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合金结构钢因其适宜的淬透性和经过合理金属热处理后的均匀显微组织，使其具备了高抗拉强度和屈强比，通常在0.85左右。这种合金结构钢还展现出较好的韧性和疲劳强度，以及较低的韧性—脆性转变温度，因此受到广泛应用，尤其是在制造大截面尺寸的机器零件时。
合金元素在结构钢中的作用主要体现在以下三个方面：
首先，合金元素可以显著增加钢的淬透性。淬透性是指钢在淬火过程中，从表面开始形成马氏体的深度，是获得良好综合性能的重要参数。除了钴，几乎所有合金元素（如锰、钼、铬、镍、硅、碳、氮和硼等）均能提升钢的淬透性。其中，锰、钼、铬和硼的影响较为显著，接下来是镍、硅和铜。而形成强碳化物的元素如钒、钛和铌，只有在与奥氏体溶解时才能有效提高钢的淬透性。
其次，合金元素还会影响钢的回火过程。由于这些合金元素在回火时能够阻止钢中不同原子的扩散，因此在同样的回火温度下，相较碳素钢，合金钢中马氏体的分解和碳化物的聚集会被延迟，从而提升钢的回火稳定性和抗回火软化能力。尤其是钒、钨、钛、铬和钼等元素的效果十分显著，而铝、锰和镍的影响相对较小。当合金中含有较多碳化物形成元素（如钒、钨、钼等）时，在500至600℃的回火过程中，会析出细小的特殊碳化物，如V4C3、Mo2C、W2C等，这些细小的颗粒能够替代部分较粗的合金渗碳体，从而使得钢的强度不仅不降反升，出现二次硬化现象。此外，钼能有效阻止或减轻钢的回火脆性。
最后，合金元素还将影响钢的强化和韧化。镍以固溶强化的方式提升铁素体的强度；而钼、钒、铌等碳化物形成元素则通过弥散硬化和固溶强化共同提高钢的屈服强度。特别是碳的强化作用最为显著。此外，添加这些合金元素通常会细化奥氏体晶粒，增强晶界的强化效应。影响钢的韧性因素相对复杂，其中镍能有效改善钢的韧性，而锰则有可能导致奥氏体晶粒粗化，对回火脆性较为敏感。此外，降低磷、硫的含量，提高钢材的纯净度，对提升钢的韧性具有重要意义。
