等元素。通常是在热轧空冷（正火）状态下或有时在正火、回火状态下使用，用户一般不再进行热处理。
1．碳素工程构件用钢
碳素工程构件用钢又称碳素结构钢，通常分为普通质量碳素结构钢和优质碳素结构钢，其产量占钢总产量的70%～80%。
1）普通质量碳素工程素构件用钢
由于普通质量碳素工程构件用钢易于冶炼，价格低廉，其性能也基本满足一般构件的要求，所以工程上用量很大，表6－4列出了这类钢的牌号、质量等级、化学成分、脱氧方法、力学性能及用途。
表6－4 普通质量碳素工程构件用钢牌号、质量等级、化学成分、脱氧方法、力学性能及用途
其中，Q195、Q215钢通常可轧制成薄板、钢筋，可用于制作铆钉、螺钉、地脚螺栓及轻负荷的冲压零件的焊接结构件等；Q235、Q255钢可用于制作螺栓、螺母、拉杆、销、吊钩和不太重要的机构零件，以及建筑结构中的螺纹钢、工字钢、槽钢、钢筋等；Q235C、Q235D还可作为重要焊接结构用钢；Q275钢可部分代替优质碳素结构钢25～35钢使用。按GB／T13304．1—2008《钢分类》，该类钢分为A、B两级，Q195、Q275一般无特殊要求的是普通质量非合金钢，其余的是优质非合金钢。
另外，根据一些专业的特殊要求，对普通质量碳素结构钢的成分和工艺做些微小的调整，使其分别适合于各专业的应用，从而派生出一系列的专业用钢，如桥梁用钢和船舶用钢等。
2）优质碳素工程构件用钢
与普通质量碳素工程构件用钢相比，这类钢必须同时保证化学成分和力学性能，其牌号体现了化学成分。它的硫、磷含量较低，夹杂物也较少，综合力学性能优于普通质量碳素工程构件用钢，通常作为热轧或冷轧（拉）材以锻材供应，为了充分发挥其性能潜力，一般都需经热处理后使用。
2．低合金工程构件用钢
低合金工程构件用钢又称为低合金结构钢，低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上添加少量合金元素（合金元素总量不超过5%，一般在3%以下），具有较高强度的工程构件用钢。由于强度高，用此钢可提高工程构件使用的可靠性及减轻构件重量，节约了钢材。
几种低合金结构钢牌号、质量等级、化学成分、钢材厚度、力学性能及用途如表6－5所示。
表6－5 几种低合金结构钢牌号、质量等级、化学成分、钢材厚度、力学性能及用途
1）成分特点
从表6－5中可以看出，这类钢具有以下特点。①含碳量wC≤0．2%，以此满足塑性、韧性、焊接性及冷塑性加工性能的要求。②合金元素含量也较低，主加合金元素为锰，锰具有明显的固溶强化作用，细化了铁素体和珠光体尺寸，增加了珠光体的相对量并抑制了硫的有害作用，故锰既是强化元素，又是韧化元素；辅加合金元素为V，Ti，Nb，Al等强碳（氮）化合物形成元素，所产生的细小化合物既可通过弥散强化进一步提高强度，又可细化晶粒而起到细晶强韧化（尤其是韧化）的作用；其他特殊元素如Cu、P提高了耐大气腐蚀能力，微量稀土元素（Re）可起到脱硫、去气、改善夹杂物形态与分布的作用，从而进一步提高钢的力学性能和工艺性能。
2）性能要求
低合金结构钢的屈服强度（σ）一般在300MPa以上，高于普通碳素结构钢，且要求有足够的塑性、韧性及低温韧性、良好的焊接性和冷、热塑性加工性能。
3）典型钢号与热处理特点
Q345（16Mn）和Q420（15MnVN），与普通碳素结构钢Q235相比屈服强度分别提高到了345MPa和420MPa。如武汉长江大桥采用Q235制造，其主跨跨度为128m；南京长江大桥采用Q345（16Mn）制造，其主跨跨度增加到160m：而九江长桥采用Q420（15MnVN）制造，其主跨跨度增加到216m，这类钢大多在热轧空冷状态使用，考虑到零件加工特点，有时也可在正火、正火加高温回火或冷塑性变形状态使用。
3．工程构件用钢的发展趋势
低合金结构钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，合金元素耗量少，且不需进行复杂的热处理，与碳素结构钢相比已越来越受到重视。目前，这类钢发展趋势如下。
（1）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，以达到更高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素，如V、Ti、Nb等，通过控制轧制时的再结晶过程，使钢的晶粒细化，达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果。
