機(jī)械材料的規(guī)格及選用

機(jī)械材料的規(guī)格及選用學(xué)習(xí)目的1.了解機(jī)械材料規(guī)格的意義。2.了解常用的機(jī)械材料規(guī)格。3.了解各種規(guī)格編號的意義。4.能選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧稀?-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)范。完備的規(guī)格應(yīng)具有以下數(shù)據(jù)的敘述:1.適用范圍(Scope):包括用途(如：板、線、管)，適用尺寸等。2.化學(xué)成分(ChemicalComposition):包括各項成分元素的含量范圍或成分代號。3.定性敘述(QualityStatement):指品質(zhì)方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。4.定量需求(QuantitativeRequirement):指定化學(xué)成分范圍、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.其它需求(OtherRequirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。ANS(美國國家標(biāo)準(zhǔn))JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))DIN(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))料規(guī)格方面，常用的還包括ASTM(美國材料試驗協(xié)會)、AISI(美國鋼鐵協(xié)會)、SAE(美國汽車協(xié)會)等，而我國主要則依據(jù)CNS(中國國家標(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，所以本章最后舉例說明，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)來說明。而為CNS通則」(CNS2608,G2018)規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用范圍、檢驗及重驗三部分適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼料之一般檢驗檢驗部份：說明化學(xué)成份試驗和機(jī)械性質(zhì)試驗的試片取樣及檢驗重驗部份：說明規(guī)格部份不合規(guī)定的試片，必須經(jīng)由復(fù)驗判定合格及不合格。1又如「非鐵金屬材料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用范圍、檢驗及重驗三部分適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非鐵金屬材料檢查一般事項檢驗部份：規(guī)定有關(guān)外觀、尺度、化學(xué)成份試驗和機(jī)械性質(zhì)試驗的試片取樣及試驗事項重驗部份：說明試驗結(jié)果如部份規(guī)格與規(guī)定不合，必須經(jīng)由重驗判定合格及不合格。1-3常用的材料編號一般材料的化學(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大多是以化(如第七章部分材料的規(guī)格敘述)說明。(包括碳鋼在內(nèi))這是基本的認(rèn)識。目前，在我國較常用的規(guī)格有三種：中國國家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國鋼鐵學(xué)會－美國汽車工程師學(xué)會(AISI-SAE)。另外德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(UNS)相關(guān)業(yè)界有時也會采用。而其它還有常見的各國規(guī)格名稱。1．中國國家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)（1）鋼鐵的規(guī)格中國國家標(biāo)準(zhǔn)CNS是ChineseNationalCNS對鋼鐵材料的編號主要依據(jù)CNS109G1001(公布：民國36年385年3月原則上由下列三部分組成：第一部分為材質(zhì)，鋼鐵材料大部分以鋼)或F(Ferrum鐵)表示。第二部分有兩種不同的表示法；aPPlate(薄板)、T管)、U：Use(特殊用途)W：線材)F：Forging(鍛造)C：Casting(鑄造)例：SPCC：Plate，鋼板(冷軋)。SUP：UseSpring，彈簧用鋼b(包括結(jié)構(gòu)用碳鋼及合金鋼)(結(jié)構(gòu)用碳鋼時)，表示含碳量時，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％。強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示。例：SCM420表示鉻鉬鋼中編號420的材料STB340表示鍋爐及熱交換器用鋼，抗拉強(qiáng)度不

低于340N/mm2。以與合金量之表示法有所區(qū)別。常用于建筑結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場合。注：機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料的符號CNS2608G2018特別在附錄2中說明適用范圍及其2符號所代表的意義：適用范圍：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之組成。a之代表符號S、碳之符號C之外。附加符號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基本鋼附加符號鉛添加鋼L硫添加鋼S鈣添加鋼U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特性附加符號硬化能保證鋼H表面硬化用鋼K（例）S30C：碳鋼，含碳量0.30﹪S20C4：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/mm2S85WMo(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系依CNS2068H3021之規(guī)定，適用范圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡稱鍛鋁合金)及鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡稱鑄鋁合金)之合金種類及煉度符號。1xxx~8xxx9xxx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”煉度”系指”制造過程中，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”(大寫)號為一位數(shù)字或多位數(shù)字組合并附在基本符號之后。a．基本符號鋁合金的煉度基本符號分為四種。b．細(xì)分符號鋁合金煉度之基本符號H及T之細(xì)分符號，依下列規(guī)定。鍛鋁合金的編號及化學(xué)成分。2．日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)JIS是JapaneseIndustralStandard的簡稱，JIS對于鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類：3（1）一般機(jī)械構(gòu)造用碳鋼：其材料編號方法和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）其它用途的碳鋼及合金鋼：這一類鋼的材料編號表示法，大致可分三部分：第一部分為材質(zhì)，鋼以S、鐵以F表示，其它非鐵類如表。第二部分表示鋼制品的規(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來表示。