钢铁材料规格和选用标准手册
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)，适用尺寸等。
2.化学成分(Chemical Composition):包括各项成分元素的含量范围或成分代号。
3.定性叙述(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(Other Requirment):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ASTM(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。
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(如第七章部分材料的规格叙述)。由于材料范围很广，因此本章内容，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(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(CNS)
（1）钢铁的规格
中国国家标准CNS是Chinese National Standard的简写，CNS对钢铁材料的编号主要依据CNS 109 G1001(公布：民国36年3月，修订：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－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：铬钼钢，第420种
S25C：碳钢，含碳量0.25％。
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：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CNS 2608 G2018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
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
（例）
S 30 C：碳钢，含碳量0.30﹪
S 20 C 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/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CNS 2068 H3021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。
锻铝合金之编号依其合金成分，共分1xxx~8xxx系，另有9xxx系为备用，，铸铝合金之规格亦分1xxx~9xxx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分。
2．日本工业标准(JIS)
JIS是Japanese 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(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)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－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0.45的碳钢，与CNS中S45C钢料相当。
SAE4140：含碳量0.40的铬钼钢，与JIS中SCM4钢料相当。
（2）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:
例如: ASTM A36-77a 其中A 36 - 77 a
分别表示(钢铁)(结构用)(1977年)(第一次修订)
又如: ASTM E8 代表拉伸试验规范
ASME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主要叙述其化学性质，Type指脱氧的情况，
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UNS
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 G10XX0 = SAE 10XX，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。
（1）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/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
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=0.3％
（3）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: M A St42 6 N
(1)(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，含锰量12％。
表1 德国工业标准DIN 之铸铁分类
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JIS 美国的ASTM、SAE、AISI、UNS 德国的DIN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，材料的供应就必须稳定而且质量一定才行，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
以上提到的是材料选用的原则。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
(一)引擎材料的选用
机械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)的发展，使得铸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(Ceramic Tiles)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－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。
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)。
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．AISI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)代表含碳量。
5．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.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不足，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相同，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，若含锰量在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镍、铬、钒、钨、.....等元素，以达到需要的效果，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。加入18%钨、4%铬、1%钒时即为高速钢。
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：镍钢、钼钢等。加入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．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．锰有脱氧及脱疏功效，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．合金钢中加入钼可去除回火脆性。
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，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%。
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: