机械材料的规格及选用

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1、.机械材料的规格及选用学习目的1.了解机械材料规格的意义。2.了解常用的机械材料规格。3.了解各种规格编号的意义。4.能选择适当的金属材料。1-1前言规格(Specification)是产品需求的表达，也是资料技术沟通的依据。为了适合某一种特别的用途，生产者当然必须促使产品能够符合需要，这样就有规X的存在必要。而随着工业化程度的提高及国际间贸易往来的趋势，产品的流通愈来愈频繁，为了增进效率及提供产品零件的互换性，工业规格的订定更是必然的结果。在机械材料的X畴方面，同样的必须有一定的规格，以作为生产者及使用者依循的规X。完备的规格应具有以下数据的表达:1.适用X围(Scope):包括用途(如：板

2、、线、管)，适用尺寸等。2.化学成分(Chemical position):包括各项成分元素的含量X围或成分代号。3.定性表达(Quality Statement):指质量方面，例如炼钢方式或脱氧情况。4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化学成分X围、物理及机械性质需求，以适应使用上经济的理由。5.其它需求(Other Requirment):如特殊容许差、材料外表状况等。现今世界各国各依其工业化的开展而有不同的工业规格，例如：美国的ANS(美国国家标准)、日本的JIS(日本工业标准)、德国的DIN(德国工业标准)等。而在针对机械材料规格方面，常用的还包括AS

3、TM(美国材料试验协会)、AISI(美国钢铁协会)、SAE(美国汽车协会)等，而我国主要那么依据S(中国国家标准)订定。材料的选择及应用是学习材料规格的重要目的，所以本章最后举例说明，如何在产品需求及相关考虑之下，选择适当材料。1-2材料的规格一种机械材料的规格最主要可以由：材料的种类、成份和机械性质来说明。而为了标准化起见，材料必须经由一套严谨的试验规X，确保其可靠度。世界各国都有其材料试验的标准程序，我国也不例外，例如：S有关材料试验部份，其中钢料之检验通那么(S2608,G2021)规定：本标准主要内容包括：适用X围、检验及重验三局部适用X围：本标准适用于钢料之一般检验检验部份：说明化学

4、成份试验和机械性质试验的试片取样及检验标准方法重验部份：说明规格部份不合规定的试片，必须经由复验判定合格及不合格。又如非铁金属材料之检验通那么(S4195,H2045)中规定：本标准主要内容包括：适用X围、检验及重验三局部适用X围：本标准规定非铁金属材料检查一般事项检验部份：规定有关外观、尺度、化学成份试验和机械性质试验的试片取样及试验事项重验部份：说明试验结果如部份规格与规定不合，必须经由重验判定合格及不合格。1-3常用的材料编号一般材料的化学成份与机械性质是息息相关的，因此常用的材料编号大多是以化学成份命名为主，再辅以机械性质(如第七章局部材料的规格表达)。由于材料X围很广，因此本章内容，

5、主要以钢铁材料的编号为主，另外辅以局部非铁金属及非金属材料来做说明。在工业上，钢铁材料(包括碳钢在内)必依其化学成份，使用一定的编号以利于选用，这是根本的认识。目前，在我国较常用的规格有三种：中国国家标准(S)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。而其它还有常见的各国规格名称。1中国国家标准(S)1钢铁的规格中国国家标准S是Chinese National Standard的简写，S对钢铁材料的编号主要依据S 109 G1001(公布：民国36年3月，修订：民国85年3月)原那么

6、上由以下三局部组成：第一局部为材质，钢铁材料大局部以S(Steel钢)或F(Ferrum铁)表示。第二局部有两种不同的表示法； a表示标准名称或是制品用途。常用的有P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途) W：Wire(线材) F：Forging(锻造) C：Casting(铸造)例：S P CC：Plate，钢板(冷轧)。 S UP：Use Spring，弹簧用钢 b用于构造的钢料(包括构造用碳钢及合金钢)，代表主要合金元素或含碳量(构造用碳钢时)，表示含碳量时，通常以含碳量之100倍数值表示，例：SCM420：铬钼钢，第420种 S25C：碳钢，含碳量0.

7、25。第三局部为该材料之种类，或是最低抗拉强度、降伏强度。假设是表示最小抗拉强度或最小降伏强度，通常以三位数字表示。例：SCM 420表示铬钼钢中编号420的材料 STB 340 表示锅炉及热交换器用钢，抗拉强度不低于340 N/mm2。以与合金量之表示法有所区别。常用于建筑构造用等不须规定含碳量钢料的场合。注：机械构造用钢料的符号机械构造用钢料使用很广，因此S 2608 G2021特别在附录2中说明适用X围及其符号所代表的意义：适用X围：机械构造用碳钢钢料及构造用合金钢钢料种类符号之组成。 a符号顺序为钢之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符号。其中除钢之代表符号S、碳之符号C之外

8、。附加符号由第一群及第二群组成，第一群为钢料为改善其性质(例如切削性)所添加的特殊元素例改善切削性之添加元素根本钢附加符号铅添加钢L 硫添加钢S钙添加钢U第二群为钢料除化学成份之外的保证特性例保证特殊特性之添加符号特性附加符号硬化能保证钢H 外表硬化用钢K例S30C：碳钢，含碳量0.30S20C4：碳钢，含碳量0.20第四种构造用碳钢 S(55)C：一般构造用碳钢，最小抗拉强度55kg/mm2 S85WMo(HS)：含碳量0.85的钨钼高速钢 OS90C(T)：以平炉炼钢法提炼，含碳量0.9的工具钢b碳含量的代表值。2铝及铝合金的规格铝及铝合金之种类及符号系依S 2068 H3021之规定，适