此外如果需要，可將材料的加工方法、熱處理方式等附注于后，加工方法例如:D(Drawing)G(Grinding)Ex(Extruded)大多記于金屬符號之后，并在二者之間加入"-"（例）SK2：第二種碳素工具鋼：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．常用的美國材料編號及規(guī)格（1）美國鋼鐵學(xué)會－美國汽車工程師學(xué)會(AISI-SAE)AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類，以四個(或五個)數(shù)目字為記號來分類。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表示無其它合金元素。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。（例）SAE10450.45CNS中S45C鋼料相當(dāng)。SAE41400.40JIS中SCM4鋼料相當(dāng)。鋼種編號鋼種編號碳鋼1×××耐熱鋼30×××普通碳鋼10××鉬鋼4×××易削鋼(加硫)××Cr(0.7﹪)41××錳鋼13××Ni-Cr43××鎳鋼2×××Ni(1.75﹪)46××0.50﹪Ni20××鉻鋼5×××1.50﹪Ni21××Cr(1.0﹪)51××3.50﹪Ni23××Cr(1.5﹪)52××鎳鉻鋼3×××鉻釩鋼6×××1.25﹪Ni0.6﹪Cr31××鎢鋼7×××1.75﹪Ni1.0﹪Cr32××鎳鉻鉬8×××3.50﹪Ni1.5﹪Cr33××硅錳鋼9×××（2）美國材料協(xié)會及美國機(jī)械工程師協(xié)會ASTM(ASME)4ASTM是非常廣泛被采用的材料規(guī)范，它的特色主要是針對產(chǎn)品的特性及表現(xiàn)而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示，再輔以年代之混合標(biāo)示，ASME則采用了相當(dāng)多的ASTM規(guī)范，并以前置S表示。ASTM表示法:首位字母表示意義A鋼鐵類B非鐵金屬類C一般測試法例如:ASTMA36-77a其中A36-77a分別表示(鋼鐵)(結(jié)構(gòu)用)(1977年)(第一次修訂)又如:ASTME8代表拉伸試驗規(guī)范ASME的表示法：例如:ASMESA213=ASTMA213而同一編號又可依化學(xué)成分(Grade)加工方式成品型態(tài)(Class)來區(qū)分。Grade主要敘述其化學(xué)性質(zhì)，指脫氧的情況，Class:指一些其它性質(zhì)。如：強(qiáng)度、表面光度等。（3）美國統(tǒng)一編號系統(tǒng)UNS是UnifiedNumberingSystem1974年為ASTM及SAE聯(lián)合制定，UNS17個系列編號并與原有的體系配合，例如：UNSG10XX0=SAE10XX系統(tǒng)。4．德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)DIN并不是英文，而是德文DeutschIndustriellNorm的縮寫，德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料的規(guī)格是在DIN17006，補(bǔ)充說明在DIN17007，1974年改為ISO制，以EURONORM27-74替代。以英文字母和數(shù)字來敘述其特征，字母規(guī)定鋼鐵種類、冶煉成分倍數(shù)等。（1）碳鋼C60表示含0.6％C50kg/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）高級鋼料及低合金鋼倍數(shù)。第一部分:含碳量第二部分:合金元素種類第三部分:合金元素含量合金元素倍數(shù)Cr、Co、Mn、Ni、Si、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、、、V105P、S、N、Ce、C100B1000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"(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X12CrNi188同理X10CrNi18100.10％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，可以在其記號前后加上英文字母表示例如:MA6N(1)(2)(3)(4)(5)其中除(3)為主標(biāo)記外，(1)(2)(4)(5):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表示種類，隨后之標(biāo)示與鋼的編號相同，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德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN之鑄鐵分類GS=鑄鋼=一般灰鑄鐵=片狀石墨鑄鐵=球狀石墨鑄鐵GT=一般展性鑄鐵GTS=展性灰鑄鐵GTW=展性白鑄鐵1-4材料的選用1-4-1材料選擇的根據(jù)例6如：強(qiáng)度的要求、環(huán)境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由于結(jié)構(gòu)的不同，章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素，并舉實例具體說明。(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、CNS日本的JIS美國的ASTM、SAE、AISI、德國的DIN等，由于其化學(xué)成分及機(jī)械性質(zhì)都經(jīng)過試驗，有一定的保證，因此品質(zhì)將更有保障。(二)材料的價格要合理以開發(fā)新產(chǎn)品替代都是不錯的解決方案。(三)材料的品質(zhì)要一致的穩(wěn)定性也是重要的考慮因素。1-4-2鋼鐵材料的選用其特性考量。鋼鐵材料的選用，常遭遇的還有三個問題：(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。的場合。鍛造與鑄造在制造一直是競爭不止，傳統(tǒng)的鑄造品雖可以制造復(fù)雜或有內(nèi)孔的零以達(dá)到均質(zhì)、強(qiáng)韌，加以鑄造有一次成型的優(yōu)點(diǎn)，因此目前鑄件占較有利的趨勢。1-4-3應(yīng)用實例(一)引擎材料的選用以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進(jìn)排氣閥加以說明。1.1.汽缸體重稍大。如果需要輕量化，使動力提高，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7此鍛造鋼品是傳統(tǒng)上的選擇，不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發(fā)展，使得鑄造品在中小型汽車上也占一席之地。(SAE4140)或中碳鋼SAE1035及SAE1050。3.3.進(jìn)排氣閥700℃以上，而且必須承受燃料燃燒后產(chǎn)生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此采用耐熱鋼是最初的考慮，其后陸續(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后因為腐蝕問題而改用不銹鋼，至今更因為鈦的輕量化、高強(qiáng)度比且耐蝕而再度取代。近年來由于航天工業(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，復(fù)合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強(qiáng)化塑料)則大量的應(yīng)用。另外，為了極高(Ceramic更是不可或缺。摘要1．規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是數(shù)據(jù)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)范。2．在工業(yè)上，鋼鐵材料必依其化學(xué)成份，使用一定的編號以利于選用。