（2）通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多的其他元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组织。这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。
（3）超低碳化。为了保证韧性和焊接性能，碳的质量分数进一步降到10－6数量级，此时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。
我国的微合金化元素资源十分丰富，所以，低合金结构钢在我国具有极其广阔的发展前景。
二、机器零件用钢
机器零件用钢用来制造各种机器零件，如制造轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，是机械制造行业中广泛使用且用量最大的钢种。
根据机器零件用钢热处理的工艺特点和用途，一般可将其分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢四大类，其他还包括超高强度钢和易切削钢等。
1．渗碳钢
渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的钢。它一般为低碳的优质碳素结构钢与合金结构钢，主要用于制造要求高耐磨性、能承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。
（1）渗碳钢性能特点。①表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；②心部具有良好的韧性；③优良的热处理工艺性能，如较好的淬透性以保证渗碳件的心部性能，在高渗碳温度（一般为930℃）和长渗碳时间下奥氏体晶粒长大倾向小，以便于渗碳后直接淬火。
（2）渗碳钢的成分特点。①低碳，一般wC＝0．1%～0．25%，以保证零件心部具有足够的塑性和韧性，能抵抗冲击载荷；②合金元素，主加合金元素为Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；辅加合金元素为微量的Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。
（3）常用渗碳钢及热处理。常用主要渗碳钢的种类、牌号、热处理工艺、力学性能及用途如表6－6所示，按其淬透性（或强度等级）不同，渗碳钢可分为以下三大类。
表6－6 常用主要渗碳钢的种类、牌号、热处理工艺、力学性能及用途
续表
①低淬透性渗碳钢，即低强度渗碳钢（强度级别σb＜800MPa），这类钢的水淬临界直径一般不超过20～35mm，典型的有20钢、20Cr钢、20Mn2钢、20MnV钢等，只适合于制造对心部性能要求不高的、承受轻载的小尺寸耐磨件，如小齿轮、活塞销、链条等。
②中淬透性渗碳钢，即中强度渗碳钢（强度级别σb＜800～1 200MPa），这类钢的油淬临界直径为25～60mm，典型的有20CrMnTi钢，20CrMnMo钢等。由于淬透性较高、力学性能和工艺性能良好，故而大量用于制造高速中载、冲击和剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车与拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。
③高淬透性渗碳钢，即高强度渗碳钢（强度级别σb＞1 200MPa），这类钢的油淬临界直径在100mm以上，典型的有18Cr2Ni4WA钢，主要用于制造大截面的、承受高载及要求高耐磨性与良好韧性的重要零件，如飞机、坦克的曲线与齿轮。
渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直接淬火（一次淬火或二次淬火），然后再低温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直接淬火或一次淬火，然后再低温回火；高合金渗碳钢则采用二次淬火和低温回火处理。
