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機(jī)械材料的規(guī)格及選用

學(xué)習(xí)目的

1.瞭解機(jī)械材料規(guī)格的意義。

2.瞭解常用的機(jī)械材料規(guī)格。

3.瞭解各種規(guī)格編號(hào)的意義。

4.能選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧稀?/p>

1-1前言

規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是資料技術(shù)溝通的依據(jù)。為了適合某一種特別的用途，生產(chǎn)者當(dāng)然必須促使產(chǎn)品能夠符合需要，這樣就有規(guī)範(fàn)的存在必要。而隨著工業(yè)化程度的提高及國(guó)際間貿(mào)易往來(lái)的趨勢(shì)，產(chǎn)品的流通愈來(lái)愈頻繁，為了增進(jìn)效率及提供產(chǎn)品零件的互換性，工業(yè)規(guī)格的訂定更是必然的結(jié)果。在機(jī)械材料的範(fàn)疇方面，同樣的必須有一定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者及使用者依循的規(guī)範(fàn)。

完備的規(guī)格應(yīng)具有以下資料的敘述:

1.適用範(fàn)圍(Scope):包括用途(如：板、線、管)，適用尺寸等。

2.化學(xué)成分(Chemical Composition):包括各項(xiàng)成分元素的含量範(fàn)圍或成分代號(hào)。

3.定性敘述(Quality Statement):指品質(zhì)方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。

4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學(xué)成分範(fàn)圍、物理及機(jī)械性質(zhì)需求，以適應(yīng)使用上經(jīng)濟(jì)的理由。

5.其他需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。

現(xiàn)今世界各國(guó)各依其工業(yè)化的發(fā)展而有不同的工業(yè)規(guī)格，例如：美國(guó)的ANS(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))、日本的JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))、德國(guó)的DIN(德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))等。而在針對(duì)機(jī)械材料規(guī)格方面，常用的還包括ASTM(美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì))、AISI(美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì))、SAE(美國(guó)汽車協(xié)會(huì))等，而我國(guó)主要?jiǎng)t依據(jù)CNS(中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))訂定。

材料的選擇及應(yīng)用是學(xué)習(xí)材料規(guī)格的重要目的，所以本章最後舉例說(shuō)明，如何在產(chǎn)品需求及相關(guān)考慮之下，選擇適當(dāng)材料。

1-2材料的規(guī)格

一種機(jī)械材料的規(guī)格最主要可以由：材料的種類、成份和機(jī)械性質(zhì)來(lái)說(shuō)明。而為了標(biāo)準(zhǔn)化起見(jiàn)，材料必須經(jīng)由一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)規(guī)範(fàn)，確保其可靠度。世界各國(guó)都有其材料試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)程序，我國(guó)也不例外，例如：CNS有關(guān)材料試驗(yàn)部份，其中「鋼料之檢驗(yàn)通則」(CNS2608,G2018)規(guī)定：

本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用範(fàn)圍、檢驗(yàn)及重驗(yàn)三部分

適用範(fàn)圍：本標(biāo)準(zhǔn)適用於鋼料之一般檢驗(yàn)

檢驗(yàn)部份：說(shuō)明化學(xué)成份試驗(yàn)和機(jī)械性質(zhì)試驗(yàn)的試片取樣及檢驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)方法

重驗(yàn)部份：說(shuō)明規(guī)格部份不合規(guī)定的試片，必須經(jīng)由複驗(yàn)判定

合格及不合格。

又如「非鐵金屬材料之檢驗(yàn)通則」(CNS4195,H2045)中規(guī)定：

本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用範(fàn)圍、檢驗(yàn)及重驗(yàn)三部分

適用範(fàn)圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非鐵金屬材料檢查一般事項(xiàng)

檢驗(yàn)部份：規(guī)定有關(guān)外觀、尺度、化學(xué)成份試驗(yàn)和機(jī)械性質(zhì)試驗(yàn)

的試片取樣及試驗(yàn)事項(xiàng)