9、用X围为锻铝、锻铝合金(以下简称锻铝合金)及铸铝、铸铝合金(以下简称铸铝合金)之合金种类及炼度符号。锻铝合金之编号依其合金成分，共分1*x8*x系，另有9*x系为备用，铸铝合金之规格亦分1*x9*x九系，其中6*x系为备用，这些已如第九章所述。而所谓炼度系指制造过程中，依加工、热处理等条件之差异所获得机械性质之区分。炼度符号又分为根本符号与细分符号。根本符号为一字英文字母(大写)，细分符号为一位数字或多位数字组合并附在根本符号之后。a根本符号铝合金的炼度根本符号分为四种。b细分符号铝合金炼度之根本符号H及T之细分符号，依以下规定。锻铝合金的编号及化学成分。2日本工业标准(JIS)JIS是Jap

10、anese Industral Standard 的简称，JIS对于钢铁材料的的编号大致可分两大类：1一般机械构造用碳钢：其材料编号方法和S的第一种表示法一样。例S30C表示含碳量0.30的机械构造用碳钢2其它用途的碳钢及合金钢：这一类钢的材料编号表示法，大致可分三局部：第一局部为材质，钢以S、铁以F表示，其它非铁类如表11- 。第二局部表示钢制品的规格或用途，例如：K代表工具钢、TB代表锅炉用钢管、PC2代表冷轧钢板。第三局部为为钢料的种别，以1,2,3来表示。此外如果需要，可将材料的加工方法、热处理方式等附注于后，加工方法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Tu

11、rning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法大多记于金属符号之后，并在二者之间参加-例SK2：第二种碳素工具钢 SKS11：第十一种切削用工具钢 SUH301：第301种耐热钢 SUS301-1/2H：第301种不锈钢，1/2硬质材料3常用的美国材料编号及规格1美国钢铁学会美国汽车工程师学会(AISI-SAE) AISI和SAE在1941年共同订定钢铁材料的分类，以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中第一位数，表示钢料的种类，如：镍钢为2、钨钢为7。第二位数，为主要合金元素的百分值；0表示无其它合金元素。第三、四位数(或第三、四、伍位数字)代表含碳量。例 SAE1045：含碳量

12、0.45的碳钢，与S中S45C钢料相当。 SAE4140：含碳量0.40的铬钼钢，与JIS中SCM4钢料相当。钢种编号钢种编号碳钢1耐热钢30普通碳钢10钼钢4易削钢(加硫)11Cr(0.7)41锰钢13Ni-Cr43镍钢2Ni(1.75)460.50Ni20铬钢51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52镍铬钢3铬钒钢61.25Ni0.6Cr31钨钢71.75Ni1.0Cr32镍铬钼83.50Ni1.5Cr33硅锰钢92美国材料协会及美国机械工程师协会 ASTM(ASME)ASTM是非常广泛被采用的材料规X，它的特色主要是针对产品的特性及表现而定。ASTM表示法是以

13、以字母+代号表示，再辅以年代之混合标示，ASME那么采用了相当多的ASTM规X，并以前置S表示。 ASTM表示法:首位字母表示意义A钢铁类B非铁金属类C一般测试法例如: ASTM A36-77a 其中A 36 - 77a分别表示(钢铁)(构造用)(1977年)(第一次修订)又如: ASTM E8 代表拉伸试验规XASME的表示法：例如: ASME SA213 = ASTM A213而同一编号又可依化学成分(Grade)加工方式(Type)成品型态(Class)来区分。Grade主要表达其化学性质，Type指脱氧的情况，Class:指一些其它性质。如：强度、外表光度等。3美国统一编号系统 UNS

14、UNS是Unified Numbering System 的简称，在1974年为ASTM及SAE 联合制定，UNS 本身只是一种编号，而非规格，它将金属分为17个系列编号并与原有的体系配合，例如： UNS G10*0 = SAE 10*，而有索引、整合、参考的意义，因此而称统一编号系统。4德国工业标准(DIN)DIN并不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的缩写，德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN 17006，补充说明在DIN 17007，1974年改为 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和数字来表达其特征，字母规定钢铁种类、冶炼方法、合

15、金材料、处理情况等、数字那么规定钢铁材料的、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。1碳钢一般以碳元素标记及其含碳量表示，如 C60 表示含0.6C的碳钢。另外也有抗拉强度及其它表示法，例如:St50 表示抗拉强度50kg/mm2之构造用碳钢，CK40表示含磷、硫量甚低之碳钢，抗拉强度为40kg/mm2。2高级钢料及低合金钢以其主要合金元素和含量为标记，但在其中第三局部含量，为防止小数点出现，表示值都己经乘上固定倍数，而以整数型态呈现，所以由编号求取实际含量时必须再除以倍数。第一局部:含碳量第二局部:合金元素种类第三局部:合金元素含量合金元素倍数Cr、Co、Mn、Ni、Si、W4Al、Be、Pb

16、、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、S、N、Ce、C100B1000例如:含碳量0.34含铬量1的钢材，表示为34Cr4依此 13CrV53 即表示含碳量0.13，含铬量5/4=1.25，含钒量3/10=0.33高合金钢在标记前加上x，此外由于合金元素含量己高，因此不乘以倍数而直接表示。(如前述，高合金钢通常是指合金总含量在8以上的钢料)例如:含碳量0.12的不锈钢，含铬量18含镍量8，表示为 X12CrNi18 8同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10的高合金钢，含铬量18含镍量10。如果要进一步标示其特性，可以在其记号前后加上英文字母表示例如: MASt42 6N (1)

17、(2) (3) (4)(5)其中除(3)为主标记外，(1)(2)(4)(5)分别表示:熔炼方式、产品特性、保证性能类别、热处理情况等。4铸铁、铸钢以前置标记G代表一般铸件，另外加上其它字母来表示种类，随后之标示与钢的编号一样，如表1所示。例如:GS-C30为铸钢，含碳量0.30 G-X120Mn12表示含碳量1.20的铸铁，含锰量12。表1 德国工业标准DIN 之铸铁分类GS = 铸钢GG = 一般灰铸铁GGL = 片状石墨铸铁GGG = 球状石墨铸铁GT = 一般展性铸铁GTS = 展性灰铸铁GTW = 展性白铸铁1-4材料的选用1-4-1 材料选择的根据材料的种类繁多，而且性质互异，因此无

18、论铁金属和非铁金属材料，或者随后即将讨论的非金属材料自然都有不同的应用场合。一项产品在选用材料时，会因使用场合(例如：强度的要求、环境的因素、本钱的考虑等)而不同，而各种材料由于构造的不同，也有其适当的用途，因此如何使材料的应用能适材适所，就是材料选用的最大准那么。本章将提出材料选择的几个重要考虑因素，并举实例具体说明。(一)材料的规格要符合使用的需求选择材料最根本的考虑，就在满足产品的特性及要求，例如抗拉强度、切削性、耐蚀性等。许多材料似乎都可以满足使用的需求，但是如果选择具有正字标记或符合国家标准的材料，例如：我国的S 日本的JIS 美国的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德国的D

19、IN等，由于其化学成分及机械性质都经过试验，有一定的保证，因此质量将更有保障。(二)材料的价格要合理价格是选择材料的另一个重要因素。因为优秀的材料如果价格高昂，产品的本钱势必提高，竞争力就会降低。因此如果材料不是唯一的选择，那么价格合理的同级材料或以开发新产品替代都是不错的解决方案。(三)材料的质量要一致产品如果是单一的就不必考虑一致性的问题，但是如果是属于大量生产的东西，材料的供给就必须稳定而且质量一定才行，否那么因产品不良造成退货或是赔偿，无论是金钱及信誉的损失可能都将难以弥补，因此在选择材料供给之初，材料质量的一致和来源的稳定性也是重要的考虑因素。1-4-2 钢铁材料的选用以上提到的是材

20、料选用的原那么。而钢铁材料由于在机械上使用广泛，因此必须针对其特性考虑。钢铁材料的选用，常遭遇的还有三个问题：(一)使用碳钢或合金钢(二)局部或全部淬火(三)用铸造品或锻造品。碳钢的价钱廉价，但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受的负荷那么关系局部或全部淬火，负荷大的零件以全部淬火为宜，外表淬火那么可承受耐疲劳及磨耗的场合。锻造与铸造在制造一直是竞争不止，传统的铸造品虽可以制造复杂或有内孔的零件，但被认为偏析、气孔、韧性差，锻造品那么较强韧，但铸造技术及材料的进步，己可以到达均质、强韧，加以铸造有一次成型的优点，因此目前铸件占较有利的趋势。1-4-3 应用实例(一)引擎材料的选用机械

21、产生动力来自于引擎，常见的引擎如：空压机、汽机车、电机原动力厂等。引擎各部份零件承受不同的负荷、温度等工作条件，因此有不同的材料选择考虑。以下仅以其中较重要的汽缸体、曲柄轴及进排气阀加以说明。1. 1.汽缸体汽缸由于形状复杂，又有冷却管路，因此只能用铸造方式，汽缸由于要求良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。因此灰铸铁就是很好的选择，唯一问题是比重稍大。如果需要轻量化，使动力提高，就可以考虑铝合金。唯铝合金的磨耗性较差，这一点也要考虑。2. 2.曲柄轴虽然曲柄轴的形状也很复杂，不过也并不是非用铸造不可，曲柄轴的受力很大，因此锻造钢品是传统上的选择，不过延性铸钢(球墨铸铁)的开展，使得铸

22、造品在中小型汽车上也占一席之地。如果使用锻钢，必须考虑硬化能的问题，因此常用的有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035及SAE 1050。3. 3.进排气阀进排气门最重要的是耐高温和耐腐蚀，尤其是排气阀的工作温度，往往700以上，而且必须承受燃料燃烧后产生的水气和腐蚀性铅化合物，因此采用耐热钢是最初的考虑，其后陆续有使用沃斯田铁系不锈钢或英高镍(Inconel)者。(二)材料的取代和新材料的选用由于材料的改进和新材料的不断开展，许多制品原来使用的材料，可以替代而性能更佳，价格更廉价。以日常应用来说，例如：二十年前的眼镜框，使用白铜或镀层，其后因为腐蚀问题而改用不锈钢，至今更因为钛的

23、轻量化、高强度比且耐蚀而再度取代。近年来由于航天工业，轻量及高强度的要求，因此在机件上钛的使用也很广，而外装上，复合材料(尤其是碳纤维和玻璃纤维强化塑料)那么大量的应用。另外，为了极高速航具和航天飞机的需要，工程陶瓷应用在承受高温的局部的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。摘要1规格(Specification)是产品需求的表达，也是数据技术沟通的依据为了增进效率及提供产品零件的互换性，必须制定的规格，以作为生产者及使用者依循的规X。2在工业上，钢铁材料必依其化学成份，使用一定的编号以利于选用。目前，在我国较常用的规格有三种：中国国家标准(S)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会

