45号钢

定义

45号钢是优质碳素结构钢中的一个牌号，按中国推荐性国家标准 GB/T 699 的规定生产，其统一数字代号为 U20452^[1]。牌号中的“45”表示钢的平均含碳量约为万分之四十五，即 0.45%，并非序号，因此严格说不能读作“45号钢”，但实际使用中这一俗称广为流行^[4][5]。

按现行标准 GB/T 699-2015，该牌号的成品化学成分（质量分数）为碳 0.42%~0.50%、硅 0.17%~0.37%、锰 0.50%~0.80%，磷、硫均不超过 0.035%，铬、镍、铜等残余元素各有上限^[1]。由于含碳量处于中碳范围，它兼具高于低碳钢的强度硬度和优于高碳钢的塑性韧性，通常被归入中碳调质钢^[2][3]。

在国际牌号对照中，45号钢大致对应日本工业标准的 S45C、美国标准体系中的 1045 与 080M46、德国标准中的 C45^[6][7]。

原理

45号钢属于铁碳合金体系中的亚共析钢，其组织由铁素体和珠光体组成，珠光体的比例随含碳量升高而增加^[8]。碳含量提高到 0.45% 左右后，钢的强度和硬度较 30、35 号等低碳牌号明显提升，同时仍保留一定的塑性与韧性，即综合力学性能较好^[2]。其力学性能指标为抗拉强度不低于 600 MPa、屈服强度不低于 355 MPa、断后伸长率不低于 16%、断面收缩率不低于 40%^[1]。

热处理是发挥该牌号性能的主要手段。标准推荐的热处理制度为正火 850 ℃、淬火 840 ℃、回火 600 ℃^[1][7]。淬火使奥氏体转变为马氏体，获得高硬度；随后高温回火（调质）得到以回火索氏体为主的组织，从而在强度与韧性之间取得平衡^[9]。以铁素体硬度 $H_F$ 和碳化物弥散强化项为基础，回火索氏体的硬度可表示为 $H = H_F + aS$，其中弥散项与碳化物颗粒的状态有关^[9]。

对于既要求表面耐磨又要求心部韧性的零件，可在调质后再进行高频或火焰表面淬火，使表层获得高硬度而心部保持韧性^[9][6]。淬火态未回火时，其硬度可达 HRC55 以上，最高约 HRC62，但这一数值一般对应小截面试样，截面增大后实际获得的硬度会下降^[6]。

发展历程

45号钢所属的优质碳素结构钢标准在中国首次发布于 1965 年 1 月，此后于 1988 年 2 月第一次修订，形成 GB/T 699-1988。1999 年 11 月 1 日，修订后的 GB/T 699-1999 发布，2000 年 8 月 1 日实施，全面代替 1988 年版，并将标准名称由《优质碳素结构钢技术条件》改为《优质碳素结构钢》^[10][11]。

1999 年版的修订内容还包括：适用范围扩大到直径或厚度大于 250 mm 的钢材、增加订货内容一章、引入钢产品标记代号和牌号的统一数字代号、将 40 号以下牌号的碳含量范围缩小 0.01%，并把磷硫含量和低倍组织按冶金质量分为三级^[11]。其中统一数字代号体系依据 GB/T 17616-1998，45 号钢对应 U20452，末位数字表示质量等级和脱氧程度。

现行标准 GB/T 699-2015 于 2015 年 12 月 10 日发布，2016 年 11 月 1 日起实施，全部代替 GB/T 699-1999^[12]。该版取消了按高级优质钢和特级优质钢分类及牌号后缀“A”“E”，取消了钢棒按冶金质量的分类以及沸腾钢、半镇静钢，并将“屈服点”明确为下屈服强度或规定塑性延伸强度，力学性能符号改用 Rm、ReL、A、Z、KU2 等^[13]。

应用

45号钢在机械制造中用于制造强度要求较高的零件，典型产品包括轴类、齿轮、齿条、连杆、蜗杆、丝杠、套筒、键以及重要的螺钉和螺母等^[2][3]。它适合制作承受负荷较大的小截面调质件、应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件^[14][7]。

在动力机械领域，该牌号可用于透平机叶轮、压缩机活塞等运动件，也用于中重型机械设备的传动轴、曲轴、连接杆等^[3][15]。此外，它还可用来制造扳手等手工工具，并在机床主轴、齿轮、曲轴、活塞销等零件上以表面淬火替代渗碳钢使用^[15]。

以该材料轧制的钢板可按热轧、正火、回火、调质等状态交货，用于机械结构件和建筑结构件，也可用于汽车车架、底盘以及石油化工设备等。航空领域还存在纯净度更高、硫磷控制更严的 45A 高级优质钢，执行国军标 GJB1951-94，用于中等载荷的轴类、齿轮、销轴和紧固件^[16]。

局限

淬透性低是45号钢最突出的短板。作为不含合金元素的中碳碳钢，其水中临界淬透直径仅约 12~17 mm，截面尺寸超过该范围后淬火效果明显下降，大截面零件的心部难以获得足够强度^[3]。当直径大于 80 mm 时，调质与正火后的力学性能差别不大，因而大型零件通常以正火处理更为合适^[3]。

水淬开裂倾向是该牌号的另一项限制。45号钢在水中淬火时容易产生裂纹，形状复杂的零件宜在热水或油中淬火；同时钢材存在回火脆性倾向，回火后宜快速冷却^[3][16]。表面氮化处理也不适用于该牌号，虽然能使表面硬度大幅提高，但基体硬度偏低，受压后易出现压痕^[6]。

焊接性较差同样制约其使用范围。该钢碳当量较大，焊接时热影响区淬硬倾向明显，容易产生冷裂纹，重要受力件一般应尽量避免焊接；确需焊接时须焊前预热、焊后消除应力退火^[14][17]。在要求高强度、高淬透性或强耐蚀性的场合，通常需要改用合金结构钢^[16]。

参见

• 优质碳素结构钢 —— 45号钢所属的钢类，按硫磷含量与力学性能划分牌号。

• 中碳钢 —— 含碳量处于 0.30%~0.60% 区间的碳钢，45号钢属于其中一员。

• 调质处理 —— 淬火加高温回火的双重热处理工艺，是45号钢获得综合力学性能的主要途径。

• 淬透性 —— 表征钢件淬火后获得马氏体层深度的能力，是45号钢的主要短板所在。

• 合金结构钢 —— 加入合金元素以改善淬透性和强韧性的钢类，常用于替代45号钢制造大截面零件。

• GB/T 699 —— 规定45号钢牌号、化学成分与力学性能的中国国家标准。