重驗(yàn)部份：說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果如部份規(guī)格與規(guī)定不合，必須經(jīng)由重驗(yàn)

判定合格及不合格。

1-3常用的材料編號(hào)

一般材料的化學(xué)成份與機(jī)械性質(zhì)是息息相關(guān)的，因此常用的材料編號(hào)大多是以化學(xué)成份命名為主，再輔以機(jī)械性質(zhì)(如第七章部分材料的規(guī)格敘述)。由於材料範(fàn)圍很廣，因此本章內(nèi)容，主要以鋼鐵材料的編號(hào)為主，另外輔以部分非鐵金屬及非金屬材料來(lái)做說(shuō)明。

在工業(yè)上，鋼鐵材料(包括碳鋼在內(nèi))必依其化學(xué)成份，使用一定的編號(hào)以利於選用，這是基本的認(rèn)識(shí)。目前，在我國(guó)較常用的規(guī)格有三種：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)－美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE)。另外德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)(UNS)相關(guān)業(yè)界有時(shí)也會(huì)採(cǎi)用。而其它還有常見(jiàn)的各國(guó)規(guī)格名稱。

1．中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)

（1）鋼鐵的規(guī)格

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CNS是Chinese National Standard的簡(jiǎn)寫(xiě)，CNS對(duì)鋼鐵材料的編號(hào)主要依據(jù)CNS 109 G1001(公佈：民國(guó)36年3月，修訂：民國(guó)85年3月)原則上由下列三部分組成：

第一部分為材質(zhì)，鋼鐵材料大部分以S(Steel鋼)或F(Ferrum鐵)

表示。

第二部分有兩種不同的表示法；

a．表示標(biāo)準(zhǔn)名稱或是製品用途。常用的有－P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途)

W：Wire(線材)  F：Forging(鍛造)  C：Casting(鑄造)

         例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。

             S UP：Use Spring，彈簧用鋼

b．用於結(jié)構(gòu)的鋼料(包括結(jié)構(gòu)用碳鋼及合金鋼)，代表主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時(shí))，表示含碳量時(shí)，通常以含碳量之100倍數(shù)值表示，

  例：SCM420：鉻鉬鋼，第420種

             S25C：碳鋼，含碳量0.25％。

第三部分為該材料之種類號(hào)碼，或是最低抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度。若是表示最小抗拉強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示。

   例：SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號(hào)420的材料

             STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼，抗拉強(qiáng)度不

             低於340 N/mm²。

以與合金量之表示法有所區(qū)別。常用於建築結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場(chǎng)合。

註：機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料的符號(hào)

機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說(shuō)明適用範(fàn)圍及其符號(hào)所代表的意義：

適用範(fàn)圍：機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳鋼鋼料及結(jié)構(gòu)用合金鋼鋼料種類符號(hào)之組成。

a．符號(hào)順序?yàn)?strong>鋼之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符號(hào)。其中除鋼之代表符號(hào)S、碳之符號(hào)C之外。

附加符號(hào)由第一群及第二群組成，

第一群—為鋼料為改善其性質(zhì)(例如切削性)所添加的特殊元素

（例）改善切削性之添加元素

第二群—為鋼料除化學(xué)成份之外的保證特性

（例）保證特殊特性之添加符號(hào)

（例）

S 30 C：碳鋼，含碳量0.30﹪

S 20 C 4：碳鋼，含碳量0.20﹪第四種構(gòu)造用碳鋼

S(55)C：一般構(gòu)造用碳鋼，最小抗拉強(qiáng)度55kg/mm²

S85WMo(HS)：含碳量0.85﹪的鎢鉬高速鋼

OS90C(T)：以平爐煉鋼法提煉，含碳量0.9﹪的工具鋼

b．碳含量的代表值。

（2）鋁及鋁合金的規(guī)格

鋁及鋁合金之種類及符號(hào)係依CNS 2068 H3021之規(guī)定，適用範(fàn)圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡(jiǎn)稱鍛鋁合金)及鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡(jiǎn)稱鑄鋁合金)之合金種類及鍊度符號(hào)。

