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1、金属材料监选学习目的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。规格（Specification）是产品需求的叙述，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，这样就有规范的存在必要。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。在机械材料的范畴方面，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范。完备的规格应具有以下数据的叙述：1 .适用范围（SCoPe）:包括用途（如：板、线、管）
2、，适用尺寸等。2 .化学成分（ChemiCalComposition）:包括各项成分元素的含量范围或成分代号。3 .定性叙述（QUalityStatement）:指品质方面，例如炼钢方式或脱氧情况。4 .定量需求（QUantitatiVeReqUirenlent）:指定化学成分范围、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（OtherReqUirment）:如特殊容许差、材料表面状况等。现今世界各国各依其工业化的发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AST
3、M（美国材料试验协会）、AISI（美国钢铁协会）、SAE（美国汽车协会）等而我国主要则依据CNS（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范，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：CNS有关材料试验部份，其中钢料之检验通则(CNS2608,G2018)规定：本标准主要内容包括：适用范围、检验及重验三部分适用范围：本标准适用于钢料之一般检验检验部份：说明化
4、学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则(CNS4195,H2045)中规定：本标准主要内容包括：适用范围、检验及重验三部分适用范围：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。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(如第七章部分材料的规格叙述)。由于材料范围很广，因此本章内容，
5、主要以钢铁材料的编号为主，另外辅以部分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，这是基本的认识。目前，在我国较常用的规格有三种：中国国家标准(CNS)、日本工业标准(JlS)、美国钢铁学会一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(CNS)(1)钢铁的规格中国国家标准CNS是ChineSeNationalStandard的简写，CNS对钢铁材料的编号主要依据CNSIO9G1001(公布：民国36年3月，修订：
6、民国85年3月)原则上由下列三部分组成：第一部分为材质，钢铁材料大部分以S(Steel钢)或F(FerrUm铁)表示。第二部分有两种不同的表示法；a.表示标准名称或是制品用途。常用的有一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：SPCC：Plate,钢板（冷轧）。SUP：UseSpring,弹簧用钢b.用于结构的钢料（包括结构用碳钢及合金钢），代表主要合金元素或含碳量（结构用碳钢时），表示含碳量时，通常以含碳量之100倍数值表示，例：SCM420：倍铝钢，第420种S25C：碳钢，含碳量0.25
7、%。第三部分为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若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：SCM420表示铭铝钢中编号420的材料STB340表示锅炉及热交换器用钢，抗拉强度不低于340Nmm2o以与合金量之表示法有所区别。常用于建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。注：机械结构用钢料的符号机械结构用钢料使用很广，因此CNS2608G2018特别在附录2中说明适用范围及其符号所代表的意义：适用范围：机械结构用碳钢钢料及结构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。附加符号由
8、第一群及第二群组成，第一群一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基本钢附加符号铅添加钢L硫添加钢S钙添加钢U第二群一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表面硬化用钢K（例）C- C- 3020S- S-：碳钢，含碳量0.30%4：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三2S85WMo(HS)：含碳量0.85%的鸨铝高速钢0S90C(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CNS2068H
9、3021之规定，适用范围为锻铝、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。锻铝合本之编号依其合金成分，共分1xxx8xxx系，另有9xxx系为备用，铸铝合金之规格亦分1xxx9xxx九系，其中6xxx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”。炼度符号又分为基本符号与细分符号。基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基本符号之后。a.基本符号铝合金的炼度基本符号分为四种。b.细分符号铝合金炼度之基本符号H及T之细分符号，依下列规定。锻铝合金的编号及化学成
10、分。2 .日本工业标准(JlS)JlS是JaPaneSeIndustralStandard的简称，JlS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CNS的第一种表示法相同。(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，大致可分三部分：第一部分为材质，钢以S、铁以F表示，其它非铁类如表11-。第二部分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。第三部分为为钢料的种别，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(
11、DraWing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Tllrning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法大多记于金属符号之后，并在二者之间加入(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）美国钢铁学会一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：银钢为2、鸨钢为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