目前，在我國(CNS)(JIS)國汽車工程師學(xué)會(AISI-SAE)。另外德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(UNS)相關(guān)業(yè)界有時也會采用。3．CNS之鋼鐵材料的編號，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)名稱或是制品用途或主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時)。鋼料的場合。4．AISI和SAE以四個(或五個)數(shù)目字為記號來分類。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表示無其它合金元素。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。鋼種編號鋼種編號碳鋼1×××耐熱鋼30×××普通碳鋼10××鉬鋼4×××易削鋼(加硫)××Cr(0.7﹪)41××錳鋼13××Ni-Cr43××鎳鋼2×××Ni(1.75﹪)46××0.50﹪Ni20××鉻鋼5×××81.50﹪Ni21××Cr(1.0﹪)51××3.50﹪Ni23××Cr(1.5﹪)52××鎳鉻鋼3×××鉻釩鋼6×××1.25﹪Ni0.6﹪Cr31××鎢鋼7×××1.75﹪Ni1.0﹪Cr32××鎳鉻鉬8×××3.50﹪Ni1.5﹪Cr33××硅錳鋼9×××5(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求(二)材料的價格要合理(三)材料的品質(zhì)要一致合金鋼及特殊鋼學(xué)習(xí)目的1.了解合金鋼與特殊鋼的意義。2.認(rèn)識合金鋼與特殊鋼的種類。3.認(rèn)識工具鋼的種類和用途。4.認(rèn)識耐蝕鋼的種類和用途。5.了解其它特殊鋼的種類和用途。1-1前言地方，也稱為特殊鋼材料行。除碳以外，若含錳量在1.65%以上、含硅量在0.60%以上，或含銅量在0.06%以上等，.....以使鋼具有極佳的硬化能，而12%以上時，鋼就不易腐蝕，成為耐蝕鋼。加入18%鎢、4%鉻、1%釩時即為高速鋼。鋼，例如：鎳鉬鋼，其余依此類推。9如果以合金含量來區(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，不過這些都是粗略的分法，并沒有實質(zhì)的意義。方法，就必須由了解合金元素對于鋼性質(zhì)的影響開始。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、硅Si、鈦Ti、硼B(yǎng)等。1-1-1鋼中主要合金元素的功用1．鉻作用有：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．能降低熱處理時的淬火溫度，因之在處理時變形小。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Wa．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．可以降低淬火時鋼之晶粒生長之趨勢。d．鎢鋼刀具有紅熱硬度。e．可增加鋼之保磁性，故可配入鋼中而制造永久磁鋼。4．釩V力，故含釩之鋼其斷面結(jié)晶密實，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，能防止其晶粒生長。c．有助于鋼之結(jié)晶組織細(xì)微化。5．錳Mn10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，故為制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，其它特性：a．鈦在不銹鋼中，可以防止高溫時鉻量的局部減少，維持其防蝕的能力b．可以防止合金鋼由高溫徐冷時的脆化現(xiàn)象。9．銅Cu合金鋼中銅之含量不可以超過1.5%，否則會使鋼變脆，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3-4%用。b．可以增加鋼的強(qiáng)度，但不宜超過0.2%。10．鋁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。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．會增加鋼的熱脆性b．硫含量0.2%以上，就會嚴(yán)重影響鋼的強(qiáng)度和韌性c．硫可使鋼強(qiáng)度降低，因此有利于鋼的切削，但除了易切鋼之外，極少利用。1112．硅Si硅在鋼中其作用如下:a．硅能增加鋼之電磁傳導(dǎo)率，故適于制造電氣材料。b．硅會加速鋼之結(jié)晶生長變粗，因此含量約在0.05~0.30%。c．硅能增高淬火溫度。d．會阻礙碳元素溶于鋼中。e．對于炭量較高之鋼，硅多則增加脆性，f．增加耐熱鋼的氧化性，可用為脫酸性。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，就用途來區(qū)分，合金鋼大致可以分等構(gòu)造，普遍來說其合金量較低，而特殊鋼大多是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合，大多是屬于高合金量，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)熱處理后可以大幅提高強(qiáng)度，通常用于不需焊接場合的強(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)其它用途特殊鋼：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合金鋼的用途分類鋼種主要合金用途構(gòu)高強(qiáng)度低合金鋼低Mn、低Si-Mn汽車車身、構(gòu)造用機(jī)造件、船體用熱處理用中合金鋼NiCrNi-CrCr-Mo合(強(qiáng)韌鋼)Ni-Cr-Mo大型軸金表面滲碳鋼Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、齒輪、汽車工業(yè)變速鋼硬化箱、差速器Ni-Cr-Mo12鋼氮化鋼Al-Cr、Al-Cr-Mo、汽缸套、車床主軸、Al-Cr-Mo-Ni、銑床零件切削用鋼W、Cr-W、Cr-Mn牙攻、車刀、銑刀工具鋼耐沖擊用鋼Cr-W、Cr-W-V沖頭、鉚釘具耐磨用鋼高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V號規(guī)、拉線模、整緣模具熱加工用鋼Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr熱輥軋模、壓鑄模特殊鋼耐蝕鋼耐熱鋼彈簧鋼軸承鋼不銹鋼Cr、Cr-Ni餐具、外科刀具耐酸鋼Ni、Cr-Ni、高Si化學(xué)工業(yè)CrCr-NiSi-CrCr-Al進(jìn)氣閥、排氣閥、輪機(jī)葉片Si-Mn、Si-Cr、Cr-V車輛、鐘表及各式彈簧高C高CrC-Cr-Mn球軸承、滾軸承等非摩擦式軸承電氣用鋼非磁性鋼(避磁鋼)Ni、Cr-Ni、Cr-Mn輸配線支撐、羅盤外殼磁性鋼Si(硅鋼)變壓器鐵心磁石鋼Cr、W、Cr-W-Co永久磁鐵超高強(qiáng)度鋼高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co鋼梁、飛機(jī)骨架1-2構(gòu)造用合金鋼構(gòu)造用合金鋼是指使用在構(gòu)成機(jī)械的零件或建筑土木等各項工程結(jié)構(gòu)上的鋼料，備良好的鑄造、鍛制、切削或焊接的能力，以符合應(yīng)用上的需要。實用上，構(gòu)造用合金鋼由于使用的場合不同，一般區(qū)分為非熱處理型和熱處理型類鋼料包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。131-2-1高強(qiáng)度合金鋼(HSLASteel)金鋼就是一此要求而發(fā)展出來。料時就已完成強(qiáng)化。高強(qiáng)度低合金鋼的種類很多，一般抗拉強(qiáng)度必須在50kg/mm2以上，高強(qiáng)度低合金區(qū)分。添加的元素為以MnSiNbVN影響較大，CoCr的影響較小。