鍛鋁合金之編號(hào)依其合金成分，共分1xxx~8xxx系，另有9xxx系為備用，，鑄鋁合金之規(guī)格亦分1xxx~9xxx九系，其中6xxx系為備用，這些已如第九章所述。

而所謂”鍊度”係指”製造過(guò)程中，依加工、熱處理等條件之差異所獲得機(jī)械性質(zhì)之區(qū)分”。鍊度符號(hào)又分為基本符號(hào)與細(xì)分符號(hào)?；痉?hào)為一字英文字母(大寫(xiě))，細(xì)分符號(hào)為一位數(shù)字或多位數(shù)字組合並附在基本符號(hào)之後。

a．基本符號(hào)

鋁合金的鍊度基本符號(hào)分為四種。

b．細(xì)分符號(hào)

鋁合金鍊度之基本符號(hào)H及T之細(xì)分符號(hào)，依下列規(guī)定。

鍛鋁合金的編號(hào)及化學(xué)成分。

2．日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)

JIS是Japanese Industral Standard 的簡(jiǎn)稱，JIS對(duì)於鋼鐵材料的的編號(hào)大致可分兩大類：

（1）一般機(jī)械構(gòu)造用碳鋼：

其材料編號(hào)方法和CNS的第一種表示法相同。

（例）S30C表示含碳量0.30﹪的機(jī)械構(gòu)造用碳鋼

（2）其他用途的碳鋼及合金鋼：

這一類鋼的材料編號(hào)表示法，大致可分三部分：

第一部分為材質(zhì)，鋼以S、鐵以F表示，其他非鐵類如表11- 。

第二部分表示鋼製品的規(guī)格或用途，例如：K代表工具鋼、TB代

表鍋爐用鋼管、PC2代表冷軋鋼板。

第三部分為為鋼料的種別，以1,2,3來(lái)表示。

此外如果需要，可將材料的加工方法、熱處理方式等附註於後，加工方法例如:D(Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處理方法大多記於金屬符號(hào)之後，並在二者之間加入”-“

（例）SK2：第二種碳素工具鋼

      SKS11：第十一種切削用工具鋼

      SUH301：第301種耐熱鋼

      SUS301-1/2H：第301種不銹鋼，1/2硬質(zhì)材料

3．常用的美國(guó)材料編號(hào)及規(guī)格

（1）美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)－美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE)

AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類，以四個(gè)(或五個(gè))數(shù)目字為記號(hào)來(lái)分類。其中

第一位數(shù)，表示鋼料的種類，如：鎳鋼為2、鎢鋼為7。

第二位數(shù)，為主要合金元素的百分值；0表示無(wú)其他合金元素。

第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。

（例）

SAE1045：含碳量0.45的碳鋼，與CNS中S45C鋼料相當(dāng)。

SAE4140：含碳量0.40的鉻鉬鋼，與JIS中SCM4鋼料相當(dāng)。

（2）美國(guó)材料協(xié)會(huì)及美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì) ASTM(ASME)

ASTM是非常廣泛被採(cǎi)用的材料規(guī)範(fàn)，它的特色主要是針對(duì)產(chǎn)品的特性及表現(xiàn)而定。ASTM表示法是以以字母+代號(hào)表示，再輔以年代之混合標(biāo)示，ASME則採(cǎi)用了相當(dāng)多的ASTM規(guī)範(fàn)，並以前置S表示。

  ASTM表示法:

例如: ASTM A36-77a   其中A     36  –   77        a

分別表示 (鋼鐵)(結(jié)構(gòu)用)(1977年)(第一次修訂)

又如: ASTM E8  代表拉伸試驗(yàn)規(guī)範(fàn)

ASME的表示法：

例如: ASME SA213 = ASTM A213

而同一編號(hào)又可依化學(xué)成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(tài)(Class)來(lái)區(qū)分。Grade主要敘述其化學(xué)性質(zhì)，Type指脫氧的情況，