24、美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。3S之钢铁材料的编号，主要由以下三局部组成：第一局部为材质，铁以F表示，钢以S表示。第二局部表示标准名称或是制品用途或主要合金元素或含碳量(构造用碳钢时)。第三局部为该材料之种类，或是最低抗拉强度、降伏强度。假设是表示最小抗拉强度或最小降伏强度，通常以三位数字表示，常用于建筑构造用等不须规定含碳量钢料的场合。4AISI和SAE以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中第一位数，表示钢料的种类。第二位数，为主要合金元素的百分值；0表示无其它合金元素。第三、四位数(或第三、四、伍位数字

25、)代表含碳量。钢种编号钢种编号碳钢1耐热钢30普通碳钢10钼钢4易削钢(加硫)11Cr(0.7)41锰钢13Ni-Cr43镍钢2Ni(1.75)460.50Ni20铬钢51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52镍铬钢3铬钒钢61.25Ni0.6Cr31钨钢71.75Ni1.0Cr32镍铬钼83.50Ni1.5Cr33硅锰钢95材料选择的考虑因素主要有：(一)材料的规格要符合使用的需求(二)材料的价格要合理(三)材料的质量要一致合金钢及特殊钢学习目的1.了解合金钢与特殊钢的意义。2.认识合金钢与特殊钢的种类。3.认识工具钢的种类和用途。4.认识耐蚀钢的种类和用途。5.

26、了解其它特殊钢的种类和用途。1-1前言碳钢具有不错的机械性质，能实施热处理，而且在一般用途上都能胜任。不过在某些需求特别的场合，使用上碳钢的性能仍嫌缺乏，例如：需要耐蚀的埸合、需要在高温强度、需要更高的硬度以做为切削刀具，或是具有疲劳强度等。这些时候就必须有各种不同性质的合金钢，例如：不锈钢、耐热钢、工具钢、弹簧钢等，来满足实际上的需求。由于这些合金钢材的性质和一般钢材并不一样，因此在市面上，许多贩卖合金钢材料的地方，也称为特殊钢材料行。合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢料。通常钢的合金元素，除碳以外，假设含锰量在1.65%以上、含硅量在0.60%以上，或含铜量在0.06%以上

27、等，就可以认定是属于合金钢，其它元素刻意参加碳钢中者亦同。碳钢如果依不同用途再参加镍、铬、钒、钨、.等元素，以到达需要的效果，就成为合金钢。例如：微量的铬可以使钢具有极佳的硬化能，而12%以上时，钢就不易腐蚀，成为耐蚀钢。参加18%钨、4%铬、1%钒时即为高速钢。除用途外，合金钢也可依参加元素种类来区分。由于任何钢中均含铁、碳两种元素，因此，如再参加一种元素即称为三元钢，例如：镍钢、钼钢等。参加二种元素称为四元钢，例如：镍钼钢，其余依此类推。如果以合金含量来区分，合金钢中合金元素的总含量在6%以上称为高合金钢，合金元素总含量在6%以下称为低合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%5.5%之间的，再

28、细分为中合金钢，而以1.5%以下者为低合金钢，不过这些都是粗略的分法，并没有实质的意义。合金钢的种类很多，而其性质主要又由合金元素来决定，因此研究合金钢最有效的方法，就必须由了解合金元素对于钢性质的影响开场。在合金钢中所添加的合金元素，主要有镍Ni、铬 Cr、钨W、钒V、锰Mn、钼Mo、钴Co、硅Si、钛Ti、硼B等。1-1-1钢中主要合金元素的功用1铬 Cr铬在钢中的角色多元且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性，其主要作用有： a增进钢的硬化能和渗碳作用。 b使钢在高温畤仍具高强度。 c能增加耐磨耗性。 d增高钢之淬火温度。 f能增进钢的抗腐蚀性。2镍Ni镍在钢中的影响有: a增进

29、钢的硬化能。 b能降低热处理时的淬火温度，因之在处理时变形小。 c能增加钢的韧性。 d高镍合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就含有8%左右的镍。3钨W钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。此外， a钨可以提高钢之淬火温度。 b加强钢之断面组织细微化，抵抗回火软化。 c可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。 d钨钢刀具有红热硬度。 e可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。4钒V钒可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有： a能提高淬火温度。 b改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。 c

30、有助于钢之结晶组织细微化。5锰Mn锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下: a在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。 b锰有脱氧及脱疏成效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。 c锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。 d可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。6钼Mo钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。 a能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。 b在工作红热情况下，能使钢之硬度保持不变。 c高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。 d合金钢中参加钼可去除回火脆性。7钴Co钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也可能有不良影响，它具有以下特性： a钴可代替镍，

31、如增加强度及耐热等性能。 b会降低钢的硬化能。 c能提高钢之淬火温度。d增加钢之保磁能力，故为制造磁石钢之主要元素。8钛Ti钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其它特性： a钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其防蚀的能力 b可以防止合金钢由高温X冷时的脆化现象。9铜Cu合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否那么会使钢变脆，此外 a铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。 b可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。10铝Al a极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。 b能抑制晶粒成长。 c是