下面以应用广泛的20CrMnTi钢为例，分析其热处理工艺规范。20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路线：下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火→低温回火→磨齿。正火作为预备热处理，其目的是改善锻造组织、调整硬度（170～210HBS）以便于机加工，正火后的组织为索氏体＋铁素体。最终热处理渗碳后预冷到875℃直接淬火＋低温回火，预冷的目的在于减少了残余奥氏体，最终热处理后其组织由表面往心部依次为回火马氏体＋颗粒状碳化物＋残余奥氏体↑回火马体＋残余奥氏体。而心部的组织分为两种情况：在淬透时为低碳马氏体＋铁素体；未淬透时为索氏体＋铁素体。20CrMnTi钢经上述处理后可获得高耐磨性的渗透层，心部具有较高的强度和良好的韧性，适宜制造承受高速中载且抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、锥齿轮和一些重要的轴类零件。
2．调质钢
调质钢通常是指经调质处理后使用的钢。一般为中碳素结构钢与合金结构钢，主要用于承受较大循环冲击载荷或各种复合应力的零件。
（1）调质钢的性能特点。所谓调质钢处理即淬火＋高温回火处理，得到回火索氏体组织。此类钢要求强度、硬度、塑性、韧性有良好的配合，即要求钢材具有较高的综合力学性能。
（2）调质钢的成分特点。①中碳调质钢的wC一般在0．25%～0．5%，多为0．4%左右，以保证调质处理后优良的强度和韧性的配合。碳的质量分数过低，钢的强度下降；碳的质量分数过高，又会损害钢的塑性和韧性。②合金元素，主加元素为Mn、Si、Cr、Ni、B等，其主要作用是提高调质钢的淬透性，如40钢的水淬临界直径仅为18mm，而CrNiMo钢的油淬临界直径便已超过了70mm；次要作用是溶入固溶体（铁素体）起固溶强化作用。辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是进一步改善了淬透性，V的主要作用是形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化和弥散强化的作用，几乎所有的合金元素均提高了调质钢的回火稳定性。
（3）常用调质钢及热处理特点。GB／T 699—1999，GB／T 3077—1999和GB／T 5216—2004中所列的中碳钢均可用做调质钢，表6－7所示的为部分常用调质钢的种类、牌号、热处理、力学性能及用途。
调质钢的热处理有两种情况。①预先热处理。调质钢预先热处理的主要目的是保证零件的切削加工性能，依据碳的质量分数和合金元素的种类、数量不同，可进行正火处理（碳及合金元素质量分数较低，如40钢）、退火处理（碳及合金元素质量分数高，如42CrMo钢）、甚至正火＋高温回火处理（淬透性高的调质钢，如40CrNiMo钢）。②最终热处理。最终热处理即淬火＋高温回火，淬火介质和淬火方法根据钢的淬透性和零件的形状尺寸选择确定。回火温度的选择取决于调质件的硬度要求，由于零件硬度可间接反映强度与韧性，故技术文件上一般仅规定硬度数值，只有很重要的零件才规定其他力学性能指标。
表6－7 常用调质钢的种类、牌号、热处理、力学性能及用途
续表
注：力学性能试验用毛坯试样直径尺寸，除38CrMoAlA（30mm）外均为25mm。
现以40Cr钢为例分析其热处理工艺规范。40Cr钢作为拖拉机上的连杆、螺栓材料，其工艺路线：下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工→装配。在工艺路线中，预先热处理采用退火（或正火），其目的是改善锻造组织，消除缺陷，细化晶粒，调整硬度以便切削加工，并为淬火做好组织准备。调质工艺采用830℃加热、油淬，得到马氏体组织，然后在525℃回火。为防止第二类回火脆性，在回火的冷却过程中采用水冷，最终使用状态下的组织为回火索氏体。