Class:指一些其他性質(zhì)。如：強(qiáng)度、表面光度等。

（3）美國(guó)統(tǒng)一編號(hào)系統(tǒng) UNS

UNS是Unified Numbering System 的簡(jiǎn)稱，在1974年為ASTM及SAE 聯(lián)合制定，UNS 本身只是一種編號(hào)，而非規(guī)格，它將金屬分為17個(gè)系列編號(hào)並與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱統(tǒng)一編號(hào)系統(tǒng)。

4．德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)

DIN並不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫(xiě)，德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料的規(guī)格是在DIN 17006，補(bǔ)充說(shuō)明在DIN 17007，1974年改為 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數(shù)字來(lái)敘述其特徵，字母規(guī)定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數(shù)字則規(guī)定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強(qiáng)度、主合金之成分倍數(shù)等。

（1）碳鋼

一般以碳元素標(biāo)記及其含碳量表示，如 C60 表示含0.6％C的碳鋼。另外也有抗拉強(qiáng)度及其他表示法，例如:St50 表示抗拉強(qiáng)度50kg/mm²之構(gòu)造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強(qiáng)度為40kg/mm²。

（2）高級(jí)鋼料及低合金鋼

以其主要合金元素和含量為標(biāo)記，但在其中第三部分含量，為避免小數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)，表示值都己經(jīng)乘上固定倍數(shù)，而以整數(shù)型態(tài)呈現(xiàn)，所以由編號(hào)求取實(shí)際含量時(shí)必須再除以倍數(shù)。

第一部分:含碳量

第二部分:合金元素種類

第三部分:合金元素含量

例如:含碳量0.34％含鉻量1％的鋼材，表示為34Cr4

依此 13CrV53 即表示含碳量0.13％，含鉻量5/4=1.25

％，含釩量3/10=0.3％

（3）高合金鋼

在標(biāo)記前加上”x”，此外由於合金元素含量己高，因此不乘以倍數(shù)而直接表示。(如前述，高合金鋼通常是指合金總含量在8％以上的鋼料)

例如:含碳量0.12％的不銹鋼，含鉻量18％含鎳量8％，表示為

X12CrNi18 8

同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10％的高合金鋼，含鉻量18

％ 含鎳量10。

如果要進(jìn)一步標(biāo)示其特性，可以在其記號(hào)前後加上英文字母表示

例如:     M  A  St42  6  N

(1)(2)  (3) (4)(5)

其中除(3)為主標(biāo)記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產(chǎn)品特性、保證性能類別、熱處理情況等。

（4）鑄鐵、鑄鋼

以前置標(biāo)記G代表一般鑄件，另外加上其它字母來(lái)表示種類，隨後之標(biāo)示與鋼的編號(hào)相同，如表1所示。

例如:GS-C30為鑄鋼，含碳量0.30％

G-X120Mn12表示含碳量1.20％的鑄鐵，含錳量12％。

表1  德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 之鑄鐵分類

1-4材料的選用

1-4-1 材料選擇的根據(jù)

材料的種類繁多，而且性質(zhì)互異，因此無(wú)論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨後即將討論的非金屬材料自然都有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。一項(xiàng)產(chǎn)品在選用材料時(shí)，會(huì)因使用場(chǎng)合(例如：強(qiáng)度的要求、環(huán)境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由於結(jié)構(gòu)的不同，也有其適當(dāng)?shù)挠猛荆虼巳绾问共牧系膽?yīng)用能適材適所，就是材料選用的最大準(zhǔn)則。本章將提出材料選擇的幾個(gè)重要考慮因素，並舉實(shí)例具體說(shuō)明。

(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求

選擇材料最基本的考慮，就在滿足產(chǎn)品的特性及要求，例如﹕抗拉強(qiáng)度、切削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿足使用的需求，但是如果選擇具有正字標(biāo)記或符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的材料，例如：我國(guó)的CNS 日本的JIS 美國(guó)的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國(guó)的DIN等，由於其化學(xué)成分及機(jī)械性質(zhì)都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，有一定的保證，因此品質(zhì)將更有保障。