32、氮化用钢的重要元素。11硫S硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果： a会增加钢的热脆性 b硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性 c硫可使钢强度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。12硅Si硅在钢中其作用如下 : a硅能增加钢之电磁传导率，故适于制造电气材料。 b硅会加速钢之结晶生长变粗，因此含量约在0.050.30%。 c硅能增高淬火温度。 d会阻碍碳元素溶于钢中。 e对于炭量较高之钢，硅多那么增加脆性， f增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。综合各种合金元素对于碳钢的影响，而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要，适材适所

33、才是最重要的，如果不暸解特性贸然选择，不但可能增加本钱，效果也可能适得其反。1-1-2 合金钢的分类合金钢因其添加元素和量的不同而特性迥异，就用途来区分，合金钢大致可以分为一般构造用合金钢和特殊钢。构造用合金钢是使用于普通机械的构成组件或土木建筑等构造，普遍来说其合金量较低，而特殊钢大多是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别的场合，大多是属于高合金量，如表1所示。(一)构造用合金钢： (a)非热处理型：大致是低合金量，包括高强度低合金钢及易切钢。 (b)热处理型：大致是中合金量，含合金总量稍高，约在1.5%5.5%之间，经热处理后可以大幅提高强度，通常用于不需焊接场合的强韧机件，称为热处

34、理用中合金钢(或强韧钢) 。 (c)外表硬化钢(二)特殊钢： (a)合金工具钢： (b)耐蚀钢： (c)其它用途特殊钢：包括耐热钢、轴承钢、弹簧钢、电气用钢、磁石钢、超高强度钢等。表1 合金钢的用途分类钢种主要合金用途构造用合金钢高强度低合金钢低Mn、低Si-Mn汽车车身、构造用机件、船体热处理用中合金钢(强韧钢)Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo曲柄轴、螺栓、齿轮、大型轴外表硬化钢渗碳钢Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo齿轮、汽车工业变速箱、差速器氮化钢Al-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、汽缸套、车床主轴、铣床零件特殊钢工具钢切削用钢W、Cr-

35、W、Cr-Mn牙攻、车刀、铣刀耐冲击用钢Cr-W、Cr-W-V冲头、铆钉具耐磨用钢高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V号规、拉线模、整缘模具热加工用钢Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr热辊轧模、压铸模耐蚀钢不锈钢Cr、Cr-Ni餐具、外科刀具耐酸钢Ni、Cr-Ni、高Si化学工业耐热钢Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al进气阀、排气阀、轮机叶片弹簧钢Si-Mn、Si-Cr、Cr-V车辆、钟表及各式弹簧轴承钢高C高Cr、高C-Cr-Mn球轴承、滚轴承等非摩擦式轴承电气用钢非磁性钢(避磁钢)Ni、Cr-Ni、Cr-Mn输配线支撑、罗盘外壳磁性钢Si(硅钢)变压器铁心磁石钢Cr、

36、W、Cr-W-Co永久磁铁超高强度钢高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co钢梁、飞机骨架1-2构造用合金钢构造用合金钢是指使用在构成机械的零件或建筑土木等各项工程构造上的钢料，例如：大型机械轴、压力容器、高层建筑、桥梁钢架或高强度螺栓、齿轮等。这些场合所需要的材料特性为：较高的抗拉强度、伸长率、冲击值、疲劳限度等，同时也需要具备良好的铸造、锻制、切削或焊接的能力，以符合应用上的需要。实用上，构造用合金钢由于使用的场合不同，一般区分为非热处理型和热处理型两类，前者大多是属于低含碳量和低合金量，构成之后也无法再实施热处理，大多用于车架或车箱、火车及船体，它包括高强度低合金钢、易切钢等。后者多属于热处

37、理用中合金钢，大多用于机械组件例如：曲柄轴、高强度螺栓等，其中参加合金元素，主要是可以增进钢的硬化能及降低质量效果，而经由热处理那么可以得到更强韧的机械性质，这类钢料包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。1-2-1高强度合金钢(HSLA Steel)高强度低合金钢主要是替代在构造上使用的低碳钢，由于工程构造上使用的钢料大多需要焊接，如果使用高碳钢，容易使焊道在焊接冷却时产生淬火脆化的麻田散铁组织，因此为防止材料因热影响而转劣，必须使用较低含碳量但强度较高的材料，高强度低合金钢就是一此要求而开展出来。这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中，尤其是在低碳钢中占绝大局部的肥粒铁基地，使之强化而改变

38、钢的机械性质，增进其机械强度。由于大型构造物焊接完成之后都难以热处理，所以在正常化或是轧延状态就要有高强度，也就是以固溶的方式在制造材料时就已完成强化。高强度低合金钢的种类很多，一般抗拉强度必须在50kg/mm2以上，高强度低合金钢的分类通常是以机械性质如：抗拉强度、降伏强度、延伸率等区分，而不是以成份来区分。添加的元素为以Mn、Si、Nb、V、N影响较大，Co、Cr的影响较小。高强度低合金钢由于强度高出普通碳钢甚多，因此对于同样的负荷而言，可以使用较小的断面，因而整体重量也可以减轻。使HSLA钢之强度增强的方法，除了参加少量的合金元素，在轧钢厂中经由特殊的轧延及冷却过程中也可以参加。具备良好