高強(qiáng)度低合金鋼由于強(qiáng)度高出普通碳鋼甚多，因此對于同樣的負(fù)荷而言，可以使用較小的斷面，因而整體重量也可以減輕。使軋延及冷卻過程中也可以加入。具備良好加工成形性的HSLA鋼除了特有的合金元素外，另外還加入有稀土金屬元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如:Co、V、Ti也有工成形性。加工成形性的需求，主要是為了適應(yīng)諸如：汽車、船舶等結(jié)構(gòu)成形的需要。早期HSLA鋼在耐蝕性表現(xiàn)甚佳，但是為了改善加工成形性，因而必須犧牲一些防蝕能力，HSLA鋼所做成的機(jī)件比由普通碳鋼所做成的機(jī)件更薄，因此一旦生銹，氧化的銹層會使HSLA鋼能承受荷重的斷面大受影響。因此需加入像CuHSLA鋼之表面鍍鋅或其它防銹的表面處理，以增加其耐蝕性。HSLA鋼在汽車工業(yè)的應(yīng)用上，它不但可以取代傳統(tǒng)的普通低碳鋼，也更可以使就屬于HSLA鋼，其厚度約在0.6mm或更厚。其它如：貨車、營建機(jī)械和其它重噸位車輛皆可使用HSLAHSLA之鋼板原大致為1.5mm或更厚。構(gòu)造用HSLA鋼，且可用于沿海之鉆油機(jī)、電力輸送機(jī)、火車及船體。1-2-2易切鋼(Free-machiningsteel)易切鋼是為了改善切削性和切削加工表面而發(fā)展的一種鋼料，主要使用于在強(qiáng)度別要求強(qiáng)度的小型零件，就可以采用此種鋼來制造。改善鋼切削性的方法有：在鋼中加入合金元素，以弛力退火減少殘留應(yīng)力或調(diào)整140.1~0.25%的易切鋼稱為硫易切鋼，加鉛0.1~0.3%的易切鋼稱為鉛易切鋼。由于加硫可以與鋼中的錳形成MnS，使得切屑變小且沒有黏滯性，因此可以改良螺絲及螺帽等。CaTeSeBiCa易切鋼是煉鋼時用Ca脫氧，其能形成易切的原理與S、P和Pb不同，Ca易切鋼是脫氧時的生成物，功能。1-2-3熱處理用合金鋼上一節(jié)曾經(jīng)提到，在肥粒鐵基地中加入合金元素，可以改良在正?；癄顟B(tài)使用的熱處理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒鐵，而達(dá)到強(qiáng)化的目的(這樣的方式稱為固溶強(qiáng)化)。質(zhì)的鋼料，因此也稱為強(qiáng)韌鋼。碳鋼如果用于構(gòu)造上有兩個主要的缺點(diǎn)：一是硬化能較差、質(zhì)量效果大，另一是回火時機(jī)械強(qiáng)度降低甚大。前面提過，硬化能是指淬火后，距離淬火端硬度降低的程度。質(zhì)量效果是指當(dāng)尺恒溫變態(tài)曲線(S曲線)就會右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相當(dāng)?shù)挠捕取９?。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，發(fā)揮淬火的效果，在回火處理時也可織?，F(xiàn)在我們已經(jīng)暸解，在構(gòu)造用合金鋼中加入合金元素的目的，主要是增進(jìn)硬化能及抵抗回火軟化。在合金鋼所加入的元素中，Cr、Mn、Mo的效果較大，其次是Ni，由于的價格較高，因此如果只為減小質(zhì)量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni添加價格較低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素對硬化能的影響，大致可以由硬化能倍數(shù)(multiplyingfactor)看出，硬化15PSi對于鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以并不適合。在鋼中添加SiCr或Mo加Cr或Mo除了使回火軟化減緩之外，在較高溫回火的情況下，還會產(chǎn)生二次硬化的現(xiàn)象，而使硬度能夠再度上升。這種二次硬化的現(xiàn)象，在鎢W、釩V等元素也有類似WV是合金工具鋼的重要元素，二次硬化的現(xiàn)象對于工具鋼會產(chǎn)生特殊的切削效果，這一部份將在下一節(jié)詳細(xì)說明。熱處理用合金鋼，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，()類似，但含量較少，所以效果也不一樣。1．鋼鋼中添加鎳可以增加鋼的強(qiáng)度，但是在淬火硬度上并沒有很大的改善，同時在回已不常用，鋼在鋼料編號上是屬于SAE2XXX系，JIS對鎳鋼則不作規(guī)定。鋼中鎳的添加量約為3~5%，主要優(yōu)點(diǎn)是可以增加鋼的低溫強(qiáng)度降低鋼的轉(zhuǎn)脆溫度(Transitiontemp.)，同時也可以作為滲碳用鋼。2．鋼碳鋼中加入1%鉻左右，可以增加鋼的硬化能和回火軟化抵抗性，鉻鋼一般是由830℃~880℃淬火于油中，再回火于550℃~650℃附近，由于這種鋼料在回火時容易產(chǎn)生材質(zhì)變脆的現(xiàn)象(稱為回火脆性)，所以在回火之后必須冷卻于水中或油中以避免產(chǎn)生回火脆性，這類鋼的直徑如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。鉻鋼在鋼的編號上屬于SAE5XXX系，JIS編號為SCrxx。鉻鋼經(jīng)熱處理淬火、回火后，硬度高、耐磨而且耐沖擊，主要的用途有：挖土機(jī)重機(jī)械的鋼齒、機(jī)斗、碎石機(jī)械等。3．Mo鋼MoMo對于回火時軟化的抵抗性也很好，因此可以經(jīng)過高溫回火，而得到極佳的強(qiáng)度和韌性。鉬鋼含Mo量約0.2%~0.3%，另外含有少量Mn等元素，焊接性好，在鋼料編號上屬于SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機(jī)械零件、螺栓等。4．Ni-Cr鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr含量在超過1%以上時，效果就不會再增加，能有效的增加肥粒鐵的強(qiáng)度和韌性。Ni-Cr鋼的鎳含量約1%~3.5%，鉻含量約0.5%~1.0%。另外，由于鉻及鎳加入鋼18%8%18-8用的不銹鋼。16Ni-Cr鋼在鋼料編號上屬于SAE3XXX及SAE43XX系，JIS編號為SNCXX，在構(gòu)造用合金鋼中，Ni-Cr鋼是其中較為常用的，通常用于制造曲柄軸、連桿、齒輪等。5．Cr-Mo鋼含有鉻和鉬的合金鋼硬化能大、回火抵抗性高，而且較不會產(chǎn)生回火脆性，所以是一種用途很廣的材料。Cr-Mo鋼是在含Cr量1％的鋼料中，再添加0.15%~0.30%的Mo，某些場合可以替代Ni-Cr鋼，在鋼料的編號上是屬于SAE41XX系，JIS編號為SCMXX。Cr-Mo鋼使用的場合，例如：汽車曲軸、鍛造或機(jī)制的軸、軸環(huán)和葉輪等。6．Ni-Cr-Mo鋼Ni-Cr-Mo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的優(yōu)點(diǎn)，其中添加元素分別為0.4%~3.5%Ni0.4%~3.5%Cr0.15%~0.70%MoNi-Cr-Mo鋼具有極佳的硬化能，淬火有效直徑可以達(dá)200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo鋼對于回火軟化的抵抗性大，又因Mo可以顯著改善Ni-Cr鋼高溫回火脆性的缺點(diǎn)，因此能回火至相當(dāng)?shù)母邷兀玫絻?yōu)良的強(qiáng)韌性，所以Ni-Cr-Mo鋼可以說是構(gòu)造用合金鋼中最優(yōu)秀的。Ni-Cr-Mo鋼質(zhì)量效果小，從淬火溫度以空氣冷卻也可以淬硬，因此又稱為自硬性鋼(selfhardeningsteel)或風(fēng)硬性鋼(airhardeningsteel)850℃~950℃冷卻于空氣中或淬火于油中，再回火于550℃~650℃，如果含Mo量高，回火后不須急冷。鋼也適于大型零件，其鋼料編號為SAE8XXX，JIS編號為SNCMXX，用于大型軸、曲柄軸、高強(qiáng)度螺栓，以致于中小型軸或內(nèi)燃機(jī)連桿等。