12、数（或第三、四、伍位数字）代表含碳量。（例）SAE1045：含碳量0.45的碳钢,与CNS中S45C钢料相当。SAE4140：含碳量0.40的铭铝钢，与JlS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10X铝钢4易削钢（加硫）11XCr(0.7%)41XX镒钢13XNi-Cr43银钢2Ni(1.75%)46X0.50%Ni20铭钢51.50%Ni21XCr(1.0%)51X3.50%Ni23Cr(1.5%)52X银铭钢3格机钢61.25%NiO.6%Cr31鸨钢71.75%Ni1.0%Cr32银铭铝8X3.50%Ni1.5%Cr33硅锦钢9（2）美国材料协会及美国机械工程师协
13、会ASTM（ASME）ASTM是非常广泛被采用的材料规范它的特色主要是针对产品的特性及表现而定。ASTM表示法是以以字母+代号表示，再辅以年代之混合标示ASME则采用了相当多的ASTM规范，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：ASTMA36-77a其中b36-ZZ旦分别表示（钢铁）（结构用）（1977年）（第一次修订）又如：ASTME8代表拉伸试验规范ASME的表示法：例如：ASMESA213=ASTMA213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主要叙述其化学性质，TyPe指脱氧的情
14、况，ClaSS:指一些其它性质。如：强度、表面光度等。(3)美国统一编号系统UNSUNS是UnifiedNUlnberingSyStem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：UNSG10XX0=SAE10XX,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DeutschIndustrielINorm的缩写，德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN17006,补充说明在DIN17007,1974年改为ISO制，以euronorm27-74替代。以英
15、文字母和数字来叙述其特征，字母规定钢铁种类、冶炼方法、合金材料、处理情况等、数字则规定钢铁材料的、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。(D碳钢一般以碳元素标记及其含碳量表示，如C60表示含0.6%C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之构造用碳钢，CK40表示含磷、硫量甚低之碳钢，抗拉强度为40kgmr(2)高级钢料及低合金钢以其主要合金元素和含量为标记，但在其中第三部分含量，为避免小数点出现，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。第一部分:含碳量第二部分:合金元素种类第三部分:合金元素含量合金元素倍数Cr、C
16、o、Mn.Ni.Si、W4ALBe、Pb.Cu.Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、S、NCe、C100B1000例如:含碳量0.34%含馅量1%的钢材，表示为34Cr4依此13CrV53即表示含碳量0.13%,含铭量5/4=1.25%,含钢量3/10=0.3%(3)高合金钢在标记前加上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，含铭量18%含银量8%,表示为X12CrNi188同理X10CrNi1810即表示含碳量0.10%的高合金钢，含倍量18%含银量10。如果要进一步标示其特性，可以在其记号前后加
17、上英文字母表示例如：MASt426N(1)(2)(3)(4)(5)其中除为主标记外，(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相同，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，含锌量12%。表1德国工业标准DIN之铸铁分类GS二铸钢GG二一般灰铸铁GGL二片状石墨铸铁GGG二球状石墨铸铁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1-47材料选择的根据一材料的种类繁多，而且性质互异，
18、因此无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、成本的考虑等)而不同，而各种材料由于结构的不同，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则。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基本的考虑，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CNS日本的JlS美国的ASTM、SAE.AISLUNS德国的DIN
19、等，由于其化学成分及机械性质都经过试验，有一定的保证，因此品质将更有保障。（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，产品的成本势必提高，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）材料的品质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，材料的供应就必须稳定而且品质一定才行，否则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，因此在选择材料供应之初，材料品质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料选用的
20、原则。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量。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。碳钢的价钱便宜，但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受的负荷则关系局部或全部淬火，负荷大的零件以全部淬火为宜，表面淬火则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，锻造品则较强韧，但铸造技术及材料的进步，己可以达到均质、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3）引擎材料的选用机械产生动力来自于引擎，
21、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)的发展，使得铸造品在中小型汽车上也占一
22、席之地。如果使用锻钢，必须考虑硬化能的问题，因此常用的有铭铝钢(SAE4140)或中碳钢SAE1035及SAE1050。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700C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银(InconeI)者。(一)材料的取代和新材料的选用由于材料的改良和新材料的不断发展，许多制品原来使用的材料，可以替代而性能更佳，价格更便宜。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，至今更因为钛的轻量化、高强度比且耐蚀而再度取