（4）调质钢的新发展。①低碳马氏体钢。低碳马氏体钢是利用低碳马氏体具有高强度的同时兼有良好的塑性和韧性的特点而开发的，低碳马氏体是具有高密度位错的板条马氏体，其内部有回火或低温回火析出的细小弥散的碳化物，并有少量的残余奥氏体薄膜，因而具有高强韧性。低碳马氏体钢是指低碳钢或低碳合金结构钢经淬火、低温回火后使用的钢材，此时不仅具有高强度和良好塑性、韧性相结合的特点，而且具有低的缺口敏感性、低的冷脆转变温度和优良的冷形性、焊接性，其综合力学性能可以达到中碳合金钢调质处理后的水平。例如，我国研制生产的石油钻机用的吊环、吊卡采用低碳马氏体钢20SiMn2MoVA，由于强度高，使其质量降为35钢吊环的42．3%，大大减轻了石油钻井工人的劳动强度。用铆螺钢ML15MnVB制造的汽车用高强度连杆螺栓、汽缸螺栓、半轴螺栓，淬火、低温回火处理后使用性能优于ML40Cr钢（GB／T 6478—2001）调质的螺栓。②中碳微合金化非调质钢。为了节约能源，简化工艺，近年来，开发了不需进行调质处理，而是通过锻造时控制终锻后的冷却速度来获取得的高强韧性能的钢材，这种钢材称为非调质机械结构钢（GB／T 15712—2008），与传统调质钢的生产工艺比较，非调质钢的生产工艺大为简化。
非调质钢是在中碳钢（wC＝0．30%～0．50%）中添加微量合金元素（V、Ti、Nb和N等），钢材加热时，这些元素固溶在奥氏体中，通过控制轧制（锻制）、控温冷却，在铁素体和珠光体中弥散析出碳、氮化物为强化相，使钢在轧制（锻制）后不经调质处理即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。该类钢按使用加工方法不同分为两类：①切削加工用非调质机械结构钢，牌号以YF为首；②热锻用非调质机械结构钢，牌号以F为首。例如，YF35MnV钢汽车发动机连杆性能已达到或超过55钢连杆，而可加工性远远优于55钢。非调质钢大多属于低合金钢。表6－8列举了两种典型非调质机械结构钢的化学成分和力学性能。
表6－8 两种典型非调质机械结构钢的牌号、化学成分和力学性能
3．弹簧钢
弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。
在各种机械设备中，弹簧的主要作用是通过弹性变形储存能量（即弹性变形功），从而传递力（或能）和机械运动或缓和机械的振动与冲击，如汽车、火车上的各种板弹簧和螺旋弹簧、仪表弹簧等，通常是在长期的交变应力下承受拉压、扭转、弯曲和在冲击条件下工作。
（1）性能要求。①高的弹性极限σe和屈强比σe／σb以保证优良的弹性性能，即吸收大量的弹性而不产生塑性变形；②高的疲劳极限，疲劳是弹簧的最主要破坏形式之一，疲劳性能除与钢的成分结构有关以外，还主要受钢的冶金质量（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量（如脱碳）的影响；③足够的塑性和韧性以防止冲击断裂；④其他性能，如良好热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。
（2）成分特点。①中、高碳。一般来说，碳素弹簧钢wC＝0．60%～0．9%，合金弹簧钢wC＝0．45%～0．70%，经淬火＋中温回火后得到回火屈氏体组织，能较好地保证弹簧钢的性能要求。近年来，又开发出了综合性能优良的低碳马氏体弹簧钢。在淬低温回火的板条马氏体组织下使用。②合金元素。普通用途的合金弹簧钢一般是低合金钢，主加元素为Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷、Mn引起的过热缺陷并提高回火稳定性及耐热性等。特殊用途的弹簧因耐高低温、耐蚀、抗磁等方面的特殊性能要求，必须选用特殊弹性材料，包括高合金钢的弹性合金。高合金弹簧钢包括不锈钢、耐热钢、高速钢等，其中以不锈钢应用最多、最广。
（3）常用弹簧钢及热处理。我国常用弹簧钢的类别、牌号、性能特点和主要用途如表6－9所示，其化学成分、热处理工艺的力学性能可参照国家标准GB／T 1222—2007。
表6－9 常用主要弹簧钢的类别、牌号、性能特点及主要用途