表2碳鋼與典型鎳鉻鉬鋼機(jī)械性質(zhì)的比較主要成分(%)鋼種CNiCrMoMn熱處理抗拉強(qiáng)度kg/mm2沖擊值kg-m/mm2Brinell硬度碳鋼0.40~0.50------0.40~0.85淬火回火>70>8201~269S30NiCrMo2鋼0.25~0.352.50~3.572.50~3.500.50~0.700.35~0.60淬火回火>110>8302~3521-3合金工具鋼能夠使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具工具用鋼中，以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜，高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢則較昂貴。工具鋼必須強(qiáng)韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等特性，以其合金成份和構(gòu)造17CrMo等仍然為基本元素(或是增加其含量)，另外必要時在添加耐高溫的W、V及Co等。工具鋼是屬于高級鋼料，因此必須是由全靜鋼錠制造，同時要特別要求合金元素用熱處理以達(dá)到材料的最佳性質(zhì)，因此尺寸要求精密的機(jī)件，必須先實施半加工成形(semifinished)，經(jīng)熱處理，再完成加工(finished)。1-3-1高碳工具鋼高碳工具鋼的成份為含碳量0.6%~1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化水中，因此屬于水硬性鋼，其缺點(diǎn)則是硬化深度較淺，在高溫時強(qiáng)度較差。由于僅經(jīng)淬火的麻田散鐵組織太脆，耐磨性不佳，為了增加耐磨性，高碳工具鋼在淬火前必須實施球化處理，淬火至室溫之后，再加以150℃~200果可以得到球狀雪明碳鐵散布于低溫回火麻田散鐵，硬度夠而且耐磨耗的組織。1-3-2合金工具鋼進(jìn)其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、等合金元素，而形成合金工具鋼。合金工具鋼主要藉熱處理所得到的麻田散鐵組織保持工具鋼必要的硬度，另外以合金元素與碳結(jié)合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具鋼依其用途可分為下列四類：1．切削用合金工具鋼為了切削用途，因此這類合金鋼通常含碳量較高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，適合作為螺絲攻、車刀、銑刀等用途。2．耐沖擊用合金工具鋼此類合金鋼為增加沖擊韌性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3．冷間模具用合金工具鋼此類工具鋼由于用于常溫(又稱為冷間，coldwork)因此在高碳鋼中添加MnCrMoWV化物以增加其耐磨性。4．熱間模具用合金工具鋼此類工具鋼由于多使用于熱加工(熱作)模具，因此必須具有高溫硬度(紅熱硬度)，不至因溫度升高而變形或軟化。此類工具鋼含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐壓鑄、模鍛等壓力。181-3-3高速鋼高速鋼(highspeedsteel)是用于切削工具，在高速切削之紅熱狀態(tài)時仍能保持其硬切削刀具，其切削速率可達(dá)高碳工具鋼的三倍。高速鋼除CWMoCrVCo整理如下：(1)C可與各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。(2)W可以形成碳化鎢，除增加硬度外，也可以增加回火軟化的抵抗性。(3)Mo的性質(zhì)與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可以使晶粒微細(xì)化，增加強(qiáng)度。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高溫硬度。高速鋼通常以主要元素W及MoW鎢量較多的高速鋼稱為鎢系高速鋼(T系高速鋼)，含Mo鉬量較多的高速鋼稱為鉬系高速鋼(M系高速鋼)，其中含18%W、4%Cr、1%V為最典型的高速鋼，稱為18-4-1鋼，另外含18%W、4%Cr、2%V則稱為18-4-2鋼。高速鋼因為所含的合金元素量較多，所以導(dǎo)熱度較不良，因此淬火溫度需較高，一般約在1200℃~1350℃之間，使合金元素充分固溶于沃斯田鐵，淬火之后可以得到洛氏硬度約Rc64以上。淬火后的高速鋼約在400~550℃間實施回火，在回火的過程中，由于合金成份會等。1-3-4硬質(zhì)合金或超硬合金別于一般工具用鋼料。這類材料有極高硬度及高溫強(qiáng)度，可以切削各種鋼料甚至玻璃、陶瓷等。硬質(zhì)合金是通常是以鑄造或是粉末冶金的方式制造，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來制成。硬質(zhì)合金又分為：(1)工具用鑄造合金并且耐磨耗，有時又稱非鐵鑄造合金刀具或超硬鑄合金刀具。史斗鉻鈷(stellite)就是其Co40％~55﹪、Cr15﹪~33W10﹪~18﹪、C2﹪~4﹪、Fe5％以下、Mn1金質(zhì)脆，無法鍛造。主要用于鑿巖用鉆頭、切削刀具、熱加工用模具等。(2)燒結(jié)硬質(zhì)合金19碳化鎢WC或碳化鈦TiC等的粉狀碳化物，加入黏結(jié)用金屬鈷Co(或Ni、Mo)，WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以應(yīng)用于拉線模具或其它耐磨耗場合。1-4耐蝕鋼要，除了使用各種覆面或涂裝技術(shù)，最基本的方式還是必須改善鋼的性質(zhì)。在鋼中添加Cr和可以增加鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性主要隨Cr的含量而增加，一般耐蝕鋼的分類，含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金，幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金，則稱為耐蝕鋼，但實用上提到耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。CrCr量在12%幾乎不會發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。不銹鋼能耐蝕的原因，是因為Cr能在鋼的表層形成一種致密的氧化鉻膜，可以阻隔鋼料內(nèi)部的氧化作用，因而可以防止一般大氣環(huán)境下的腐蝕。但是鉻鋼在強(qiáng)酸例如：硫酸、鹽酸的環(huán)境，這層氧化膜就會被破壞而喪失了耐蝕性。鋼中含之耐蝕性隨量的增加而增大，由此可知，一般環(huán)境下使用，不銹鋼只需添加Cr，就可以防止發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，然而在特定環(huán)境下(例如：硫酸、鹽酸中)使用，就必須再添加Ni，才能達(dá)到防蝕的目的。一般除了鑄造用途的不銹鋼之外，不銹鋼因其合金成份可以大致可以區(qū)分為：Cr系不銹鋼、Cr-Ni系不銹鋼。如果以晶體結(jié)構(gòu)組織上來區(qū)分則可以分為：肥粒體系、麻更有意義，因此目前材料學(xué)上對于不銹鋼的的分類，大多以后者為主。簡單來說，添加合金元素會改變材料的平衡相圖，并進(jìn)而影響其機(jī)械性質(zhì)，加上熱處理的實施又決定于相圖的變化，因此形成了各類不銹鋼不同的特性。例如：添加CrVTi量的增加會使沃斯田鐵相區(qū)減小甚至消失，因此變成相圖除液態(tài)外均以肥粒NiMnCo化系不銹鋼。1-4-1肥粒體系不銹鋼由于鐵中添加Cr會使沃斯田相區(qū)縮小，并且當(dāng)Cr含量超過13%時，各種溫度下20將只有肥粒鐵相存在。但是因為鋼中還有碳的存在，碳會與Cr形成碳化鉻，而消耗一部分鉻，大致上1%C必須要1%Cr結(jié)合，所以如果純?yōu)榉柿ｈF結(jié)構(gòu)，實際含鉻量必須Cr在16%以上且C含量在0.12%又稱為肥粒體系不銹鋼。0.12%Cr約16%～18類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬于400系列，以430不銹鋼為代表，其它如：405不銹鋼、446不銹鋼等都是，在JIS編號為SUS430、SUS405等。1-4-2麻田散體系不銹鋼上述低碳高鉻的不銹鋼，當(dāng)含碳量增加或是含鉻量較低時，則其高溫固相時沃斯田鐵區(qū)就會存在，此時將此類高碳高鉻鋼加熱到沃斯田鐵區(qū)(γ區(qū))，再淬火下來，就可以得到麻田散鐵的組織，這樣的不銹鋼雖因Cr量減少而耐蝕性稍差，但是具有優(yōu)秀的機(jī)械性質(zhì)，稱為麻田散體系不銹鋼。