39、加工成形性的HSLA钢除了特有的合金元素外，另外还参加有稀土金属元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如: Co、V、 Ti也有效果。制程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低对应变速度、微化晶粒等来改进加工成形性。加工成形性的需求，主要是为了适应诸如：汽车、船舶等构造成形的需要。早期HSLA钢在耐蚀性表现甚佳，但是为了改善加工成形性，因而必须牺牲一些防蚀能力，以换取较佳的成形性，又由于HSLA 钢所做成的机件比由普通碳钢所做成的机件更薄，因此一旦生锈，氧化的锈层会使HSLA钢能承受荷重的断面大受影响。因此需参加像Cu 等能改进大气耐蚀性的元素进展，但由于会增加本钱，因此后来的作法，是在HSLA

40、钢之外表镀锌或其它防锈的外表处理，以增加其耐蚀性。HSLA钢在汽车工业的应用上，它不但可以取代传统的普通低碳钢，也更可以使用较薄的断面而不致于降低强度、耐蚀性及抗拉强度，目前小汽车所使用的高X力钢板就属于HSLA钢，其厚度约在0.6mm或更厚。其它如：货车、营建机械和其它重吨位车辆皆可使用HSLA钢的薄板或厚板来做车架或车体构件。用于这些用途的HSLA之钢板原大致为1.5mm或更厚。构造用HSLA钢，且可用于沿海之钻油机、电力输送机、火车及船体。1-2-2易切钢(Free-machining steel)易切钢是为了改善切削性和切削加工外表而开展的一种钢料，主要使用于在强度较低的小型零件。由于

41、经济及迅速切削的需求，加上自动切削机械的开展，因此在不特别要求强度的小型零件，就可以采用此种钢来制造。改善钢切削性的方法有：在钢中参加合金元素，以弛力退火减少残留应力或调整显微组织的性质等，而易切钢主要就是在钢中添加磷、硫、铅等合金元素的方法。加硫0.10.25%的易切钢称为硫易切钢，加铅0.10.3%的易切钢称为铅易切钢。由于加硫可以与钢中的锰形成MnS，使得切屑变小且没有黏滞性，因此可以改进切削性，添加磷可以使钢质变脆，可以增加切削加工面的光滑度，加铅也可以使切屑变小，并有润滑作用，但由于硫及磷对机械性质有害，因此这种钢料多用在不重视强度的螺丝及螺帽等。此外，如钙Ca、碲Te、硒Se、铋B

42、i也都有改善切削性的功能，Ca易切钢是炼钢时用Ca脱氧，其能形成易切的原理与S、P和Pb不同，Ca易切钢是脱氧时的生成物，在切削时熔着于切刃边，能产生减少磨擦的作用，而且具有保护刀具，增加刀具寿命的功能。1-2-3热处理用合金钢上一节曾经提到，在肥粒铁基地中参加合金元素，可以改进在正常化状态使用的钢之性质，但是如果要更充分的发挥这一类合金钢的机械性质，以得到更高的硬度、强度和韧性，就应该实施淬火及回火处理，只是由于大型构造物可焊性的要求和不易实施热处理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒铁，而到达强化的目的(这样的方式称为固溶强化)。热处理用合金钢大多是应用于机械构成的零件，例如：曲柄

43、轴、齿轮、强力螺栓、键、销等，这些组件注重强度，而且接合的方式也大多不使用焊接，因此假设能利用热处理，使这一类合金钢形成回火麻田散铁的组织而加以应用，就可以得到兼具强、韧的效果。热处理用合金钢就是在碳钢中参加合金元素，并且经由热处理而可以得到强韧性质的钢料，因此也称为强韧钢。碳钢如果用于构造上有两个主要的缺点：一是硬化能较差、质量效果大，另一是回火时机械强度降低甚大。前面提过，硬化能是指淬火后，距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺寸较大的零件，在淬火时其中心部份得到硬化效果的难易程度。质量效果大的材料，淬火时中心的硬度降低甚快，这样的现象在碳钢比拟显著。而如果碳钢中参加了特殊元素，恒温变

44、态曲线(S曲线)就会右移，如此在一样的冷速下，中心也可以得到相当的硬度。因此参加适当的合金元素就可以使钢料容易得到淬火的效果，增高硬化能而减少质量效果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，发挥淬火的效果，在回火处理时也可以减少硬度、强度受到的影响，即使回火到较高的温度，也可以得到强度及韧性高的组织。现在我们已经暸解，在构造用合金钢中参加合金元素的目的，主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所参加的元素中，Cr、 Mn、Mo的效果较大，其次是Ni，由于Ni的价格较高，因此如果只为减小质量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加价格较低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素对硬化能的影响，大致

45、可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出，硬化能倍数大的元素，增加钢的硬化能也愈大。许多合金元素如P、Si对于钢硬化能也有帮助，但是有其添加的限制，所以并不适合。在钢中添加Si也可以减缓回火软化的现象，但是与Cr或Mo比拟就可以发现，添加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外，在较高温回火的情况下，还会产生二次硬化的现象，而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象，在钨W、钒V等元素也有类似的现象，W、V是合金工具钢的重要元素，二次硬化的现象对于工具钢会产生特殊的切削效果，这一部份将在下一节详细说明。热处理用合金钢，因其使用目的的不同，所添加的合金元素和合金含量也不同，常用的热处理

46、用合金钢有：镍钢、铬钢、钼钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。要特别注意的是，即使在这里合金元素的种类与随后要说明的某些特殊钢(例如：不锈钢)类似，但含量较少，所以效果也不一样。1Ni钢钢中添加镍可以增加钢的强度，但是在淬火硬度上并没有很大的改善，同时在回火软化的抵抗性质上也并没有明显增加，加上镍的价格较高，因此单纯加镍的镍钢最近已不常用，Ni钢在钢料编号上是属于SAE 2*X系，JIS对镍钢那么不作规定。Ni钢中镍的添加量约为35%，主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transition temp.)，同时也可以作为渗碳用钢。2Cr钢碳钢中参加1%铬左右，可以增加钢的硬化能和回火软