弹簧钢热处理取决于弹簧的加工成形方法，一般可分为热成形弹簧和冷成形弹簧两大类。①碳素弹簧钢（即非合金弹簧钢）。其价格便宜，但淬透性较差，适用于截面尺寸较小的非重要弹簧，其中以65钢、65Mn钢最常用。②合金弹簧钢。根据主加合金元素种类不同可分为两大类：Si－Mn系（即非Cr系）弹簧钢和Cr系弹簧钢。前者淬透性较碳钢高，价格不很昂贵，故应用最广，主要用于截面尺寸不大于25mm的各类弹簧，60Si2Mn钢是其典型代表；后者的淬透性较好，综合力学性能高，弹簧表面不脱碳，但价格相对较高，一般用于截面尺寸较大的重要弹簧，50CrVA钢是其典型代表。③热成形弹簧。对截面尺寸大于10mm的各种大型的和形状复杂的弹簧均采用热成形（如热轧、热卷），如汽车、拖拉机、火车板簧的螺旋弹簧。其简明加工路线：扁钢或圆钢下料→加热压弯或卷绕→淬火＋中温回火→表面喷丸处理。使用状态组织为回火托氏体，喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。近年来，热成形弹簧也可采用等温淬火获得下贝氏体或形变热处理，对提高弹簧的性能和寿命也有较明显的作用。④冷成形弹簧。截面尺寸小于10mm的各种小型弹簧可采用冷成形（如冷卷、冷轧），如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火＋中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（冷轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般在200～400℃）。
4．滚动轴承钢
滚动轴承钢是用于制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密件如针阀体、柱塞等耐磨件。
（1）性能要求。由于滚动轴承要承受高达3 000～5 000MPa的交变接触应力和极大的摩擦力，还将受到大气、水及润滑剂的侵蚀，其主要损坏形式为接触疲劳（麻点剥落）、磨损和腐蚀等。故对滚动轴承钢提出的主要性能要求如下：①高的接触疲劳极限的弹性极限；②高的硬度和耐磨性；③适当的韧性的耐蚀性及尺寸稳定性。
（2）成分特点。传统的滚动轴承是一种高碳低铬钢，它是轴承钢的主要材料，其成分特点如下。①高碳，一般wC＝0．95%～1．15%，用于保证轴承钢的高硬度和高耐磨性。②合金元素，一般是低合金钢，其基本元素是铬，且wC＝0．40%～1．65%，它的主要作用是增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C以提高接触疲劳极限和耐磨性。为了制造大型轴承，还需加入Si、Mn、Mo等元素以进一步提高淬透性和强度。对无铬轴承钢还应加入V元素用来形成VC以保证耐磨性并细化晶粒。③钢的纯度及组织均匀性高。轴承的失效统计表明，由原材料质量问题而引起的失效约占65%，故轴承钢的杂质含量规定很低（wC＜0．020%～0．027%）夹杂物级别应低，成分和组织均匀性（尤其是碳化物均匀性）应高，这样才能保证轴承钢的高接触疲劳极限和足够的韧性。
除了传统的铬轴承钢外，生产中还发展了一些具有特殊目的和用途的滚动轴承钢，如节省了铬资源的无铬轴承钢、抗冲击载荷的渗碳轴承钢、耐腐蚀的不锈钢轴承钢、耐高温的高温轴承钢，其成分特点详见相应钢种的国家标准。
（3）常用轴承钢与热处理特点。国际标准ISO 683／Part将已纳标的滚动轴承钢分为四大类：高碳铬轴承钢（即全淬透性轴承钢）、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢。我国常用主要轴承钢的类别、牌号、主要特点及用途如表6－10所示，其具体成分与热处理工艺详见相应钢材的国家标准。
表6－10 常用主要轴承钢的类别、牌号、主要特点及用途
高碳铬轴承钢（如GCr15钢）是最常用的轴承钢，其主要热处理：①预先热处理→球化退火，其目的是改善切削加工性并为淬火做组织准备；②最终热处理→淬火＋低温回火，它是决定轴承钢性能的关键，目的是得到高硬度（62～66HRC）和高耐磨性。为了较彻底地消除残余奥氏体与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度，还可在淬火后进行一次处理（－60～－80℃），在磨削加工后进行低温时效处理等。
5．其他结构钢
1）超高强度钢
超高强度钢一般是指σb＞1 500MPa或σs＞1 380MPa的合金结构钢，是一种新发展的结构材料。随着航天航空技术的飞速发展，对结构轻量化的要求越突出，这意味着材料应有高的比强度和比刚度。超高强度钢就是在合金钢的基础上，通过严格控制材料冶金质量、化学成分和热处理工艺而发展起来的，以强度为首要要求并辅以适当韧性的钢种。其主要用于制造飞机起落架、机翼大梁、火箭及发动机壳体与武器的炮筒、枪筒、防弹板等。