麻田散鐵系不銹鋼的含碳量約為0.1%～0.4%，含Cr約12%～14%，如果要與肥粒體系不銹鋼細(xì)分，也可以用另一種方式來判斷：[%Cr-17%C]13.…..肥粒體系[%Cr-17%C]13…...麻田散體系麻田散體系不銹鋼的淬火溫度為950~1000氣冷就可以達(dá)到淬火的目的，淬火之后再行回火，回火的實施通常采用100~180℃的低溫回火。麻田散體系不銹鋼價格便宜，硬度、強(qiáng)度佳，但耐蝕性略差，可以作為刀具、軸400系列，以403、410不銹鋼為代表，其它如：431不銹鋼、440A不銹鋼、440B不銹鋼、440C不銹鋼等都是，在JIS編號為SUS431、SUS440C等。1-4-3沃斯田體系不銹鋼前兩類的不銹鋼雖各有其優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍，但是都是屬于鉻系不銹鋼，鉻系不銹鋼的缺點(diǎn)就是在酸性環(huán)境下()Ni量約8%銹鋼稱為沃斯田體系不銹鋼，是不具磁性的系列。沃斯田體系不銹鋼防蝕能力甚佳、質(zhì)軟加工性良好，但無法以淬火及回火來增加Cr18~20%Ni8~10%而含C量少于0.2%的Cr-Ni18-8鋼。18-8不銹鋼的缺點(diǎn)是在500~900使得晶界附近產(chǎn)生缺鉻的現(xiàn)象(稱為貧鉻區(qū))(intergranularcorrosion)21的現(xiàn)象，這樣的現(xiàn)象在焊接工作或熱處理等場合時常發(fā)生，因此必須注意。有效改良的方法是：(1)處理時盡快通過此溫度。(2)添加其它合金元素以抑制Cr的消耗。例如：Ti、Nb、Ta等，均可以和碳結(jié)合成安定的碳化物，而不會再影響鉻。(3)降低含碳量。含碳量小于0.03%時，碳就只固溶于沃斯田鐵而不會與鉻形成碳化物，例如焊接時，使用低含碳量的304L不銹鋼焊條，就可以避免粒間腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生。沃斯田鐵系不銹鋼的用途很廣，不但對各種環(huán)境的耐蝕性優(yōu)良，而且具有極高的300系及200304301不銹鋼、310不銹鋼、316不銹鋼、347不銹鋼、202不銹鋼等都是，在JIS編號為SUS301等。1-4-4析出硬化系不銹鋼這類型的不銹鋼是由沃斯田體系不銹鋼改良而來，它的成份與18-8Cr及量稍減，另外添加了Al、Cu、Mo、Nb、Ti等。析出硬化是一種熱處理上強(qiáng)化材料的方法，它的方法通常是，添加有助于生成析(aging)處理的方式，使硬的金屬間化合物析出于材料基地，以得到極高的機(jī)械性質(zhì)。一般析出硬化系不銹鋼在固溶后淬火于常溫時，仍是全為沃斯田鐵組織，因此柔軟易于加工，在加工完成后，必須再實施一次中間熱處理(intermediateheattreatment)，此時Ms點(diǎn)約在0℃~15(subzerotreatment)經(jīng)兩次時效處理，就可以得到高強(qiáng)度。因此添加Al、等元素的目的，即是在于促使散強(qiáng)化及析出硬化的組合。析出硬化系不銹鋼具耐蝕性，即使含碳量很少也可以有很強(qiáng)的機(jī)械性質(zhì)，一般用600631不銹鋼為代表，630不銹鋼也屬之，在SAE編號中還有633不銹鋼(AM350)、634不銹鋼(AM362)等。此系列不銹鋼如果再添加Co元素，則可以提高M(jìn)s溫度至常溫以上并提高析出量。1-5其它特殊鋼1-5-1耐熱鋼耐熱鋼基本上極為類似不銹鋼，因為它不但需要抵抗高溫，同時也必須抵抗高溫22的氣體腐蝕環(huán)境，所以AISI將之歸類于不銹鋼，例如：AISI309310不銹鋼、409不銹鋼等，JIS規(guī)格屬于SUH系列，而在CNS規(guī)格則屬于系列。高溫的環(huán)境下，除了防蝕的考慮外，最重要的就是要具有優(yōu)良的潛變強(qiáng)度，因此除了Cr和NiMoWAlTiSiMnAl-Fe合金機(jī)械性質(zhì)不佳。耐熱鋼一般依其主要成份分為兩類：(1)Cr系耐熱鋼1高溫長時間的環(huán)境中僅有氧化。0102030鉻的重量百分比1200℃1000℃圖1添加Cr對含碳量0.5%C鋼料氧化的影響，220小時Cr系耐熱鋼除了CrMo良好。但是500℃以上時，強(qiáng)度就會急遽下降，因此大多使用于高溫下但不須考慮潛變強(qiáng)度的場合，例如：石化工業(yè)、內(nèi)燃機(jī)閥門、熱處理爐零件等。Cr系耐熱鋼因于其組織為肥粒鐵，所以又稱為肥粒鐵系耐熱鋼，Cr含量大于10%以上時可以增加耐熱鋼的潛變強(qiáng)度，JIS材料的編號中SUH409、SUH446均屬之。如果Cr含量大于10%以上時則以抗氧化性為主。(2)Cr-Ni系耐熱鋼Cr系耐熱鋼對于一般高溫環(huán)境的耐氧化性良好，但在高溫的機(jī)械性質(zhì)方面則不理想，所以在需要高溫強(qiáng)度或潛變強(qiáng)度的場合，就需要采用Cr-Ni系的耐熱鋼。Cr-Ni系耐熱鋼基本上是將18-8鋼，增加Cr、的含量，并添加Ti、Mo、W等23熱鋼。主要合金元素的含量為：14~26%Cr12~37%Ni0.1~0.4%C0~3%WJIS材料的編號為SUH309~SUH330SUH660SUH661為時效處理系耐熱鋼，應(yīng)用于輪機(jī)的靜翼和燃燒器。1-5-2軸承鋼軸承為支承軸于一定位置的機(jī)件，因此必須有足夠的強(qiáng)度、耐磨耗及很高的疲勞限。軸承又分為滾珠軸承及滾子軸承兩種，最常使用的材料為高碳低鉻鋼，其成份為0.95~1.10%C、0.9~1.6%Cr、0.5~0.9%Mn、0~0.25%Mo，此外由于軸承鋼屬于高級合金鋼，所以磷、硫含量必須在0.025%以下，以確保其機(jī)械性質(zhì)。軸承鋼除了材料純度要求較高之外，需要經(jīng)過熱處理使其中碳化物細(xì)化并分布于780~850140~160℃，熱處理后其硬度值約HRc62以上。軸承鋼在JIS中之的材料編號為SUJ，例如：SUJ1、SUJ2等。1-5-3彈簧鋼彈簧廣泛應(yīng)用于車輛、加工機(jī)械、模具、鐘表等，彈簧的種類很多，較大的如車輛板片彈簧、較小的如螺旋彈簧、或鐘表的動力彈簧(發(fā)條)等。制造彈簧的材料有鋼料、銅合金、橡膠等。彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞三類，有些特殊場合也用到耐蝕鋼。彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實施熱處理之后使用，大型的彈簧，例如：板片彈簧等，系將熱軋的板或棒，在高溫加工成形，由780~850℃淬火于油中或水中，再經(jīng)400~500℃回火后使用。小型彈簧，例如：螺旋彈簧等，必須將韌化處理后冷抽的鋼線(通常稱為琴鋼線，pianowire)300~350℃藍(lán)化處理(blueing)后，以提高疲勞限然后使用。彈簧鋼在JIS材料中的編號屬于SUP。1-5-4電氣用鋼電氣用鋼屬于軟磁(softmagnetic)材料，主要是用于制造電機(jī)機(jī)械例如：變壓器、電動機(jī)(馬達(dá))等的鐵心材料。良好的鐵心材料必須利于導(dǎo)通磁力線以提高效率，所以磁阻要低、導(dǎo)磁性要好，并且要容易磁化及退磁，殘留磁力小以減少磁滯損失(hysteresisloss)扇區(qū)容易移動。常用的鐵心材料有純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等，其中以純鐵(eddycurrentloss)大，24因此添加硅，唯硅含量過高時材質(zhì)便脆化，因此一般在5.5%以下，此外硅鋼片制成片狀相迭也可以降低渦流損失。1-5-5磁石鋼磁石鋼是制造磁石的一種材料，主要是用于制造永久磁鐵，永久磁鐵使用于無線電擴(kuò)音機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)永久磁極等，屬于硬磁(hardmagnetic)材料。硬磁材料與軟(residualmagnetim)結(jié)構(gòu)必須晶粒細(xì)、內(nèi)應(yīng)力大，并且最好有第二相的粒子，來阻礙扇區(qū)的移動。磁石鋼常用的材料有兩種類型：(1)淬火硬化型磁石鋼去磁性，這種材料稱為淬火硬化型磁石鋼。