47、化抵抗性，铬钢一般是由830880淬火于油中，再回火于550650附近，由于这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性)，所以在回火之后必须冷却于水中或油中以防止产生回火脆性，这类钢的直径如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属于SAE 5*X系，JIS编号为SCr*。铬钢经热处理淬火、回火后，硬度高、耐磨而且耐冲击，主要的用途有：挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。3Mo钢Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距离很大。Mo对于回火时软化的抵抗性也很好，因此可以经过高温回火，而得到极佳的强度和韧性。钼钢含Mo量约0.2%0.3%，另外含有少量Mn等元素，

48、焊接性好，在钢料编号上属于SAE4*X系，主要用途有：手工具、小型机械零件、螺栓等。4Ni-Cr钢钢中加铬可以增加硬化能，但是Cr含量在超过1%以上时，效果就不会再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一种方法，因为Ni能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。Ni-Cr钢的镍含量约1%3. 5%，铬含量约0.5%1.0%。另外，由于铬及镍参加钢中，还有防腐蚀的效果，当铬、镍含量更高时，最主要的效果就变成以防蚀为主，而不是硬化能。在耐蚀钢中，含铬18%、镍8%的高合金钢，我们称为18-8钢，就是一种常用的不锈钢。Ni-Cr钢在钢料编号上属于SAE3*X及SAE43*系，JIS编号为SNC*，在构造用

49、合金钢中，Ni-Cr钢是其中较为常用的，通常用于制造曲柄轴、连杆、齿轮等。5Cr-Mo钢含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高，而且较不会产生回火脆性，所以是一种用途很广的材料。Cr-Mo钢是在含Cr量1的钢料中，再添加0.15%0.30%的Mo，某些场合可以替代Ni-Cr钢，在钢料的编号上是属于SAE41*系，JIS编号为SCM*。Cr-Mo钢使用的场合，例如：汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。6Ni-Cr-Mo钢Ni-Cr-Mo钢是综合Ni、Cr、Mo三种合金元素的优点，其中添加元素分别为0.4%3.5%Ni、0.4%3.5%Cr、0.15%0.70%Mo。Ni-Cr-Mo钢具有极

50、佳的硬化能，淬火有效直径可以达200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo钢对于回火软化的抵抗性大，又因Mo可以显著改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点，因此能回火至相当的高温，而得到优良的强韧性，所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。Ni-Cr-Mo钢质量效果小，从淬火温度以空气冷却也可以淬硬，因此又称为自硬性钢 (self hardening steel)或风硬性钢 (air hardening steel)，一般由850950冷却于空气中或淬火于油中，再回火于550650，如果含Mo量高，回火后不须急冷。Ni-Cr-Mo钢也适于大型零件，其钢料编号为SAE 8*X，JIS

51、编号为SNCM*，用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓，以致于中小型轴或内燃机连杆等。表2 碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比拟钢种主要成分 (%)热处理抗拉强度kg/mm2冲击值kg-m /mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳钢0.400.50-0.400.85淬火回火708201 269S30NiCrMo2钢0.250.352.503.572.503.500.500.700.350.60淬火回火1108302 3521-3合金工具钢能够使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用非铁硬质合金等。除硬质合金之外，其它都是属于钢料，而在一般工具用钢中，以高

52、碳工具钢的合金量少，价钱比拟廉价，高合金量的工具钢或高速钢，价钱那么较昂贵。工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性，以其合金成份和构造用合金钢相较，那么除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然为根本元素(或是增加其含量)，另外必要时在添加耐高温的W、V及Co等。工具钢是属于高级钢料，因此必须是由全静钢锭制造，同时要特别要求合金元素在熔炼过程中的均质化，以使后续锻造及热加工能得到良好的质量。由于工具钢多需利用热处理以到达材料的最正确性质，因此尺寸要求精细的机件，必须先实施半加工成形(semifinished)，经热处理，再完成加工(finished)。1-3-1高碳工具钢高碳工具钢

53、的成份为含碳量0.6%1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具钢价格廉价，其机械性质主要是以含碳量多少来决定，由于一般淬火于水中，因此属于水硬性钢，其缺点那么是硬化深度较浅，在高温时强度较差。由于仅经淬火的麻田散铁组织太脆，耐磨性不佳，为了增加耐磨性，高碳工具钢在淬火前必须实施球化处理，淬火至室温之后，再加以150200的低温回火，其结果可以得到球状雪明碳铁散布于低温回火麻田散铁，硬度够而且耐磨耗的组织。高碳工具钢使用于刀具、工具或冲模，但因合金工具钢的开展，使用场合已较少。1-3-2合金工具钢高碳工具钢由于硬化能较差，因此必须以水淬急冷的方式得到较高的硬度，但因水淬容易

54、变形和产生裂痕，因此高碳工具钢就有其使用上的限制，为了改善其硬化能并增进其硬度，因此参加如W、Cr、V、Mn、Ni等合金元素，而形成合金工具钢。合金工具钢主要藉热处理所得到的麻田散铁组织保持工具钢必要的硬度，另外以合金元素与碳结合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具钢依其用途可分为以下四类：1切削用合金工具钢为了切削用途，因此这类合金钢通常含碳量较高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，适合作为螺丝攻、车刀、铣刀等用途。2耐冲击用合金工具钢此类合金钢为增加冲击韧性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3冷间模具用合金工具钢此类工具钢由于用于常温(又称为冷间，cold work)，且