超高强度钢通常按化学成分和强韧化机制分为低合金超高强度钢、二次硬化型超高强度钢、马氏体时效钢和超高强度不锈钢等四类。
低合金超高强度钢是在合金调质钢基础上加入一定量的某些合金元素而成，其碳的质量分数wC＜0．45%，以保证足够的塑性和韧性。合金元素wMe总量在5%左右，其主要作用是提高淬透性、耐回火性及韧性。热处理工艺为淬火和低温回火。例如，30CrMnSiNi2A钢，热处理后σb＝1 700～1 800MPa，它是航空工业中应用最广的一种低合金超高强度钢。
二次硬化型钢大多含有强碳化物形成元素，其总量wMe＝5%～10%。其典型的钢种是Cr－Mo－V型中合金超高强度钢，这类钢经过高温淬火和三次高温回火（580～600℃）获得了高强度、高抗氧化性和抗热疲劳性，其牌号有4Cr5MoSiV（平均碳的质量分数为千分数）等。二次硬化型超高强度钢还包括高合金Ni－Co类型钢。
马氏体时效钢碳的质量分数极低（wC＜0．03%），含镍量高（wNi＝18%～25%），并含有钼、钛、铌、铝等时效强化元素。这类钢淬火后经450～500℃时效处理，其金相组织为在低碳马氏体基体上弥散分布极细微的金属间化合物Ni2Mo、Fe2MoTi等粒子。因此，马氏体时效钢有极高的强度，良好的塑性、韧性及较高的断裂韧度，可以进行冷、热压力加工，冷加工硬化率低，焊接性良好，是制造超音速飞机及火箭壳体的重要材料，在模具和机械零件制造方面也有应用。典型的马氏体时效钢有Ni25Ti2AlN6（Ni25）和Ni18Co9Mo5TiA（Ni18）等，时效处理后σb在2 000MPa左右。
2）易切削钢
易切削钢是指具有优良切削加工性能的专用钢种，它是在钢中加入了某一种或几种元素，利用与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物的作用，从而使切削抗力下降、切屑易断易排、零件表面粗糙度改善和提高刀具寿命。目前广泛使用的元素是S、P、Pb、Ca等，这些元素一方面改善了钢的切削加工性能；但另一方面又不同程度地损害了钢的力学性能（主要是强度，尤其是韧性）和压力加工与焊接性能，这就意味着易切削钢一般不作为重要零件，如在冲击载荷或疲劳交变应力下工作的零件。
易切削钢主要适用于在高效自动机床上进行大批量生产的非重要零件，如标准件和紧固件（螺栓、螺母）、自行车与照相机零件。国家标准GB／T 8731—2008中共列有9个钢号的碳素易切削钢，如Y15钢、Y15Pb钢、Y20钢、Y45Ca钢、Y40Mn钢等。随着合金易切削钢的研制与应用，汽车工业上的齿轮和轴类零件也开始使用这类钢材；如用加Pb的20CrMo钢制齿轮，可节省加工时间和加工费用达30%以上，显示了采用合金易切削钢的优越性。
3）铸钢
铸钢是冶炼后直接铸造成形而不需轧成形的钢种。一些形状复杂、综合力学性能要求较高的大型零件，在加工时难用锻轧方法成形，在性能上又不允许用力学性能较差的铸铁制造，即可采用铸钢。目前，铸钢在重型机械制造、运输机械、国防工业等部门应用广泛。理论上，凡用于锻件和轧材的钢号均可用于铸钢件，但考虑到铸钢对铸造性能、焊接性能和切削加工性能的良好要求，铸钢的碳的质量分数一般为wC＝0．15%～0．60%。为了提高铸钢的性能，也可进行热处理（主要是退火、正火，小型铸钢件还可进行淬火、回火处理）。生产上的铸钢主要有碳素铸钢和低合金铸钢两大类。
（1）碳素铸钢。按用途分为一般工程用碳素钢和焊接结构用碳素铸钢，前者在国家标准GB／T 11352—2009列有5个牌号；后者的焊接性良好，在国家标准GB／T 7659—2010中列有3个牌号。表6－11列举了碳素铸钢的类别、牌号（同时给出了对应的旧牌号）、力学性能及用途。
表6－11 碳素铸钢的类别、牌号同时对应的旧牌号、力学性能及用途
续表
注：表中力学性能是在正火（或退火）＋回火状态下测定的。
（2）低合金铸钢。低合金铸钢是在碳素铸钢的基础上，适当提高Mn、Si的元素含量，常用牌号有ZG40Cr、ZG40Mn、ZG35SiMn、ZG35CrMo和ZG35CrMnSi等。低合金铸钢的综合力学性能明显优于碳素铸钢，大多用于承受较重载荷、冲击和摩擦的机械零件部件，如各种高强度齿轮、水压机工作缸、高速列车车钩等。为充分发挥合金元素的作用以提高低合金铸钢的性能，通常应对其进行热处理，如退火、正火、调质和各种表面热处理。