淬火硬化型磁石鋼主要是鎢鋼(0.5~1.0%C、5~7%W)，另外還包括：碳鋼(0.8~1.2%C)、、鈷鋼(0.9~1.2%C、5~17%Co)、鋼(0.7~1.0%C、30~40%Co)等。(2)析出硬化型磁石鋼由于格子畸變，而使得材料不易失去磁性，這種材料稱為析出硬化型磁石鋼。析出硬化型磁石鋼大致包括：MK鋼(15~40%Ni、7~15%Al、0~20%Co)、Alnico鋼(7.5~17%Al、14~22%Ni、5~38%Co、其余為鐵)等。1-5-6超高強(qiáng)度鋼發(fā)展高強(qiáng)度鋼的目的是為了減少材料本身的重量，以承受相同的荷重而言，高強(qiáng)(TheUltrahigh-strengthSteel)是指降伏強(qiáng)度超過180,000psi(或是130kg/mm2)強(qiáng)度合金的要求，并且也需要易于加工及成形。超高強(qiáng)度鋼大致分為以下幾類：(1)將中含碳量的強(qiáng)韌鋼或低合金鋼加入更多的Si及V，以避免低溫回火脆性并增加韌性，可以得到超高強(qiáng)度鋼，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)200kg/mm2以上。例如：AISI4141M、4130M、433V、D6AC等鋼種。(2)改良工具鋼(ModifiedToolSteel)5Cr-Mo-V模具鋼改良而成，200kg/mm2AISIH-11、H-13等鋼種。(3)麻時效鋼(MaragingSteel)，含Ni20﹪是低碳高鎳含量的合金鋼，易于成形、加工、焊接，但必須在退火狀態(tài)才容易加工或成形。這類鋼種的時效元素為Co、Mo或Ti，在480℃附近時效可以使其強(qiáng)度增為最大，由于時效溫度不高，因此對于精密機(jī)件不25150~210218Ni鋼、20Ni、25Ni等均是。(4)Cr-Ni-Mo或Fe-Cr-Mo-Cu等，是屬于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金鋼，這些合金鋼能在低溫下析出硬化，而且在耐高溫氧化及耐疲勞性均佳。Cr-Ni-Mo合金并在150kg/mm2以上。例如：Astralloy、AFC-77等鋼種。(5)9Ni-4Co鋼，是一種將碳化物生成元素含量減少，而以來提高韌性的鋼料，另外添加Co以提高M(jìn)s點(diǎn)并減少殘留沃斯田鐵，這種鋼韌性優(yōu)良，并可以變韌鐵組織狀態(tài)使用，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)200kg/mm2以上。AISI的材料編號例如：HP-9-4-20、HP-9-4-30HP-9-4-45等鋼種都是。摘要1.1.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。碳鋼除了碳以1.650.60上或含銅量在0.06％以上等等，就屬于合金鋼，2.2.合金鋼依其用途來區(qū)分，可分為構(gòu)造用合金鋼和特殊鋼，構(gòu)造用合金鋼是使耐熱、磁性等特別的場合。3.3.一般構(gòu)造用合金鋼由于使用的場合不同，可以分為非熱處理型和熱處理型兩鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。4.4.工具鋼的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用硬質(zhì)合而高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢較昂貴。5.5.工具鋼必須強(qiáng)韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等特性，以其合金成份和CrMo等仍然為基本元素(或是增加其含量)，另外必要時在添加耐高溫的W、V及Co等。6.6.在鋼中添加Cr和Cr的含量而增加，一般耐蝕鋼的分類，含Cr量在12﹪以上之Fe-Cr合金，幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr量在12﹪以下之Fe-Cr合金，則稱為耐蝕鋼，實用上是以不銹鋼為主。7.7.彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞限高而且不產(chǎn)生永久變形的特性，適用26彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實施熱處理之后使用。金屬的腐蝕學(xué)習(xí)目的1.了解腐蝕的意義。2.了解金屬材料腐蝕的原理。3.了解影響金屬腐蝕的因素。4.了解鋼鐵材料腐蝕的形式。5.認(rèn)識防治腐蝕的方法。1-1前言材料會因為時間、環(huán)境等種種因素，而產(chǎn)生不堪使用或稱為失敗(failure)的狀況，無法承受負(fù)荷所產(chǎn)生的破壞(fracture)，還有磨耗(wear)、腐蝕(corrosion)、輻射損傷(radiationdamage)識并防治腐蝕，是學(xué)習(xí)材料必備的課題。生銹(rusting)它的材料雖然也會腐蝕，但不稱為生銹。腐蝕的過程可以是一種化學(xué)反應(yīng)(ChemicalReaction)，而更多時候則是一種電化學(xué)反應(yīng)(ElectrochemicalReaction)。所謂電化學(xué)反應(yīng)，簡單的說是金屬間形成陽極和陰極的電池效應(yīng)。簡單的說，電異，只在于結(jié)果的不同。腐蝕是金屬的剝離，電鍍則是金屬的覆層。而就工程材料的來源而言，材料原為礦石或是氧化物中冶煉，再度變?yōu)榛衔锒褂脡勖Ｔ谌粘Ｉ钪?，就有許多足以產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境，例如：不同金屬本來就具蝕破壞的程度。在機(jī)械結(jié)構(gòu)使用上，材料的選擇不當(dāng)，對腐蝕因素的認(rèn)識不夠，也是助長結(jié)構(gòu)腐治。損失，就約占國民生產(chǎn)總值的4%共工程因腐蝕致使用壽命降低，近年來在航空器及其它方面，因腐蝕產(chǎn)生安全的危害、27的腐蝕機(jī)構(gòu)及防制腐蝕的方法的研究，尤其必須特別重視。事實上，除了金屬材料會受到腐蝕之外，其它材料也會發(fā)生腐蝕，例如：塑料、陶瓷材料的化學(xué)溶解(chemicaldissolution)范圍，就各種腐蝕發(fā)生的成因、腐蝕形式、金屬鈍化等說明，并提出腐蝕的防治之道。1-2腐蝕的意義自然界中絕大多數(shù)的物質(zhì)，都有變成氧化物或是形成穩(wěn)定化合物的傾向，除了金、因素，例如：水份、高溫，或是酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的誘導(dǎo)等，都可能引起金屬的腐蝕，如圖1所示。治煉鐵礦石Fe2O3鐵Fe3O4FeFeCO3腐蝕圖1礦石鋼料腐蝕說明了腐蝕發(fā)生的基本原因?qū)W腐蝕（chemicalcorrosion）又稱為直接溶解(dissolution)，通常是指材料置于一種可以溶解的溶液環(huán)境中，直到材料全部耗盡(腐蝕)或是溶液達(dá)到飽和點(diǎn)。其它諸如高溫、質(zhì)金屬或金屬中足以構(gòu)成電位差的兩極，在一種電解質(zhì)(electropte)較為重要，也較容易被忽視。1-2-1化學(xué)腐蝕在自然界中，物質(zhì)會溶解于特定的溶液中是熟知的現(xiàn)象，例如：糖、鹽會溶解于是在防治腐蝕方面。28當(dāng)然如果是這樣的情形，整個腐蝕現(xiàn)象就會變得較復(fù)雜。1．選擇性濾除有些金屬合金材料在特殊環(huán)境下，其中的一種或多種元素容易被選擇性的濾除（leach的水溶液所溶解，產(chǎn)生脫鋅(dezincification)的局部腐蝕現(xiàn)象，而缺少鋅的位置，將使得黃銅變成多孔性結(jié)構(gòu)而變成很脆弱。2．石墨化腐蝕果埋設(shè)不當(dāng)，容易發(fā)生泄漏甚至爆炸的事件。作用的酸堿溶液）接觸，也是另一種解決的方式。如果一定必須在溶液的環(huán)境中使用，鋅量15%1%左右的錫Sb錫黃銅包括：海軍黃銅(navalbrass)、海將黃銅(admiraltymetal)等都屬之。1-2-2電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是最重要的腐蝕因素，因為大多數(shù)的金屬腐蝕的起因，都可說是一種某些部位產(chǎn)生了局部的陽極反應(yīng)(AnoicReaction)，讓金屬失去一個或多個電子，變成金屬陽離子，亦即發(fā)生陽極氧化作用；而在同時，另一地點(diǎn)也會產(chǎn)生陰極反應(yīng)(CathodicReaction)，獲得多出的電子，使得陰極形成還原作用，而構(gòu)成一個電池效應(yīng)Electro-chemicalcorrosionelectroplating電化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)，可以說是腐蝕現(xiàn)象里最重要的部分，而且大部分的腐蝕現(xiàn)象anode而cathode屬就會發(fā)生腐蝕。因此受到保護(hù)。由此可知，電池效應(yīng)發(fā)生的情況必須是，材料發(fā)生氧化電位（或還原電位）不同生。例如:兩種不相似金屬搭接在一起或金屬兩表面間有潮濕空氣等。電化學(xué)腐蝕發(fā)生的原因，既然是因為電位的不同而且可以產(chǎn)生電池效應(yīng)所致，當(dāng)29增大腐蝕;而當(dāng)金屬表面生成海棉狀的化合物，就足以容納更多水份繼續(xù)其電池作用，并且向內(nèi)腐蝕金屬。至于何種金屬較易形成陽極，而何種金屬較易形成陰極？其實如同前面有關(guān)化學(xué)度不同而已。這種金屬受環(huán)境溶液誘惑的趨勢稱為"電溶壓"(ElectrolyticSolutiona1tension)之電溶壓小的金屬，比較到腐蝕。電溶壓用在電化學(xué)上又稱為"伽凡尼電位"(GalvanicPotential)或是"電解電位"，因電流的通過(從陽極流向陰極)，使較高電位金屬發(fā)生陽極消溶腐蝕。當(dāng)電位差愈大，產(chǎn)生的電流愈強(qiáng)，腐蝕損耗率就愈大。PotentialSeries)可以說明在不同環(huán)境下，依序為：鉀(K)、鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(A1)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、钖(Sn)、鋁(Pb)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉑(Pt)、金(Au)。上述電位序中，電位序在前面的金屬對于電位序在其后的金屬將形成陽極;相反稱為貴金屬(noble)或具化學(xué)惰性(chemicallyinert)敘述會在稍后討論鋼鐵腐蝕時再說明。則大多產(chǎn)生氫離子的還原作用，而放出氫氣，結(jié)果使材料形成腐蝕的現(xiàn)象。的防治，最基本的原理就是抑制或是避免這些反應(yīng)的發(fā)生。1-3影響金屬腐蝕的因素如前所述，腐蝕發(fā)生的過程主要依化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)兩種方式來進(jìn)行。例如：鐵的腐蝕就化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)而言，其在大氣中的氧化過程為：室溫時Fe＋1/22＋H2O2Fe（OH）2氫氧化亞鐵2Fe（OH）2＋1/22＋H2O2Fe（OH）3氫氧化鐵（鐵銹）而以電化學(xué)反應(yīng)式表示則為：Fe＋1/22＋H2OFe+2＋2OH-2Fe（OH）3氫氧化鐵（鐵銹）30各種氣體和化合物，像是二氧化硫SiO2、硫化氫2S等，加上本省海島地形含有充足的鹽份，經(jīng)由電化學(xué)反應(yīng)，這些物質(zhì)更助長了材料的腐蝕。再如：鐵置于高溫環(huán)境中，其腐蝕型態(tài)不同于常溫下的反應(yīng)，而是直接與氧結(jié)合，形成Fe2O3(氧化鐵)、FeO（氧Fe3O（四氧化三鐵）等氧化物。除了大氣之外，土壤、溶液、酸堿度、散亂效應(yīng)、加工效應(yīng)也在在影響腐蝕的結(jié)果。1-3-1大氣在沒有濕度存在的大氣中，由于沒有電解液，腐蝕無法進(jìn)行反應(yīng)，因此一般濕氣凝結(jié)在金屬表面，因此即使些微的濕氣，腐蝕性就會有很大的差異。型。海岸地帶大氣中所含的鹽份與濕氣結(jié)合，可以形成伽凡尼電池或是氧氣濃差電池；速腐蝕的進(jìn)行，對鐵而言，由于二氧化硫經(jīng)反應(yīng)可以產(chǎn)生H2SO4，H24與鐵作用，經(jīng)由上列反應(yīng)式之催化，就會使鐵產(chǎn)生更大的腐蝕。為高溫加速氧化腐蝕或加速氧化，在一定的氧氣濃度下(例如：密閉容器中)，溫度每增加30℃，腐蝕速率會增加一倍。1-3-2土壤因土壤環(huán)境的差異，產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕或破壞。(土壤對于腐蝕之影響主要是由于其多孔性、鹽類(去極劑或抑制劑)、水份、電導(dǎo)度、酸堿度等因素，其間各種條件的差異會使壤，還可能會有還原硫酸菌等微生物存在，造成極大的腐蝕速率。有機(jī)無機(jī)涂層、金屬涂層、土壤改良或陰極防蝕都是有效的方法。1-3-3散亂電流散亂電流是指非經(jīng)正常電路而來的電流，當(dāng)這類電流進(jìn)入金屬裝置而后又離開時，31因此于散亂電流會影響結(jié)構(gòu)的場合，就必須特別防范。的交流發(fā)電系統(tǒng)等。()和散亂電流源(例如：電車軌道)，以避免電位產(chǎn)生大變化；陽極或陰極防蝕、裝設(shè)絕緣耦合器(coupling)1-3-4溶液學(xué)腐蝕的重要介質(zhì)，許多腐蝕現(xiàn)象因此而生。1-3-5材料成份如果在海水或酸性等其它的環(huán)境中，腐蝕速率就會受到影響。低酸中的腐蝕性，鎳在堿性溶液中也有類似的效果。1-3-6熱處理效應(yīng)腐蝕反應(yīng)。的程序，或添加適當(dāng)?shù)囊种苿┒寄軐⒏g速率減低至最輕程度。1-3-7加工效應(yīng)蝕的代表。用后加工(例如：珠擊法)、材料改良(添加合金元素)或陰極保護(hù)法來抑制。1-4鋼鐵的腐蝕在金屬材料中，鋼鐵的腐蝕無疑是其中最重要的，因為它使用的范圍很廣，影響32也很大；舉凡橋梁、機(jī)械、結(jié)構(gòu)物或關(guān)系公共工程的建設(shè)，無不與鋼鐵材料有關(guān)?；旧?，鋼鐵材料的腐蝕現(xiàn)象，主要也是由于化學(xué)及電化學(xué)因素所引起，而其常腐蝕、伽凡尼腐蝕、穿孔腐蝕、間隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、和延晶腐蝕等。1-4-1直接氧化腐蝕其反應(yīng)式：4Fe＋3O22Fe2O3氧化鐵FeOFe3O（四氧化三鐵）等氧化物，這樣的情況在鋼的熱軋或是熱處理時常會發(fā)生，稱為鱗皮。1-4-2均勻腐蝕(Uniformattackcorrosion)當(dāng)一種金屬置于電介質(zhì)(或電解質(zhì))中，金屬的某部分區(qū)域會比其它區(qū)域更為"陽極"，而且這些區(qū)域的位置會不時移動，有時也會周而復(fù)始，這樣的現(xiàn)象使得腐蝕現(xiàn)象在氧化或是鎳的成霧狀(fogging)也都是均勻腐蝕的例子。1-4-3-1均勻腐蝕的量測均勻腐蝕的速率，通?？梢杂脦追N單位表示。國內(nèi)外常用的有：每年侵蝕的公厘數(shù)(mpypenetrationperyear1mil=1/1000吋=0.025mm)數(shù)(ipy，inchespenetrationperyear)，但有時由于不易量度，也以損失的重量mdd(milligramspersquaredecimeterperday)或每年損失的重量再來推估等其它各種數(shù)值。以鋼為例，在海水中的腐蝕速率約為25mdd，相當(dāng)于5mpy。一般來說，腐蝕的初始速率常較最終速率為大，因此測定腐蝕速率時，要記錄整個過程，以外插法可能會產(chǎn)生很大的錯誤。而材料如果腐蝕速率在1mpy以下為抗蝕性強(qiáng)(outstanding)，50mpy以上防蝕性轉(zhuǎn)劣(poor)，在200mpy以上則是無法接受(unacceptable)。1-4-4伽凡尼腐蝕(Galvaniccorrosion)這種腐蝕發(fā)生于兩種不同金屬或是合金接觸，而能產(chǎn)生伽凡尼電池(Galvaniccell)的情況，常用金屬材料在海水中的伽凡尼電位序。-兩相合金其腐蝕抵抗力都較單相金屬為差。1-4-5穿孔腐蝕(Pitting