55、要求减少尺寸及形状的变化，因此在高碳钢中添加Mn、Cr、Mo、W、V等元素，以改善淬火性，并藉生成之硬质碳化物以增加其耐磨性。4热间模具用合金工具钢此类工具钢由于多使用于热加工(热作)模具，因此必须具有高温硬度(红热硬度)，不至因温度升高而变形或软化。此类工具钢含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐压铸、模锻等压力。1-3-3高速钢高速钢(high speed steel)是用于切削工具，在高速切削之红热状态时仍能保持其硬度而称之。除此之外，高速钢机械性质优良，因此也用于模具等耐磨耗机件，如果用于切削刀具，其切削速率可达高碳工具钢的三倍。高速钢除C外含有大量的合金元素，例如：W、Mo、Cr、V

56、、Co等，其主要功能整理如下：(1)C可与各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。(2)W可以形成碳化钨，除增加硬度外，也可以增加回火软化的抵抗性。(3)Mo的性质与W相似，因此可以替代。(4)Cr可以改善硬化能，并防止W的碳化物被分解。(5)V可以使晶粒微细化，增加强度。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高温硬度。高速钢通常以主要元素W及Mo区分，含W钨量较多的高速钢称为钨系高速钢(T系高速钢)，含Mo钼量较多的高速钢称为钼系高速钢(M系高速钢)，其中含18%W、4%Cr、1%V为最典型的高速钢，称为18-4-1钢，另外含18%W、4%Cr、2%V那么称为18-4-2钢。高速钢因为所含的合金

57、元素量较多，所以导热度较不良，因此淬火温度需较高，一般约在12001350之间，使合金元素充分固溶于沃斯田铁，淬火之后可以得到洛氏硬度约Rc64以上。淬火后的高速钢约在400550间实施回火，在回火的过程中，由于合金成份会产生碳化物析出的现象，会使得硬度再次提升，此种特殊的现象称为二次硬化，有时为使钢中残留的沃斯田铁变态完成麻田散铁以增加其硬度，还会实施二次回火或三次回火等。1-3-4硬质合金或超硬合金硬质或超硬合金属于非铁合金工具材料，通常不含铁成分或是铁仅占很少比例，有别于一般工具用钢料。这类材料有极高硬度及高温强度，可以切削各种钢料甚至玻璃、陶瓷等。硬质合金是通常是以铸造或是粉末冶金的方

58、式制造，它具高硬度的原因，是由于大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物来制成。硬质合金又分为：(1)工具用铸造合金这类硬质合金是以铸造方式成形，不经过热处理，就具有常温及高温的极高硬度，并且耐磨耗，有时又称非铁铸造合金刀具或超硬铸合金刀具。史斗铬钴(stellite)就是其中的代表，它含Co 4055、Cr 1533、W 1018、C 24、Fe 5以下、Mn 1，其组织与白铸铁相似，为碳化物分布致密的型态，因此硬度很高，但是此种合金质脆，无法锻造。主要用于凿岩用钻头、切削刀具、热加工用模具等。(2)烧结硬质合金碳化钨WC或碳化钛TiC等的粉状碳化物，参加黏结用金属钴Co(或Ni、Mo)

59、，加压并烧结，就可以得到红热硬度很高的合金材料，如果制成切削刀具，可以较一般工具钢的切削速度更高，并具有更长的刀具寿命，烧结后的碳化钨块可以铜焊接着于钢制刀柄，用以切削钢铁、铸件、非铁金属或非金属等材料。常用的烧结硬质合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以应用于拉线模具或其它耐磨耗场合。1-4耐蚀钢耐蚀性是指材料对于空气、水、酸、盐或其它化学环境下所产生破坏的抵抗程度。钢铁材料应用极广，但是耐蚀性不佳是其缺点，尤其*气候温湿，因此耐蚀性特别重要，除了使用各种覆面或涂装技术，最根本的方式还是必须改善钢的性质。在钢中添加Cr和Ni可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含

60、量而增加，一般耐蚀钢的分类，含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金，几乎不会被侵蚀称为不锈钢，含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金，那么称为耐蚀钢，但实用上提到耐蚀钢仍是以不锈钢为主。在大气及海水环境中，钢之耐蚀性随Cr量的增加而增加，含Cr量在12%以上，就几乎不会发生腐蚀的现象。不锈钢能耐蚀的原因，是因为Cr能在钢的表层形成一种致密的氧化铬膜，可以阻隔钢料内部的氧化作用，因而可以防止一般大气环境下的腐蚀。但是铬钢在强酸例如：硫酸、盐酸的环境，这层氧化膜就会被破坏而丧失了耐蚀性。钢中含Ni时在酸性环境中的耐蚀性，在含有硫酸及盐酸的环境中，可以发现，钢之耐蚀性随Ni量的增加而增大，由此可知，一般环境下使用，不锈钢只需添加Cr，就可以防止发生腐蚀的现象，然而在特定环境下(例如：硫酸、盐酸中)使用，就必须再添加Ni，才能到达防蚀的目的。一般除了铸造用途的不锈钢之外，不锈钢因其合金成份可以大致可以区分为：Cr系不锈钢、Cr-Ni系不锈钢。如果以晶体构造组织上来区分那么可以分为：肥粒体系、麻田散体