(二)材料的價(jià)格要合理

價(jià)格是選擇材料的另一個(gè)重要因素。因?yàn)閮?yōu)秀的材料如果價(jià)格高昂，產(chǎn)品的成本勢(shì)必提高，競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)降低。因此如果材料不是唯一的選擇，那麼價(jià)格合理的同級(jí)材料或以開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品替代都是不錯(cuò)的解決方案。

(三)材料的品質(zhì)要一致

產(chǎn)品如果是單一的就不必考慮一致性的問(wèn)題，但是如果是屬於大量生產(chǎn)的東西，材料的供應(yīng)就必須穩(wěn)定而且品質(zhì)一定才行，否則因產(chǎn)品不良造成退貨或是賠償，無(wú)論是金錢及信譽(yù)的損失可能都將難以彌補(bǔ)，因此在選擇材料供應(yīng)之初，材料品質(zhì)的一致和來(lái)源的穩(wěn)定性也是重要的考慮因素。

1-4-2 鋼鐵材料的選用

以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由於在機(jī)械上使用廣泛，因此必須針對(duì)其特性考量。鋼鐵材料的選用，常遭遇的還有三個(gè)問(wèn)題：(一)使用碳鋼或合金鋼(二)局部或全部淬火(三)用鑄造品或鍛造品。

碳鋼的價(jià)錢便宜，但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負(fù)荷則關(guān)係局部或全部淬火，負(fù)荷大的零件以全部淬火為宜，表面淬火則可承受耐疲勞及磨耗的場(chǎng)合。

鍛造與鑄造在製造一直是競(jìng)爭(zhēng)不止，傳統(tǒng)的鑄造品雖可以製造複雜或有內(nèi)孔的零件，但被認(rèn)為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強(qiáng)韌，但鑄造技術(shù)及材料的進(jìn)步，己可以達(dá)到均質(zhì)、強(qiáng)韌，加以鑄造有一次成型的優(yōu)點(diǎn)，因此目前鑄件佔(zhàn)較有利的趨勢(shì)。

1-4-3 應(yīng)用實(shí)例

(一)引擎材料的選用

機(jī)械產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)自於引擎，常見(jiàn)的引擎如：空壓機(jī)、汽機(jī)車、電機(jī)原動(dòng)力廠等。引擎各部份零件承受不同的負(fù)荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進(jìn)排氣閥加以說(shuō)明。

1.   1.   汽缸體

汽缸由於形狀複雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由於要求良好強(qiáng)度大、耐磨、耐蝕、導(dǎo)熱性佳、膨脹係數(shù)低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇，唯一問(wèn)題是比重稍大。如果需要輕量化，使動(dòng)力提高，就可以考慮鋁合金。唯鋁合金的磨耗性較差，這一點(diǎn)也要考慮。

2.   2.   曲柄軸

雖然曲柄軸的形狀也很複雜，不過(guò)也並不是非用鑄造不可，曲柄軸的受力很大，因此鍛造鋼品是傳統(tǒng)上的選擇，不過(guò)延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發(fā)展，使得鑄造品在中小型汽車上也佔(zhàn)一席之地。

如果使用鍛鋼，必須考慮硬化能的問(wèn)題，因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼SAE 1035及SAE 1050。

3.   3.   進(jìn)排氣閥

進(jìn)排氣門最重要的是耐高溫和耐腐蝕，尤其是排氣閥的工作溫度，往往700℃以上，而且必須承受燃料燃燒後產(chǎn)生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此採(cǎi)用耐熱鋼是最初的考慮，其後陸續(xù)有使用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)者。

(二)材料的取代和新材料的選用

由於材料的改良和新材料的不斷發(fā)展，許多製品原來(lái)使用的材料，可以替代而性能更佳，價(jià)格更便宜。以日常應(yīng)用來(lái)說(shuō)，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其後因?yàn)楦g問(wèn)題而改用不銹鋼，至今更因?yàn)殁伒妮p量化、高強(qiáng)度比且耐蝕而再度取代。

近年來(lái)由於航太工業(yè)，輕量及高強(qiáng)度的要求，因此在機(jī)件上鈦的使用也很廣，而外裝上，複合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強(qiáng)化塑膠)則大量的應(yīng)用。另外，為了極高速航具和太空梭的需要，工程陶瓷應(yīng)用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。

摘   要

1．規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是資料技術(shù)溝通的依據(jù)為了增進(jìn)效率及提供產(chǎn)品零件的互換性，必須制定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者及使用者依循的規(guī)範(fàn)。

2．在工業(yè)上，鋼鐵材料必依其化學(xué)成份，使用一定的編號(hào)以利於選用。目前，在我國(guó)較常用的規(guī)格有三種：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)－美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE)。另外德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)(UNS)相關(guān)業(yè)界有時(shí)也會(huì)採(cǎi)用。

3．CNS之鋼鐵材料的編號(hào)，主要由下列三部分組成：

第一部分為材質(zhì)，鐵以F表示，鋼以S表示。

第二部分表示標(biāo)準(zhǔn)名稱或是製品用途或主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時(shí))。

第三部分為該材料之種類號(hào)碼，或是最低抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度。若是表示最小抗拉強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示，常用於建築結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場(chǎng)合。

4．AISI和SAE以四個(gè)(或五個(gè))數(shù)目字為記號(hào)來(lái)分類。其中

第一位數(shù)，表示鋼料的種類。

第二位數(shù)，為主要合金元素的百分值；0表示無(wú)其他合金元素。

第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。

5．材料選擇的考慮因素主要有：(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求(二)材料的價(jià)格要合理(三)材料的品質(zhì)要一致

合金鋼及特殊鋼

學(xué)習(xí)目的

1.瞭解合金鋼與特殊鋼的意義。

2.認(rèn)識(shí)合金鋼與特殊鋼的種類。

3.認(rèn)識(shí)工具鋼的種類和用途。

4.認(rèn)識(shí)耐蝕鋼的種類和用途。

5.瞭解其它特殊鋼的種類和用途。

1-1前言

碳鋼具有不錯(cuò)的機(jī)械性質(zhì)，能實(shí)施熱處理，而且在一般用途上都能勝任。不過(guò)在某些需求特別的場(chǎng)合，使用上碳鋼的性能仍嫌不足，例如：需要耐蝕的埸合、需要在高溫強(qiáng)度、需要更高的硬度以做為切削刀具，或是具有疲勞強(qiáng)度等。這些時(shí)候就必須有各種不同性質(zhì)的合金鋼，例如：不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼、彈簧鋼等，來(lái)滿足實(shí)際上的需求。由於這些合金鋼材的性質(zhì)和一般鋼材並不相同，因此在市面上，許多販?zhǔn)酆辖痄摬牧系牡胤剑卜Q為特殊鋼材料行。

合金鋼是指碳鋼添加一種或一種以上合金元素所形成的鋼料。通常鋼的合金元素，除碳以外，若含錳量在1.65%以上、含矽量在0.60%以上，或含銅量在0.06%以上等，就可以認(rèn)定是屬於合金鋼，其它元素刻意加入碳鋼中者亦同。碳鋼如果依不同用途再加入鎳、鉻、釩、鎢、…..等元素，以達(dá)到需要的效果，就成為合金鋼。例如：微量的鉻可以使鋼具有極佳的硬化能，而12%以上時(shí)，鋼就不易腐蝕，成為耐蝕鋼。加入18%鎢、4%鉻、1%釩時(shí)即為高速鋼。