23、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)则大量的应用。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部分的包覆(CeramiCTiIeS)更是不可或缺。摘要1 .规格(SPeCifiCatiOn)是产品需求的叙述，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范。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(CNS)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会一美国汽车工程师学会(
24、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。3 .CNS之钢铁材料的编号，主要由下列三部分组成：第一部分为材质，铁以F表示，钢以S表示。第二部分表示标准名称或是制品用途或主要合金元素或含碳量(结构用碳钢时)O第三部分为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若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，常用于建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。4 .AlSl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)代表
25、含碳量。碳钢1X耐热钢30普通碳钢10X铝钢4XXX易削钢（加硫）11XCr(0.7%)41X镒钢13XNi-Cr43X银钢2Ni(1.75%)46X0.50%Ni20X铭钢5X1.50%Ni21XCr(1.0%)51X3.50%Ni23Cr(1.5%)52X银铭钢3格钢钢61.25%NiO.6%Cr31鸨钢7XXX1.75%Ni1.0%Cr32银铭钥83.50%Ni1.5%Cr33硅镒钢9XXX5 .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）材料的品质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 .
26、认识工具钢的种类和用途。4 .认识耐蚀钢的种类和用途。5 .了解其它特殊钢的种类和用途。17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不足，例如：需要耐蚀的蜴合、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相同，因此在市面上，许多贩售合金钢材料的地方，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，若含镒量在1.65
27、%以上、含硅量在0.60%以上，或含铜量在0.06%以上等，就可以认定是属于合金钢，其它元素刻意加入碳钢中者亦同。碳钢如果依不同用途再加入银、铭、专凡、鸨等元素，以达到需要的效果，就成为合金钢。例如：微量的倍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。加入18%鸽、4%格、1%机时即为高速钢。除用途外，合金钢也可依加入元素种类来区分。由于任何钢中均含铁、碳两种元素，因此，如再加入一种元素即称为三元钢，例如：银钢、铝钢等。加入二种元素称为四元钢，例如：银铝钢，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
28、合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%5.5%之间的，再细分为中合金钢，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始。在合金钢中所添加的合金元素，主要有保Ni、铝Cr.鸨W、帆V、锦Mn、铝Mo、钻Co、硅Si、钛Ti、硼B等。177钢中主要合金元素的功用1 .倍Cr铭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
29、进钢的抗腐蚀性。2 .锲Ni镶在钢中的影响有：a.增进钢的硬化能。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.高镁合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就含有8%左右的银。3 .鸨W鸨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化鸨，能提高钢的强度。此外，a.铛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.铝钢刀具有红热硬度。e.可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。4 .帆V钢可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钢在钢中有脱酸除氧之能力，故含机之钢其断面结晶密实，此外钮的作用还有：a.能提高淬
30、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.有助于钢之结晶组织细微化。5 .镒Mn镒亦为钢中重要元素，其作用及影响如下：a.在适量下，镒量增加可增加钢之最大强度及硬度。b.锦有脱氧及脱疏功效，故镒能发惮钢之锻造性与可塑性。c.镒在钢中含量多，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镒钢为最显著。6 .铝MO铝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.高速工具钢含铝，可予以较佳之切割性能。d.合金钢中加入铝可去除回火脆性。7 .钻C。钻为制造合金钢之重要元素，
31、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.钻可代替银，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，可以防止高温时铭量的局部减少，维持其防蚀的能力b.可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。9 .铜CU合金钢中铜之含量不可以超过1.5%,否则会使钢变脆，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%。
32、10 .铝AIa.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,与镒化合成MnS,其结果：a.会增加钢的热脆性b.硫含量O.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，硅多则增加脆性，f.增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。综合各
33、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，适材适所才是最重要的，如果不瞭解特性贸然选择，不但可能增加成本，效果也可能适得其反。17-2合金钢的分类一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%
34、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，称为热处理用中合金钢(或强韧钢)。(c)表面硬化钢(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高强度低合金低Ml1、低Si-Mn汽车车身、构造钢用机件、船体热处理用中合Ni、CrNi-Cr.曲柄轴、螺栓、金钢(强韧钢)Cr-Mo、Ni-Cr-Mo齿轮、大型轴金钢表面硬化钢渗碳钢Ni、Ni-CrCr-MO、Ni-Cr-Mo齿轮、汽车工业变速箱、差速器氮化钢AI-Cr、AI-Cr-M0、Al-Cr-Mo-N
