关于金属材料方面的资料

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。

[ 本帖最后由 tonybasic 于 2005-10-26 10:29 编辑 ]

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。而随著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资料的叙述:
　　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):指品质方面，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.其他需求(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，所以本章最後举例说明，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：本标准适用於钢料之一般检验
　　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)。由於材料范围很广，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於选用，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．用於结构的钢料(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
                低於340 N/mm2。
以与合金量之表示法有所区别。常用於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
   
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-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）
         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)之合金种类及练度符号。
   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"练度"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"。练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後。
　a．基本符号
　　铝合金的练度基本符号分为四种。
　b．细分符号
　　铝合金练度之基本符号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对於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）其他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，其他非铁类如表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、热处理方式等附注於後，加工方法例如(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法大多记於金属符号之後，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表示无其他合金元素。
   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。

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) 11×× Cr(0.7％) 41×× 锰  钢 13×× Ni-Cr 43×× 镍钢 2××× Ni(1.75％) 46×× 0.50％Ni 20×× 铬钢 5××× 1.50％Ni 21×× Cr(1.0％) 51×× 3.50％Ni 23×× Cr(1.5％) 52×× 镍铬钢 3××× 铬钒钢 6××× 1.25％Ni0.6％Cr 31×× 钨钢 7××× 1.75％Ni1.0％Cr 32×× 镍铬钼 8××× 3.50％Ni1.5％Cr 33×× 矽锰钢 9×××  
（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:

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  -   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:指一些其他性质。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徵，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他表示法，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
合金元素 倍数 Cr、Co、Mn、Ni、Si、W 4 Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V 10 P、S、N、Ce、C 100 B 1000 　　
　　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"，此外由於合金元素含量己高，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)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，随後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
  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，因此无论铁金属和非铁金属材料，或者随後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，而各种材料由於结构的不同，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，由於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，但是如果是属於大量生产的东西，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原则。而钢铁材料由於在机械上使用广泛，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，但合金钢易於淬火、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
机械产生动力来自於引擎，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
　　汽缸由於形状复杂，又有冷却管路，因此只能用铸造方式，汽缸由於要求良好强度大、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 承受燃料燃烧後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，其後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
　　由於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，其後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。
　　近年来由於航太工业，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胶)则大量的应用。另外，为了极高速航具和太空梭的需要，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，也是资料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於选用。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，常用於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表示无其他合金元素。
   第三、四位数(或第三、四、伍位数字)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) 11×× Cr(0.7％) 41×× 锰  钢 13×× Ni-Cr 43×× 镍钢 2××× Ni(1.75％) 46×× 0.50％Ni 20×× 铬钢 5××× 1.50％Ni 21×× Cr(1.0％) 51×× 3.50％Ni 23×× Cr(1.5％) 52×× 镍铬钢 3××× 铬钒钢 6××× 1.25％Ni0.6％Cr 31×× 钨钢 7××× 1.75％Ni1.0％Cr 32×× 镍铬钼 8××× 3.50％Ni1.5％Cr 33×× 矽锰钢 9××× 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)材料的品质要一致

多谢