除用途外，合金鋼也可依加入元素種類來(lái)區(qū)分。由於任何鋼中均含鐵、碳兩種元素，因此，如再加入一種元素即稱為三元鋼，例如：鎳鋼、鉬鋼等。加入二種元素稱為四元鋼，例如：鎳鉬鋼，其餘依此類推。

如果以合金含量來(lái)區(qū)分，合金鋼中合金元素的總含量在6%以上稱為高合金鋼，合金元素總含量在6%以下稱為低合金鋼。有些埸合會(huì)將合金量在1.5%~5.5%之間的，再細(xì)分為中合金鋼，而以1.5%以下者為低合金鋼，不過(guò)這些都是粗略的分法，並沒(méi)有實(shí)質(zhì)的意義。

合金鋼的種類很多，而其性質(zhì)主要又由合金元素來(lái)決定，因此研究合金鋼最有效的方法，就必須由瞭解合金元素對(duì)於鋼性質(zhì)的影響開(kāi)始。在合金鋼中所添加的合金元素，主要有鎳Ni、鉻 Cr、鎢W、釩V、錳Mn、鉬Mo、鈷Co、矽Si、鈦Ti、硼B(yǎng)等。

1-1-1鋼中主要合金元素的功用

1．鉻 Cr

    鉻在鋼中的角色多元且重要，它會(huì)形成安定而硬的碳化物，而且具抗蝕性，其主要作用有：

  a．增進(jìn)鋼的硬化能和滲碳作用。

  b．使鋼在高溫畤仍具高強(qiáng)度。

  c．能增加耐磨耗性。

  d．增高鋼之淬火溫度。

  f．能增進(jìn)鋼的抗腐蝕性。

2．鎳Ni

    鎳在鋼中的影響有:

  a．增進(jìn)鋼的硬化能。

  b．能降低熱處理時(shí)的淬火溫度，因之在處理時(shí)變形小。

  c．能增加鋼的韌性。

  d．高鎳合金鋼能耐腐蝕，例如：不銹鋼就含有8%左右的鎳。

3．鎢W

    鎢能耐高溫，而且溶於鋼中會(huì)與碳形成碳化物稱為碳化鎢，能提高鋼的強(qiáng)度。此外，

  a．鎢可以提高鋼之淬火溫度。

  b．加強(qiáng)鋼之?dāng)嗝娼M織細(xì)微化，抵抗回火軟化。

  c．可以降低淬火時(shí)鋼之晶粒生長(zhǎng)之趨勢(shì)。

  d．鎢鋼刀具有紅熱硬度。

  e．可增加鋼之保磁性，故可配入鋼中而製造永久磁鋼。

4．釩V

    釩可以無(wú)限量固溶入鐵中，並阻止沃斯田鐵晶粒的成長(zhǎng)，釩在鋼中有脫酸除氧之能力，故含釩之鋼其斷面結(jié)晶密實(shí)，此外釩的作用還有：

  a．能提高淬火溫度。

  b．改善硬化能，高溫淬火加熱時(shí)，能防止其晶粒生長(zhǎng)。

  c．有助於鋼之結(jié)晶組織細(xì)微化。

5．錳Mn

    錳亦為鋼中重要元素，其作用及影響如下:

  a．在適量下，錳量增加可增加鋼之最大強(qiáng)度及硬度。

  b．錳有脫氧及脫疏功效，故錳能發(fā)撣鋼之鍛造性與可塑性。

  c．錳在鋼中含量多，可降低鋼之淬火溫度。

  d．可增進(jìn)鋼之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性錳鋼為最顯著。

6．鉬Mo

    鉬可增加鋼之最大強(qiáng)度及硬度，因此在合金鋼中也頗為重要。

  a．能改善鋼在高溫之抗拉及潛變強(qiáng)度。

  b．在工作紅熱情況下，能使鋼之硬度保持不變。

  c．高速工具鋼含鉬，可予以較佳之切割性能。

  d．合金鋼中加入鉬可去除回火脆性。

7．鈷Co

    鈷為製造合金鋼之重要元素，在鋼中可以生成碳化物，但也可能有不良影響，它具有以下特性：

  a．鈷可代替鎳，如增加強(qiáng)度及耐熱等性能。

  b．會(huì)降低鋼的硬化能。

  c．能提高鋼之淬火溫度。

  d．增加鋼之保磁能力，故為製造磁石鋼之主要元素。

8．鈦Ti

    鈦在鋼中易與碳形成碳化物TiC，其他特性：

  a．鈦在不銹鋼中，可以防止高溫時(shí)鉻量的局部減少，維持其

     防蝕的能力

  b．可以防止合金鋼由高溫徐冷時(shí)的脆化現(xiàn)象。

9．銅Cu

  合金鋼中銅之含量不可以超過(guò)1.5%，否則會(huì)使鋼變脆，此外

  a．銅在鋼中有抵抗大氣腐蝕之性能。低碳鋼內(nèi)含銅1%，其抵抗大

     氣腐蝕性約較不含銅者高出四倍。在不銹鋼中加銅 3-4%，亦有助不銹鋼之防蝕作用。

  b．可以增加鋼的強(qiáng)度，但不宜超過(guò)0.2%。

10．鋁Al

  a．極易與氧結(jié)合形成氧化鋁，是一種強(qiáng)脫氧劑。

  b．能抑制晶粒成長(zhǎng)。

  c．是氮化用鋼的重要元素。

11．硫S

    硫在鋼中為有害之雜質(zhì)，硫與鐵化合成為FeS，與錳化合成MnS，其結(jié)果：

  a．會(huì)增加鋼的熱脆性

  b．硫含量0.2%以上，就會(huì)嚴(yán)重影響鋼的強(qiáng)度和韌性

  c．硫可使鋼強(qiáng)度降低，因此有利於鋼的切削，但除了易切鋼之外，極少利用。

12．矽Si

   矽在鋼中其作用如下 :

  a．矽能增加鋼之電磁傳導(dǎo)率，故適於製造電氣材料。

  b．矽會(huì)加速鋼之結(jié)晶生長(zhǎng)變粗，因此含量約在0.05~0.30%。

  c．矽能增高淬火溫度。

  d．會(huì)阻礙碳元素溶於鋼中。

  e．對(duì)於炭量較高之鋼，矽多則增加脆性，

  f．增加耐熱鋼的氧化性，可用為脫酸性。

    綜合各種合金元素對(duì)於碳鋼的影響，而選擇添加合金元素時(shí)必須考慮元素特性及應(yīng)用場(chǎng)合的需要，適材適所才是最重要的，如果不暸解特性貿(mào)然選擇，不但可能增加成本，效果也可能適得其反。

1-1-2 合金鋼的分類

合金鋼因其添加元素和量的不同而特性迥異，就用途來(lái)區(qū)分，合金鋼大致可以分為一般構(gòu)造用合金鋼和特殊鋼。構(gòu)造用合金鋼是使用於普通機(jī)械的構(gòu)成元件或土木建築等構(gòu)造，普遍來(lái)說(shuō)其合金量較低，而特殊鋼大多是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場(chǎng)合，大多是屬於高合金量，如表1所示。

(一)構(gòu)造用合金鋼：

 (a)非熱處理型：大致是低合金量，包括高強(qiáng)度低合金鋼及易切鋼。

 (b)熱處理型：大致是中合金量，含合金總量稍高，約在1.5%~5.5%

之間，經(jīng)熱處理後可以大幅提高強(qiáng)度，通常用於不需銲接場(chǎng)合的

強(qiáng)韌機(jī)件，稱為熱處理用中合金鋼(或強(qiáng)韌鋼) 。

 (c)表面硬化鋼

(二)特殊鋼：

 (a)合金工具鋼：

 (b)耐蝕鋼：

 (c)其他用途特殊鋼：包括耐熱鋼、軸承鋼、彈簧鋼、電氣用鋼、磁

石鋼、超高強(qiáng)度鋼等。

表1  合金鋼的用途