35、i.汽缸套、车床主轴、铳床零件特殊钢工具钢切削用钢W、Cr-W.Cr-Mn牙攻、车刀、铳刀耐冲击用钢Cr-WCr-W-V冲头、钾钉具耐磨用钢C-Cr、Cr-WCr-Mo-V号规、拉线模、整缘模具热加工用钢Mn.Cr-W-V.Ni-Cr-M0、Mn-Cr热辐轧模、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CrCr-Ni、Si-Cr.Cr-Al进气阀、排气阀、轮机叶片弹簧钢Si-Mn.Si-CrCr-V车辆、钟表及各式弹簧轴承钢CrCr、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
36、外壳磁性钢Si（硅钢）变压器铁心磁石钢Cr、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结构上的钢料，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
37、包括高强度低合金钢、易切钢等。后者多属于热处理用中合金钢，大多用于机械组件例如：曲柄轴、高强度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增进钢的硬化能及降低质量效果，而经由热处理则可以得到更强韧的机械性质，这类钢料包括银钢、铭钢、银铭钢、铭铝钢、锲铭铝钢等。IZgzl高强度合金钢(HSLASteeI)高强度低合金钢主要是替代在构造上使用的低碳钢，由于工程结构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，因此为避免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发展出来。这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中，尤其是在低碳钢
38、中占绝大部分的肥粒铁基地，使之强化而改变钢的机械性质，增进其机械强度。由于大型结构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50kgmr112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，C。、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，除了加入少量的合金元素，在轧钢厂中经由
39、特殊的轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性的HSLA钢除了特有的合金元素外，另外还加入有稀土金属元素，例如：Ce.Nb.La等，此外，如：C。、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、船舶等结构成形的需要。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。因此需加入像CU等能改进大气耐蚀性的元素进行，但由于会增加
40、成本，因此后来的作法，是在HSLA钢之表面镀锌或其它防锈的表面处理，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张力钢板就属于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伟用于这些用途的HSLA之钢板原大致为1.5El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-machiningSteel)易切钢是为了改善切削性和切削加工表面而发展的一种钢料，主要使用
41、于在强度较低的小型零件。由于经济及迅速切削的需求，加上自动切削机械的发展，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：在钢中加入合金元素，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01025%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锌形成MnS,使得切屑变小且没有黏滞性，因此可以改良切削性，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C
42、a、储Te、硒Se、秘Bi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。丁2-3热处理用合金钢上一节曾经提到，在肥粒铁基地中加入合金元素，可以改良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，只是由于大型结构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，而达到强化的目的（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
43、构成的零件，例如：曲柄轴、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，因此假如能利用热处理，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加入合金元素，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较显著。而如果碳钢中
44、加入了特殊元素，恒温变态曲线（S曲线）就会右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相当的硬度。因此加入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。现在我们已经瞭解，在构造用合金钢中加入合金元素的目的，主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中，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.Moo合金元素
45、对硬化能的影响大致可以由硬化能倍数(multiplyingfactor)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对于钢硬化能也有助益，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比较就可以发现，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，在鸨W、钮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
46、同，常用的热处理用合金钢有：银钢、铭钢、铝钢、镶铭钢、铭铝钢、银格铝钢等。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。1. Ni钢钢中添加银可以增加钢的强度，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，加上银的价格较高，因此单纯加银的银钢最近已不常用，Ni钢在钢料编号上是属于SAE2XXX系，JIS对锲钢则不作规定。Ni钢中银的添加量约为35%,主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(TranSitiontemp.),同时也可以作为渗碳用钢。2. Cr钢碳钢中加入1%倍左右，可以增加钢的硬化能
