【资料】关于金属材料方面的资料

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我怎么什么也没看到？那位叫做‘JACK3906’的大侠：请问你那些所谓 “网上下载的关于金属材料方面的资料（台湾编著）”在哪里，如何才能看到，如何下载？恕我悟性太差，恳请您能指点一下。

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KEIGO wrote:
我怎么什么也没看到？那位叫做‘JACK3906’的大侠：请问你那些所谓 “网上下载的关于金属材料方面的资料（台湾编著）”在哪里，如何才能看到，如何下载？恕我悟性太差，恳请您能指点一下。

  
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機械材料的規格及選用
學習目的
1.瞭解機械材料規格的意義。
2.瞭解常用的機械材料規格。
3.瞭解各種規格編號的意義。
4.能選擇適當的金屬材料。
   
1-1前言
   
規格(Specification)是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據。為了適合某一種特別的用途，生產者當然必須促使產品能夠符合需要，這樣就有規範的存在必要。而隨著工業化程度的提高及國際間貿易往來的趨勢，產品的流通愈來愈頻繁，為了增進效率及提供產品零件的互換性，工業規格的訂定更是必然的結果。在機械材料的範疇方面，同樣的必須有一定的規格，以作為生產者及使用者依循的規範。
完備的規格應具有以下資料的敘述:
1.適用範圍(Scope):包括用途(如：板、線、管)，適用尺寸等。
2.化學成分(Chemical Composition):包括各項成分元素的含量範圍或成分代號。
3.定性敘述(Quality Statement):指品質方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。
4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學成分範圍、物理及機械性質需求，以適應使用上經濟的理由。
5.其他需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。
現今世界各國各依其工業化的發展而有不同的工業規格，例如：美國的ANS(美國國家標準)、日本的JIS(日本工業標準)、德國的DIN(德國工業標準)等。而在針對機械材料規格方面，常用的還包括ASTM(美國材料試驗協會)、AISI(美國鋼鐵協會)、SAE(美國汽車協會)等，而我國主要則依據CNS(中國國家標準)訂定。
材料的選擇及應用是學習材料規格的重要目的，所以本章最後舉例說明，如何在產品需求及相關考慮之下，選擇適當材料。
1-2材料的規格
   
一種機械材料的規格最主要可以由：材料的種類、成份和機械性質來說明。而為了標準化起見，材料必須經由一套嚴謹的試驗規範，確保其可靠度。世界各國都有其材料試驗的標準程序，我國也不例外，例如：CNS有關材料試驗部份，其中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規定：
    本標準主要內容包括：適用範圍、檢驗及重驗三部分
適用範圍：本標準適用於鋼料之一般檢驗
檢驗部份：說明化學成份試驗和機械性質試驗的試片取樣及檢驗
         標準方法
重驗部份：說明規格部份不合規定的試片，必須經由複驗判定
         合格及不合格。
又如「非鐵金屬材料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規定：
本標準主要內容包括：適用範圍、檢驗及重驗三部分
適用範圍：本標準規定非鐵金屬材料檢查一般事項
檢驗部份：規定有關外觀、尺度、化學成份試驗和機械性質試驗
         的試片取樣及試驗事項
重驗部份：說明試驗結果如部份規格與規定不合，必須經由重驗
         判定合格及不合格。
1-3常用的材料編號
   
  一般材料的化學成份與機械性質是息息相關的，因此常用的材料編號大多是以化學成份命名為主，再輔以機械性質(如第七章部分材料的規格敘述)。由於材料範圍很廣，因此本章內容，主要以鋼鐵材料的編號為主，另外輔以部分非鐵金屬及非金屬材料來做說明。
在工業上，鋼鐵材料(包括碳鋼在內)必依其化學成份，使用一定的編號以利於選用，這是基本的認識。目前，在我國較常用的規格有三種：中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。而其它還有常見的各國規格名稱。
1．中國國家標準(CNS)
（1）鋼鐵的規格
  中國國家標準CNS是Chinese National Standard的簡寫，CNS對鋼鐵材料的編號主要依據CNS 109 G1001(公佈：民國36年3月，修訂：民國85年3月)原則上由下列三部分組成：
  第一部分為材質，鋼鐵材料大部分以S(Steel鋼)或F(Ferrum鐵)     
      表示。
  第二部分有兩種不同的表示法；
   a．表示標準名稱或是製品用途。常用的有－P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途)
   W：Wire(線材)  F：Forging(鍛造)  C：Casting(鑄造)
           例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。
               S UP：Use Spring，彈簧用鋼
   b．用於結構的鋼料(包括結構用碳鋼及合金鋼)，代表主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)，表示含碳量時，通常以含碳量之100倍數值表示，
    例：SCM420：鉻鉬鋼，第420種
               S25C：碳鋼，含碳量0.25％。
  第三部分為該材料之種類號碼，或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度，通常以三位數字表示。
           例：SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號420的材料
               STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼，抗拉強度不
               低於340 N/mm2。  
  以與合金量之表示法有所區別。常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。
    
  註：機械結構用鋼料的符號
  機械結構用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用範圍及其符號所代表的意義：
  適用範圍：機械結構用碳鋼鋼料及結構用合金鋼鋼料種類符號之組成。
   a．符號順序為鋼之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符號。其中除鋼之代表符號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(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）  
        S 30 C：碳鋼，含碳量0.30﹪
        S 20 C 4：碳鋼，含碳量0.20﹪第四種構造用碳鋼  
        S(55)C：一般構造用碳鋼，最小抗拉強度55kg/mm2
        S85WMo(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）鋁及鋁合金的規格
  鋁及鋁合金之種類及符號係依CNS 2068 H3021之規定，適用範圍為鍛鋁、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)之合金種類及鍊度符號。
  鍛鋁合金之編號依其合金成分，共分1xxx~8xxx系，另有9xxx系為備用，，鑄鋁合金之規格亦分1xxx~9xxx九系，其中6xxx系為備用，這些已如第九章所述。
  而所謂”鍊度”係指”製造過程中，依加工、熱處理等條件之差異所獲得機械性質之區分”。鍊度符號又分為基本符號與細分符號。基本符號為一字英文字母(大寫)，細分符號為一位數字或多位數字組合並附在基本符號之後。
  a．基本符號
  鋁合金的鍊度基本符號分為四種。
  b．細分符號  
  鋁合金鍊度之基本符號H及T之細分符號，依下列規定。
  鍛鋁合金的編號及化學成分。
  2．日本工業標準(JIS)
  JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱，JIS對於鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類：
  （1）一般機械構造用碳鋼：
      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﹪的機械構造用碳鋼
  （2）其他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，鋼以S、鐵以F表示，其他非鐵類如表11- 。
  第二部分表示鋼製品的規格或用途，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、熱處理方式等附註於後，加工方法例如(Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處理方法大多記於金屬符號之後，並在二者之間加入"-"
  （例）SK2：第二種碳素工具鋼
        SKS11：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硬質材料
3．常用的美國材料編號及規格
（1）美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(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)數目字為記號來分類。其中
  第一位數，表示鋼料的種類，如：鎳鋼為2、鎢鋼為7。
  第二位數，為主要合金元素的百分值；0表示無其他合金元素。
  第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。
  （例）
        SAE1045：含碳量0.45的碳鋼，與CNS中S45C鋼料相當。
        SAE4140：含碳量0.40的鉻鉬鋼，與JIS中SCM4鋼料相當。
   
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)  11××  Cr(0.7﹪)  41××
錳  鋼  13××  Ni-Cr  43××
鎳鋼  2×××  Ni(1.75﹪)  46××
0.50﹪Ni  20××  鉻鋼  5×××
1.50﹪Ni  21××  Cr(1.0﹪)  51××
3.50﹪Ni  23××  Cr(1.5﹪)  52××
鎳鉻鋼  3×××  鉻釩鋼  6×××
1.25﹪Ni0.6﹪Cr  31××  鎢鋼  7×××
1.75﹪Ni1.0﹪Cr  32××  鎳鉻鉬  8×××
3.50﹪Ni1.5﹪Cr  33××  矽錳鋼  9×××
   
（2）美國材料協會及美國機械工程師協會 ASTM(ASME)
ASTM是非常廣泛被採用的材料規範，它的特色主要是針對產品的特性及表現而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示，再輔以年代之混合標示，ASME則採用了相當多的ASTM規範，並以前置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: ASTM A36-77a   其中A     36  -   77        a
               分別表示 (鋼鐵)(結構用)(1977年)(第一次修訂)
又如: ASTM E8  代表拉伸試驗規範
ASME的表示法：
例如: ASME SA213 = ASTM A213
而同一編號又可依化學成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(Class)來區分。Grade主要敘述其化學性質，Type指脫氧的情況，
Class:指一些其他性質。如：強度、表面光度等。
（3）美國統一編號系統 UNS
UNS是Unified Numbering System 的簡稱，在1974年為ASTM及SAE 聯合制定，UNS 本身只是一種編號，而非規格，它將金屬分為17個系列編號並與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱統一編號系統。
4．德國工業標準(DIN)
DIN並不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫，德國工業標準中鋼鐵材料的規格是在DIN 17006，補充說明在DIN 17007，1974年改為 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數字來敘述其特徵，字母規定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數字則規定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強度、主合金之成分倍數等。
（1）碳鋼
一般以碳元素標記及其含碳量表示，如 C60 表示含0.6％C的碳鋼。另外也有抗拉強度及其他表示法，例如:St50 表示抗拉強度50kg/mm2之構造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強度為40kg/mm2。
（2）高級鋼料及低合金鋼
以其主要合金元素和含量為標記，但在其中第三部分含量，為避免小數點出現，表示值都己經乘上固定倍數，而以整數型態呈現，所以由編號求取實際含量時必須再除以倍數。
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
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
在標記前加上"x"，此外由於合金元素含量己高，因此不乘以倍數而直接表示。(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
     X12CrNi18 8
同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10％的高合金鋼，含鉻量18
     ％ 含鎳量10。
   
如果要進一步標示其特性，可以在其記號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)為主標記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產品特性、保證性能類別、熱處理情況等。  
（4）鑄鐵、鑄鋼
以前置標記G代表一般鑄件，另外加上其它字母來表示種類，隨後之標示與鋼的編號相同，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  德國工業標準DIN 之鑄鐵分類
    GS   =   鑄鋼
    GG   =   一般灰鑄鐵
    GGL  =   片狀石墨鑄鐵
    GGG  =   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
   
材料的種類繁多，而且性質互異，因此無論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨後即將討論的非金屬材料自然都有不同的應用場合。一項產品在選用材料時，會因使用場合(例如：強度的要求、環境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由於結構的不同，也有其適當的用途，因此如何使材料的應用能適材適所，就是材料選用的最大準則。本章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素，並舉實例具體說明。  
(一)材料的規格要符合使用的需求
選擇材料最基本的考慮，就在滿足產品的特性及要求，例如﹕抗拉強度、切削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿足使用的需求，但是如果選擇具有正字標記或符合國家標準的材料，例如：我國的CNS 日本的JIS 美國的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國的DIN等，由於其化學成分及機械性質都經過試驗，有一定的保證，因此品質將更有保障。
(二)材料的價格要合理
價格是選擇材料的另一個重要因素。因為優秀的材料如果價格高昂，產品的成本勢必提高，競爭力就會降低。因此如果材料不是唯一的選擇，那麼價格合理的同級材料或以開發新產品替代都是不錯的解決方案。  
(三)材料的品質要一致
產品如果是單一的就不必考慮一致性的問題，但是如果是屬於大量生產的東西，材料的供應就必須穩定而且品質一定才行，否則因產品不良造成退貨或是賠償，無論是金錢及信譽的損失可能都將難以彌補，因此在選擇材料供應之初，材料品質的一致和來源的穩定性也是重要的考慮因素。
   
1-4-2 鋼鐵材料的選用
   
以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由於在機械上使用廣泛，因此必須針對其特性考量。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。
  碳鋼的價錢便宜，但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負荷則關係局部或全部淬火，負荷大的零件以全部淬火為宜，表面淬火則可承受耐疲勞及磨耗的場合。
  鍛造與鑄造在製造一直是競爭不止，傳統的鑄造品雖可以製造複雜或有內孔的零件，但被認為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強韌，但鑄造技術及材料的進步，己可以達到均質、強韌，加以鑄造有一次成型的優點，因此目前鑄件佔較有利的趨勢。
   
1-4-3 應用實例
   
(一)引擎材料的選用
機械產生動力來自於引擎，常見的引擎如：空壓機、汽機車、電機原動力廠等。引擎各部份零件承受不同的負荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進排氣閥加以說明。
1.  1.   汽缸體
汽缸由於形狀複雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由於要求良好強度大、耐磨、耐蝕、導熱性佳、膨脹係數低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇，唯一問題是比重稍大。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，這一點也要考慮。
2.  2.   曲柄軸  
雖然曲柄軸的形狀也很複雜，不過也並不是非用鑄造不可，曲柄軸的受力很大，因此鍛造鋼品是傳統上的選擇，不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發展，使得鑄造品在中小型汽車上也佔一席之地。
如果使用鍛鋼，必須考慮硬化能的問題，因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼SAE 1035及SAE 1050。
3.  3.   進排氣閥
進排氣門最重要的是耐高溫和耐腐蝕，尤其是排氣閥的工作溫度，往往700℃以上，而且必須 承受燃料燃燒後產生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此採用耐熱鋼是最初的考慮，其後陸續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
由於材料的改良和新材料的不斷發展，許多製品原來使用的材料，可以替代而性能更佳，價格更便宜。以日常應用來說，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其後因為腐蝕問題而改用不銹鋼，至今更因為鈦的輕量化、高強度比且耐蝕而再度取代。
近年來由於航太工業，輕量及高強度的要求，因此在機件上鈦的使用也很廣，而外裝上，複合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強化塑膠)則大量的應用。另外，為了極高速航具和太空梭的需要，工程陶瓷應用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。
摘   要
   
1．規格(Specification)是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據為了增進效率及提供產品零件的互換性，必須制定的規格，以作為生產者及使用者依循的規範。
2．在工業上，鋼鐵材料必依其化學成份，使用一定的編號以利於選用。目前，在我國較常用的規格有三種：中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。
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，鐵以F表示，鋼以S表示。
第二部分表示標準名稱或是製品用途或主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)。
第三部分為該材料之種類號碼，或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度，通常以三位數字表示，常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。
4．AISI和SAE以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中
  第一位數，表示鋼料的種類。
  第二位數，為主要合金元素的百分值；0表示無其他合金元素。
  第三、四位數(或第三、四、伍位數字)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)  11××  Cr(0.7﹪)  41××
錳  鋼  13××  Ni-Cr  43××
鎳鋼  2×××  Ni(1.75﹪)  46××
0.50﹪Ni  20××  鉻鋼  5×××
1.50﹪Ni  21××  Cr(1.0﹪)  51××
3.50﹪Ni  23××  Cr(1.5﹪)  52××
鎳鉻鋼  3×××  鉻釩鋼  6×××
1.25﹪Ni0.6﹪Cr  31××  鎢鋼  7×××
1.75﹪Ni1.0﹪Cr  32××  鎳鉻鉬  8×××
3.50﹪Ni1.5﹪Cr  33××  矽錳鋼  9×××
5．材料選擇的考慮因素主要有：(一)材料的規格要符合使用的需求(二)材料的價格要合理(三)材料的品質要一致
   
  
合金鋼及特殊鋼
學習目的
1.瞭解合金鋼與特殊鋼的意義。
2.認識合金鋼與特殊鋼的種類。
3.認識工具鋼的種類和用途。
4.認識耐蝕鋼的種類和用途。
5.瞭解其它特殊鋼的種類和用途。
1-1前言
   
碳鋼具有不錯的機械性質，能實施熱處理，而且在一般用途上都能勝任。不過在某些需求特別的場合，使用上碳鋼的性能仍嫌不足，例如：需要耐蝕的埸合、需要在高溫強度、需要更高的硬度以做為切削刀具，或是具有疲勞強度等。這些時候就必須有各種不同性質的合金鋼，例如：不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼、彈簧鋼等，來滿足實際上的需求。由於這些合金鋼材的性質和一般鋼材並不相同，因此在市面上，許多販售合金鋼材料的地方，也稱為特殊鋼材料行。
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。通常鋼的合金元素，除碳以外，若含錳量在1.65%以上、含矽量在0.60%以上，或含銅量在0.06%以上等，就可以認定是屬於合金鋼，其它元素刻意加入碳鋼中者亦同。碳鋼如果依不同用途再加入鎳、鉻、釩、鎢、.....等元素，以達到需要的效果，就成為合金鋼。例如：微量的鉻可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。
除用途外，合金鋼也可依加入元素種類來區分。由於任何鋼中均含鐵、碳兩種元素，因此，如再加入一種元素即稱為三元鋼，例如：鎳鋼、鉬鋼等。加入二種元素稱為四元鋼，例如：鎳鉬鋼，其餘依此類推。
如果以合金含量來區分，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，並沒有實質的意義。
合金鋼的種類很多，而其性質主要又由合金元素來決定，因此研究合金鋼最有效的方法，就必須由瞭解合金元素對於鋼性質的影響開始。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、矽Si、鈦Ti、硼B等。
   
1-1-1鋼中主要合金元素的功用
   
1．鉻 Cr
    鉻在鋼中的角色多元且重要，它會形成安定而硬的碳化物，而且具抗蝕性，其主要作用有：
  a．增進鋼的硬化能和滲碳作用。
  b．使鋼在高溫畤仍具高強度。
  c．能增加耐磨耗性。
  d．增高鋼之淬火溫度。
  f．能增進鋼的抗腐蝕性。
2．鎳Ni
    鎳在鋼中的影響有:
  a．增進鋼的硬化能。
  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W
    鎢能耐高溫，而且溶於鋼中會與碳形成碳化物稱為碳化鎢，能提高鋼的強度。此外，
  a．鎢可以提高鋼之淬火溫度。
  b．加強鋼之斷面組織細微化，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，故可配入鋼中而製造永久磁鋼。
4．釩V
    釩可以無限量固溶入鐵中，並阻止沃斯田鐵晶粒的成長，釩在鋼中有脫酸除氧之能力，故含釩之鋼其斷面結晶密實，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．有助於鋼之結晶組織細微化。
5．錳Mn
    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度及硬度。
  b．錳有脫氧及脫疏功效，故錳能發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Co
    鈷為製造合金鋼之重要元素，在鋼中可以生成碳化物，但也可能有不良影響，它具有以下特性：
  a．鈷可代替鎳，如增加強度及耐熱等性能。
  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，故為製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，其他特性：
  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。低碳鋼內含銅1%，其抵抗大
     氣腐蝕性約較不含銅者高出四倍。在不銹鋼中加銅 3-4%，亦有助不銹鋼之防蝕作用。
  b．可以增加鋼的強度，但不宜超過0.2%。
10．鋁Al
  a．極易與氧結合形成氧化鋁，是一種強脫氧劑。
  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，硫與鐵化合成為FeS，與錳化合成MnS，其結果：
  a．會增加鋼的熱脆性
  b．硫含量0.2%以上，就會嚴重影響鋼的強度和韌性
  c．硫可使鋼強度降低，因此有利於鋼的切削，但除了易切鋼之外，極少利用。
12．矽Si
   矽在鋼中其作用如下 :
  a．矽能增加鋼之電磁傳導率，故適於製造電氣材料。
  b．矽會加速鋼之結晶生長變粗，因此含量約在0.05~0.30%。
  c．矽能增高淬火溫度。
  d．會阻礙碳元素溶於鋼中。
  e．對於炭量較高之鋼，矽多則增加脆性，
  f．增加耐熱鋼的氧化性，可用為脫酸性。
    綜合各種合金元素對於碳鋼的影響，而選擇添加合金元素時必須考慮元素特性及應用場合的需要，適材適所才是最重要的，如果不暸解特性貿然選擇，不但可能增加成本，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，就用途來區分，合金鋼大致可以分為一般構造用合金鋼和特殊鋼。構造用合金鋼是使用於普通機械的構成元件或土木建築等構造，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，大多是屬於高合金量，如表1所示。
(一)構造用合金鋼：
  (a)非熱處理型：大致是低合金量，包括高強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，經熱處理後可以大幅提高強度，通常用於不需銲接場合的
強韌機件，稱為熱處理用中合金鋼(或強韌鋼) 。
  (c)表面硬化鋼
(二)特殊鋼：
  (a)合金工具鋼：
  (b)耐蝕鋼：
  (c)其他用途特殊鋼：包括耐熱鋼、軸承鋼、彈簧鋼、電氣用鋼、磁
石鋼、超高強度鋼等。
表1  合金鋼的用途
   
分  類  鋼  種  主要合金  用   途
構造用合金鋼  高強度低合金鋼  低Mn、低Si-Mn  汽車車身、構造用機件、船體
  熱處理用中合金鋼(強韌鋼)  Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo  曲柄軸、螺栓、齒輪、大型軸
  表面硬化鋼  滲 碳 鋼  Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo  齒輪、汽車工業變速箱、差速器
    氮 化 鋼  Al-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、  汽缸套、車床主軸、銑床零件
特 殊 鋼  工具鋼  切削用鋼  W、Cr-W、Cr-Mn  牙攻、車刀、銑刀
    耐衝擊用鋼  Cr-W、Cr-W-V  衝頭、鉚釘具
    耐磨用鋼  高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V  號規、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
  耐蝕鋼  不 銹 鋼  Cr、Cr-Ni  餐具、外科刀具
    耐 酸 鋼  Ni、Cr-Ni、高Si  化學工業
  耐熱鋼  Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al  進氣閥、排氣閥、輪機葉片
  彈簧鋼  Si-Mn、Si-Cr、Cr-V  車輛、鐘錶及各式彈簧
  軸承鋼  高C高Cr、高C-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(矽鋼)  變壓器鐵心
  磁石鋼  Cr、W、Cr-W-Co  永久磁鐵
  超高強度鋼  高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co  鋼樑、飛機骨架
   
1-2構造用合金鋼
   
構造用合金鋼是指使用在構成機械的零件或建築土木等各項工程結構上的鋼料，例如：大型機械軸、壓力容器、高層建築、橋樑鋼架或高強度螺栓、齒輪等。這些場合所需要的材料特性為：較高的抗拉強度、伸長率、衝擊值、疲勞限度等，同時也需要具備良好的鑄造、鍛製、切削或焊接的能力，以符合應用上的需要。
實用上，構造用合金鋼由於使用的場合不同，一般區分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬於低含碳量和低合金量，構成之後也無法再實施熱處理，大多用於車架或車箱、火車及船體，它包括高強度低合金鋼、易切鋼等。後者多屬於熱處理用中合金鋼，大多用於機械元件例如：曲柄軸、高強度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增進鋼的硬化能及降低質量效果，而經由熱處理則可以得到更強韌的機械性質，這類鋼料包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。
   
1-2-1高強度合金鋼(HSLA Steel)
   
高強度低合金鋼主要是替代在構造上使用的低碳鋼，由於工程結構上使用的鋼料大多需要銲接，如果使用高碳鋼，容易使銲道在銲接冷卻時產生淬火脆化的麻田散鐵組織，因此為避免材料因熱影響而轉劣，必須使用較低含碳量但強度較高的材料，高強度低合金鋼就是一此要求而發展出來。
這種鋼料是將少量特殊元素固溶在鋼中，尤其是在低碳鋼中佔絕大部分的肥粒鐵基地，使之強化而改變鋼的機械性質，增進其機械強度。由於大型結構物銲接完成之後都難以熱處理，所以在正常化或是軋延狀態就要有高強度，也就是以固溶的方式在製造材料時就已完成強化。
高強度低合金鋼的種類很多，一般抗拉強度必須在50kg/mm2以上，高強度低合金鋼的分類通常是以機械性質如：抗拉強度、降伏強度、延伸率等區分，而不是以成份來區分。添加的元素為以Mn、Si、Nb、V、N影響較大，Co、Cr的影響較小。高強度低合金鋼由於強度高出普通碳鋼甚多，因此對於同樣的負荷而言，可以使用較小的斷面，因而整體重量也可以減輕。
    使HSLA鋼之強度增強的方法，除了加入少量的合金元素，在軋鋼廠中經由特殊的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也有效果。製程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低對應變速度、微化晶粒等來改進加工成形性。
加工成形性的需求，主要是為了適應諸如：汽車、船舶等結構成形的需要。早期HSLA鋼在耐蝕性表現甚佳，但是為了改善加工成形性，因而必須犧牲一些防蝕能力，以換取較佳的成形性，又由於HSLA 鋼所做成的機件比由普通碳鋼所做成的機件更薄，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Cu 等能改進大氣耐蝕性的元素進行，但由於會增加成本，因此後來的作法，是在HSLA鋼之表面鍍鋅或其他防銹的表面處理，以增加其耐蝕性。
HSLA鋼在汽車工業的應用上，它不但可以取代傳統的普通低碳鋼，也更可以使用較薄的斷面而不致於降低強度、耐蝕性及抗拉強度，目前小汽車所使用的高張力鋼板就屬於HSLA鋼，其厚度約在0.6mm或更厚。其他如：貨車、營建機械和其他重噸位車輛皆可使用HSLA鋼的薄板或厚板來做車架或車體構件。用於這些用途的HSLA之鋼板原大致為1.5mm或更厚。構造用HSLA鋼，且可用於沿海之鑽油機、電力輸送機、火車及船體。
   
1-2-2易切鋼(Free-machining steel)
   
易切鋼是為了改善切削性和切削加工表面而發展的一種鋼料，主要使用於在強度較低的小型零件。由於經濟及迅速切削的需求，加上自動切削機械的發展，因此在不特別要求強度的小型零件，就可以採用此種鋼來製造。
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力或調整顯微組織的性質等，而易切鋼主要就是在鋼中添加磷、硫、鉛等合金元素的方法。加硫0.1~0.25%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。
由於加硫可以與鋼中的錳形成MnS，使得切屑變小且沒有黏滯性，因此可以改良切削性，添加磷可以使鋼質變脆，可以增加切削加工面的光滑度，加鉛也可以使切屑變小，並有潤滑作用，但由於硫及磷對機械性質有害，因此這種鋼料多用在不重視強度的螺絲及螺帽等。
此外，如鈣Ca、碲Te、硒Se、鉍Bi也都有改善切削性的功能，Ca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，在切削時熔著於切刃邊，能產生減少磨擦的作用，而且具有保護刀具，增加刀具壽命的功能。
   
1-2-3熱處理用合金鋼
   
上一節曾經提到，在肥粒鐵基地中加入合金元素，可以改良在正常化狀態使用的鋼之性質，但是如果要更充分的發揮這一類合金鋼的機械性質，以得到更高的硬度、強度和韌性，就應該實施淬火及回火處理，只是由於大型結構物可銲性的要求和不易實施熱處理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶於肥粒鐵，而達到強化的目的(這樣的方式稱為固溶強化)。
熱處理用合金鋼大多是應用於機械構成的零件，例如：曲柄軸、齒輪、強力螺栓、鍵、銷等，這些元件注重強度，而且接合的方式也大多不使用銲接，因此假如能利用熱處理，使這一類合金鋼形成回火麻田散鐵的組織而加以應用，就可以得到兼具強、韌的效果。熱處理用合金鋼就是在碳鋼中加入合金元素，並且經由熱處理而可以得到強韌性質的鋼料，因此也稱為強韌鋼。
碳鋼如果用於構造上有兩個主要的缺點：一是硬化能較差、質量效果大，另一是回火時機械強度降低甚大。
前面提過，硬化能是指淬火後，距離淬火端硬度降低的程度。質量效果是指當尺寸較大的零件，在淬火時其中心部份得到硬化效果的難易程度。質量效果大的材料，淬火時中心的硬度降低甚快，這樣的現象在碳鋼比較顯著。而如果碳鋼中加入了特殊元素，恆溫變態曲線(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的硬度。因此加入適當的合金元素就可以使鋼料容易得到淬火的效果，增高硬化能而減少質量效果。
其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，發揮淬火的效果，在回火處理時也可以減少硬度、強度受到的影響，即使回火到較高的溫度，也可以得到強度及韌性高的組織。
現在我們已經暸解，在構造用合金鋼中加入合金元素的目的，主要是增進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，由於Ni的價格較高，因此如果只為減小質量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而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(multiplying factor)看出，硬化能倍數大的元素，增加鋼的硬化能也愈大。許多合金元素如P、Si對於鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以並不適合。
在鋼中添加Si也可以減緩回火軟化的現象，但是與Cr或Mo比較就可以發現，添加Cr或Mo除了使回火軟化減緩之外，在較高溫回火的情況下，還會產生二次硬化的現象，而使硬度能夠再度上升。這種二次硬化的現象，在鎢W、釩V等元素也有類似的現象，W、V是合金工具鋼的重要元素，二次硬化的現象對於工具鋼會產生特殊的切削效果，這一部份將在下一節詳細說明。
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，常用的熱處理用合金鋼有：鎳鋼、鉻鋼、鉬鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。要特別注意的是，即使在這裡合金元素的種類與隨後要說明的某些特殊鋼(例如：不銹鋼)類似，但含量較少，所以效果也不一樣。
1．Ni鋼
鋼中添加鎳可以增加鋼的強度，但是在淬火硬度上並沒有很大的改善，同時在回火軟化的抵抗性質上也並沒有明顯增加，加上鎳的價格較高，因此單純加鎳的鎳鋼最近已不常用，Ni鋼在鋼料編號上是屬於SAE 2XXX系，JIS對鎳鋼則不作規定。
Ni鋼中鎳的添加量約為3~5%，主要優點是可以增加鋼的低溫強度降低鋼的轉脆溫度(Transition temp.)，同時也可以作為滲碳用鋼。
2．Cr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℃淬火於油中，再回火於550℃~650℃附近，由於這種鋼料在回火時容易產生材質變脆的現象(稱為回火脆性)，所以在回火之後必須冷卻於水中或油中以避免產生回火脆性，這類鋼的直徑如果大於60mm，就不容易得到充分的淬火效果。鉻鋼在鋼的編號上屬於SAE 5XXX系，JIS編號為SCrxx。
鉻鋼經熱處理淬火、回火後，硬度高、耐磨而且耐衝擊，主要的用途有：挖土機重機械的鋼齒、機斗、碎石機械等。
3．Mo鋼
Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距離很大。Mo對於回火時軟化的抵抗性也很好，因此可以經過高溫回火，而得到極佳的強度和韌性。
鉬鋼含Mo量約0.2%~0.3%，另外含有少量Mn等元素，銲接性好，在鋼料編號上屬於SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機械零件、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，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一種方法，因為Ni能有效的增加肥粒鐵的強度和韌性。
Ni-Cr鋼的鎳含量約1%~3. 5%，鉻含量約0.5%~1.0%。另外，由於鉻及鎳加入鋼中，還有防腐蝕的效果，當鉻、鎳含量更高時，最主要的效果就變成以防蝕為主，而不是硬化能。在耐蝕鋼中，含鉻18%、鎳8%的高合金鋼，我們稱為18-8鋼，就是一種常用的不銹鋼。
Ni-Cr鋼在鋼料編號上屬於SAE3XXX及SAE43XX系，JIS編號為SNCXX，在構造用合金鋼中，Ni-Cr鋼是其中較為常用的，通常用於製造曲柄軸、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於SAE41XX系，JIS編號為SCMXX。
Cr-Mo鋼使用的場合，例如：汽車曲軸、鍛造或機製的軸、軸環和葉輪等。
6．Ni-Cr-Mo鋼
Ni-Cr-Mo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的優點，其中添加元素分別為0.4%~3.5%Ni、0.4%~3.5%Cr、0.15%~0.70%Mo。Ni-Cr-Mo鋼具有極佳的硬化能，淬火有效直徑可以達200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo鋼對於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，因此能回火至相當的高溫，而得到優良的強韌性，所以Ni-Cr-Mo鋼可以說是構造用合金鋼中最優秀的。
Ni-Cr-Mo鋼質量效果小，從淬火溫度以空氣冷卻也可以淬硬，
因此又稱為 自硬性鋼 (self hardening steel)或 風硬性鋼 (air hardening steel)，一般由850℃~950℃冷卻於空氣中或淬火於油中，再回火於550℃~650℃，如果含Mo量高，回火後不須急冷。Ni-Cr-Mo鋼也適於大型零件，其鋼料編號為SAE 8XXX，JIS編號為SNCMXX，用於大型軸、曲柄軸、高強度螺栓，以致於中小型軸或內燃機連桿等。
   
表2 碳鋼與典型鎳鉻鉬鋼機械性質的比較
鋼種  主 要 成 分 (%)  熱處理  抗拉強度kg/mm2  衝擊值kg-m /mm2  Brinell硬度
  C  Ni  Cr  Mo  Mn        
碳鋼  0.40~0.50  --  --  --  0.40~0.85  淬火回火  >70  >8  201~ 269
S30NiCrMo2鋼  0.25~0.35  2.50~3.57  2.50~3.50  0.50~0.70  0.35~0.60  淬火回火  >110  >8  302~ 352
   
1-3合金工具鋼
   
能夠使用於製造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用非鐵硬質合金等。除硬質合金之外，其它都是屬於鋼料，而在一般工具用鋼中，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，以其合金成份和構造用合金鋼相較，則除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni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。
工具鋼是屬於高級鋼料，因此必須是由全靜鋼錠製造，同時要特別要求合金元素在熔鍊過程中的均質化，以使後續鍛造及熱加工能得到良好的品質。由於工具鋼多需利用熱處理以達到材料的最佳性質，因此尺寸要求精密的機件，必須先實施半加工成形(semifinished)，經熱處理，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以提高其硬化能力。高碳工具鋼價格便宜，其機械性質主要是以含碳量多少來決定，由於一般淬火於水中，因此屬於水硬性鋼，其缺點則是硬化深度較淺，在高溫時強度較差。
由於僅經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，淬火至室溫之後，再加以150℃~200℃的低溫回火，其結果可以得到球狀雪明碳鐵散佈於低
溫回火麻田散鐵，硬度夠而且耐磨耗的組織。
高碳工具鋼使用於刀具、工具或衝模，但因合金工具鋼的發展，使用場合已較少。
   
1-3-2合金工具鋼
   
高碳工具鋼由於硬化能較差，因此必須以水淬急冷的方式得到較高的硬度，但因水淬容易變形和產生裂痕，因此高碳工具鋼就有其使用上的限制，為了改善其硬化能並增進其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、Ni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，並增加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．耐衝擊用合金工具鋼
此類合金鋼為增加衝擊韌性，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
此類工具鋼由於用於常溫(又稱為冷間，cold work)，且要求減少尺寸及形狀的變化，因此在高碳鋼中添加Mn、Cr、Mo、W、V等元素，以改善淬火性，並藉生成之硬質碳化物以增加其耐磨性。
4．熱間模具用合金工具鋼
此類工具鋼由於多使用於熱加工(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。
   
1-3-3高速鋼
   
高速鋼(high speed steel)是用於切削工具，在高速切削之紅熱狀態時仍能保持其硬度而稱之。除此之外，高速鋼機械性質優良，因此也用於模具等耐磨耗機件，如果用於切削刀具，其切削速率可達高碳工具鋼的三倍。
高速鋼除C外含有大量的合金元素，例如：W、Mo、Cr、V、Co等，其主要功能整理如下：
(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的性質與W相似，因此可以替代。
(4)Cr可以改善硬化能，並防止W的碳化物被分解。
(5)V可以使晶粒微細化，增加強度。
(6)Co可以增加C的溶解度，並增加高溫硬度。
高速鋼通常以主要元素W及Mo區分，含W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於沃斯田鐵，淬火之後可以得到洛氏硬度約Rc64以上。  
淬火後的高速鋼約在400~550℃間實施回火，在回火的過程中，由於合金成份會產生碳化物析出的現象，會使得硬度再次提昇，此種特殊的現象稱為二次硬化，有時為使鋼中殘留的沃斯田鐵變態完成麻田散鐵以增加其硬度，還會實施二次回火或三次回火等。
1-3-4硬質合金或超硬合金
   
    硬質或超硬合金屬於非鐵合金工具材料，通常不含鐵成分或是鐵僅佔很少比例，有別於一般工具用鋼料。這類材料有極高硬度及高溫強度，可以切削各種鋼料甚至玻璃、陶瓷等。
硬質合金是通常是以鑄造或是粉末冶金的方式製造，它具高硬度的原因，是由於大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物來製成。硬質合金又分為：
(1)工具用鑄造合金
這類硬質合金是以鑄造方式成形，不經過熱處理，就具有常溫及高溫的極高硬度，並且耐磨耗，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)就是其中的代表，它含Co 40％~55﹪、Cr 15﹪~33﹪、W 10﹪~18﹪、C 2﹪~4﹪、Fe 5％以下、Mn 1％，其組織與白鑄鐵相似，為碳化物分佈緻密的型態，因此硬度很高，但是此種合金質脆，無法鍛造。主要用於鑿岩用鑽頭、切削刀具、熱加工用模具等。
(2)燒結硬質合金
碳化鎢WC或碳化鈦TiC等的粉狀碳化物，加入黏結用金屬鈷Co(或Ni、Mo)，加壓並燒結，就可以得到紅熱硬度很高的合金材料，如果製成切削刀具，可以較一般工具鋼的切削速度更高，並具有更長的刀具壽命，燒結後的碳化鎢塊可以銅銲接著於鋼製刀柄，用以切削鋼鐵、鑄件、非鐵金屬或非金屬等材料。常用的燒結硬質合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以應用於拉線模具或其他耐磨耗場合。
1-4耐蝕鋼
   
耐蝕性是指材料對於空氣、水、酸、鹽或其他化學環境下所產生破壞的抵抗程度。鋼鐵材料應用極廣，但是耐蝕性不佳是其缺點，尤其台灣氣候溫濕，因此耐蝕性特別重要，除了使用各種覆面或塗裝技術，最基本的方式還是必須改善鋼的性質。
在鋼中添加Cr和Ni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。
在大氣及海水環境中，鋼之耐蝕性隨Cr量的增加而增加，含Cr量在12%以上，就幾乎不會發生腐蝕的現象。不銹鋼能耐蝕的原因，是因為Cr能在鋼的表層形成一種緻密的氧化鉻膜，可以阻隔鋼料內部的氧化作用，因而可以防止一般大氣環境下的腐蝕。但是鉻鋼在強酸例如：硫酸、鹽酸的環境，這層氧化膜就會被破壞而喪失了耐蝕性。
鋼中含Ni時在酸性環境中的耐蝕性，在含有硫酸及鹽酸的環境中，可以發現，鋼之耐蝕性隨Ni量的增加而增大，由此可知，一般環境下使用，不銹鋼只需添加Cr，就可以防止發生腐蝕的現象，然而在特定環境下(例如：硫酸、鹽酸中)使用，就必須再添加Ni，才能達到防蝕的目的。
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分為：Cr系不銹鋼、Cr-Ni系不銹鋼。如果以晶體結構組織上來區分則可以分為：肥粒體系、麻田散體系、沃斯田體系、析出硬化系等。前者分類較為簡單，但是就應用上來說，後者更有意義，因此目前材料學上對於不銹鋼的的分類，大多以後者為主。
簡單來說，添加合金元素會改變材料的平衡相圖，並進而影響其機械性質，加上熱處理的實施又決定於相圖的變化，因此形成了各類不銹鋼不同的特性。例如：添加Cr、V、Ti量的增加會使沃斯田鐵相區減小甚至消失，因此變成相圖除液態外均以肥粒鐵相為主；如果添加Ni、Mn、Co等，則會擴大沃斯田鐵相區，結果即使在室溫下，穩定相仍可能為沃斯田鐵相，這兩種情況，都幾乎沒有淬火效果，通常不實施熱處理。此外，如果加上碳的影響因素，則可能產生以熱處理增加強化效果的麻田散體系及析出硬化系不銹鋼。
   
1-4-1 肥粒體系不銹鋼
   
由於鐵中添加Cr會使沃斯田相區縮小，並且當Cr含量超過13%時，各種溫度下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結合，所以如果純為肥粒鐵結構，實際含鉻量必須增加。大體而言，當含Cr在16%以上且C含量在0.12%以下時，此類低碳高鉻不銹鋼，又稱為肥粒體系不銹鋼。
肥粒鐵系不銹鋼的含碳量極低，約在0.12%以下，含Cr約16%～18％，耐蝕性優良而且質軟易於加工，但機械性質較弱，可以作為汽車內裝、廚房設備、建築等，是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬於400系列，以430不銹鋼為代表，其他如：405不銹鋼、446不銹鋼等都是，在JIS編號為SUS 430、SUS 405等。
   
1-4-2 麻田散體系不銹鋼
   
上述低碳高鉻的不銹鋼，當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就會存在，此時將此類高碳高鉻鋼加熱到沃斯田鐵區(γ區)，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，但是具有優秀的機械性質，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℃，在合金含量較多的情況下，甚至以氣冷就可以達到淬火的目的，淬火之後再行回火，回火的實施通常採用100~180℃的低溫回火。
麻田散體系不銹鋼價格便宜，硬度、強度佳，但耐蝕性略差，可以作為刀具、軸承、閥門零件、外科手術刀等，是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼也屬於400系列，以403、410不銹鋼為代表，其他如：431不銹鋼、440A不銹鋼、440B不銹鋼、440C不銹鋼等都是，在JIS編號為SUS 431、SUS 440C等。
   
1-4-3 沃斯田體系不銹鋼
   
前兩類的不銹鋼雖各有其優點及應用範圍，但是都是屬於鉻系不銹鋼，鉻系不銹鋼的缺點就是在酸性環境下(尤其是硫酸、鹽酸等)，耐蝕性不良，因此必須添加Ni，以抵抗酸性環境的侵蝕。當添加Ni量約8%以上時，常溫下也是沃斯田鐵組織，這樣的不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、質軟加工性良好，但無法以淬火及回火來增加硬度及強度，通常施以冷加工來增加硬度及強度。含Cr 18~20%、Ni 8~10%而含C量少於0.2%的Cr-Ni系不銹鋼是沃斯田體系不銹鋼中最具代表性的鋼料，通常稱為18-8鋼。
18-8不銹鋼的缺點是在500~900℃高溫時，晶界附近的鉻會與碳形成碳化鉻析出，使得晶界附近產生缺鉻的現象(稱為貧鉻區)，因此易發生粒間腐蝕(intergranular corrosion)的現象，這樣的現象在銲接工作或熱處理等場合時常發生，因此必須注意。
有效改良的方法是：
(1)處理時儘快通過此溫度。
(2)添加其他合金元素以抑制Cr的消耗。例如：Ti、Nb、Ta等，均可以和碳結合成安定的碳化物，而不會再影響鉻。
(3)降低含碳量。含碳量小於0.03%時，碳就只固溶於沃斯田鐵而不會與鉻形成碳化物，例如銲接時，使用低含碳量的304L不銹鋼焊條，就可以避免粒間腐蝕的現象發生。
沃斯田鐵系不銹鋼的用途很廣，不但對各種環境的耐蝕性優良，而且具有極高的低溫韌性，可以作為化工儀器零件、熱交換器、核子處理設備、液態氦的容器等，有時也應用於較優良的不銹鋼餐具，是一類不具磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬於300系及200系，以304不銹鋼為代表，其他如：301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SUS 301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18-8鋼相似，只是Cr及Ni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化材料的方法，它的方法通常是，添加有助於生成析出物的元素，經過淬火熱處理後，得到麻田散鐵組織，然後再利用一種稱為時效(aging)處理的方式，使硬的金屬間化合物析出於材料基地，以得到極高的機械性質。
一般析出硬化系不銹鋼在固溶後淬火於常溫時，仍是全為沃斯田鐵組織，因此柔軟易於加工，在加工完成後，必須再實施一次中間熱處理(intermediate heat treatment)，此時Ms點約在0℃~15℃之間，藉深冷處理(subzero treatment)以得到麻田散鐵，回火後經兩次時效處理，就可以得到高強度。因此添加Al、Nb等元素的目的，即是在於促使生成析出物。綜合此類不銹鋼的強化的方式，可以知道其為固溶強化、加工強化、麻田散強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的機械性質，一般用於飛機零件、高級彈簧、模具等。此類不銹鋼屬於600系列，以631不銹鋼為代表，630不銹鋼也屬之，在SAE 編號中還有633不銹鋼(AM 350)、634不銹鋼(AM 362)等。此系列不銹鋼如果再添加Co元素，則可以提高Ms溫度至常溫以上並提高析出量。
   
1-5其他特殊鋼
   
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的氣體腐蝕環境，所以AISI將之歸類於不銹鋼，例如：AISI 309不銹鋼、310不銹鋼、409不銹鋼等，JIS規格屬於SUH系列，而在CNS規格則屬於HR系列。
高溫的環境下，除了防蝕的考慮外，最重要的就是要具有優良的潛變強度，因此除了Cr和Ni之外，必須添加Mo、W、Al、Ti、Si、Mn、Nb等以增加其耐熱性，但是Al-Fe合金機械性質不佳。
耐熱鋼一般依其主要成份分為兩類：
(1)Cr系耐熱鋼
增進鐵的氧化抵抗性最有效的成份是鉻，鐵中添加鉻除了可以產生緻密的皮膜以增加耐蝕性，同時也可以增進耐熱性質。鉻鐵合金的典型的高溫氧化行為，如圖1所示在高溫長時間的環境中僅有氧化。
  
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Cr之外，還添加Mo來增加高溫強度，在一般溫度下其耐氧化性良好。但是500℃以上時，強度就會急遽下降，因此大多使用於高溫下但不須考慮潛變強度的場合，例如：石化工業、內燃機閥門、熱處理爐零件等。
    Cr系耐熱鋼因於其組織為肥粒鐵，所以又稱為肥粒鐵系耐熱鋼，Cr含量大於10%以上時可以增加耐熱鋼的潛變強度，JIS材料的編號中SUH 409、SUH 446均屬之。如果Cr含量大於10%以上時則以抗氧化性為主。
  (2)Cr-Ni系耐熱鋼
Cr系耐熱鋼對於一般高溫環境的耐氧化性良好，但在高溫的機械性質方面則不理想，所以在需要高溫強度或潛變強度的場合，就需要採用Cr-Ni系的耐熱鋼。
Cr-Ni系耐熱鋼基本上是將18-8鋼，增加Cr、Ni的含量，並添加Ti、Mo、W等元素以改良其高溫機械性質者。這種鋼料具有沃斯田鐵組織，因此也稱為沃斯田鐵系耐熱鋼。主要合金元素的含量為：14~26%Cr、12~37%Ni、0.1~0.4%C、0~3%W等。此類耐熱鋼高溫強度大、加工性、銲接性良好，在JIS材料的編號為SUH 309~SUH 330，主要用於熱處理爐零件、高級排氣閥、引擎燃燒室、熱交換器等，另外還有SUH 660、SUH 661為時效處理系耐熱鋼，應用於輪機的靜翼和燃燒器。
   
1-5-2 軸承鋼
   
軸承為支承軸於一定位置的機件，因此必須有足夠的強度、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，此外由於軸承鋼屬於高級合金鋼，所以磷、硫含量必須在0.025%以下，以確保其機械性質。
軸承鋼除了材料純度要求較高之外，需要經過熱處理使其中碳化物細化並分佈於基地內，以增加其耐磨性。一般加熱至780~850℃，然後淬火於油中，在回火於140~160℃，熱處理後其硬度值約HRc 62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
   
彈簧廣泛應用於車輛、加工機械、模具、鐘錶等，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、或鐘錶的動力彈簧(發條)等。
製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衝擊、疲勞限高而且不產生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、矽錳鋼、矽錳鉻鋼三類，有些特殊場合也用到耐蝕鋼。
    彈簧的製造必須先韌化、成形，然後在實施熱處理之後使用，大型的彈簧，例如：板片彈簧等，係將熱軋的板或棒，在高溫加工成形，由780~850℃淬火於油中或水中，再經400~500℃回火後使用。小型彈簧，例如：螺旋彈簧等，必須將韌化處理後冷抽的鋼線(通常稱為琴鋼線，piano wire)，冷加工成形，再加熱於300~350℃藍化處理(blueing)後，以提高疲勞限然後使用。彈簧鋼在JIS材料中的編號屬於SUP。
1-5-4 電氣用鋼
   
電氣用鋼屬於軟磁(soft magnetic)材料，主要是用於製造電機機械例如：變壓器、電動機(馬達)等的鐵心材料。良好的鐵心材料必須利於導通磁力線以提高效率，所以磁阻要低、導磁性要好，並且要容易磁化及退磁，殘留磁力小以減少磁滯損失(hysteresis loss)，因此材料微結構必須晶粒粗、純度高並避免產生缺陷，而且要除去內應力，以使磁區容易移動。
常用的鐵心材料有純鐵、矽鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等，其中以純鐵及矽鋼較為常用。純鐵的導磁性好，但是因為比電阻小，渦流損失(eddy current loss)大，因此添加矽，唯矽含量過高時材質便脆化，因此一般在5.5%以下，此外矽鋼片製成片狀相疊也可以降低渦流損失。
   
1-5-5 磁石鋼
   
磁石鋼是製造磁石的一種材料，主要是用於製造永久磁鐵，永久磁鐵使用於無線電擴音機、電動機、發電機永久磁極等，屬於硬磁(hard magnetic)材料。硬磁材料與軟磁材料相反，必須是要能保持磁力，即所謂剩磁(residual magnetim)較大者。因此材料微結構必須晶粒細、內應力大，並且最好有第二相的粒子，來阻礙磁區的移動。
磁石鋼常用的材料有兩種類型：
(1)淬火硬化型磁石鋼
將鋼料由高溫淬火，使其組織微細化，並因淬火所產生的內應力，使得材料不易失去磁性，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)、KS鋼(0.7~1.0%C、30~40%Co)等。
(2)析出硬化型磁石鋼
將鋼料由高溫急冷得到高飽和固溶體，然後在適當溫度回火，使其析出第二相物質，由於格子畸變，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、其餘為鐵)等。
   
1-5-6超高強度鋼
   
發展高強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，高強度鋼料相較於普通碳鋼可以用較小的斷面，因此在許多需要高強度而輕量的結構中，更高強度的的鋼料一直是材料界追求的目標。超高強度鋼(The Ultrahigh-strength Steel)是指降伏強度超過180,000psi(或是130kg/mm2)的鋼種，其發展主要是為了航空及太空科技高強度合金的要求，並且也需要易於加工及成形。
超高強度鋼大致分為以下幾類：
(1)將中含碳量的強韌鋼或低合金鋼加入更多的Si及V，以避免低溫回火脆性並增加韌性，可以得到超高強度鋼，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。例如：AISI 4141M、4130M、433V、D6AC等鋼種。
(2)改良工具鋼(Modified Tool Steel)，係將原來高溫加工用的5Cr-Mo-V模具鋼改良而成，可以作為飛機骨架、鋼架、橋樑等，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。例如：AISI H-11、H-13等鋼種。
(3)麻時效鋼(Maraging Steel)，含Ni 20﹪是低碳高鎳含量的合金鋼，易於成形、加工、銲接，但必須在退火狀態才容易加工或成形。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度增為最大，由於時效溫度不高，因此對於精密機件不會造成扭曲或尺寸改變，而且低溫韌性很好，所以可以使用在鍛造、加工的精密機件或需要銲接的地方，麻時效鋼的抗拉強度可達150~210 kg/mm2，其鋼種如：18Ni鋼、20Ni、25Ni等均是。
(4)Cr-Ni-Mo或Fe-Cr-Mo-Cu等，是屬於低碳、可硬化、易加工和銲接的合金鋼，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合金並適合用於承受大荷重的機件，例如：磨擦盤、大型軸、齒輪、滑槽等。，其抗拉強度在150 kg/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Ni來提高韌性的鋼料，另外添加Co以提高Ms點並減少殘留沃斯田鐵，這種鋼韌性優良，並可以變韌鐵組織狀態使用，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。AISI的材料編號例如：HP-9-4-20、HP-9-4-30、HP-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。碳鋼除了碳以外，若是含超過微量的其它元素，例如：含錳量在1.65％以上、含矽量在0.60％以上或含銅量在0.06％以上等等，就屬於合金鋼，
2.  2.       合金鋼依其用途來區分，可分為構造用合金鋼和特殊鋼，構造用合金鋼是使用在一般機械的構成元件或建築土木構造上，特殊鋼是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合。
3.  3.       一般構造用合金鋼由於使用的場合不同，可以分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬於低含碳量和低合金量，構成之後也無法再實施熱處理，包括高強度低合金鋼、易切鋼等，後者多屬於熱處理用中合金鋼，包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、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、工具用硬質合金等。除硬質合金之外，工具用鋼料之中以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜，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，以其合金成份和構造用合金鋼相較，則除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni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Ni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，實用上是以不銹鋼為主。
7.  7.       彈簧用的鋼料必須具備耐衝擊、疲勞限高而且不產生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、矽錳鋼、矽錳鉻鋼三類。    彈簧的製造必須先韌化、成形，然後在實施熱處理之後使用。
   
金屬的腐蝕
學習目的  
1.瞭解腐蝕的意義。
2.瞭解金屬材料腐蝕的原理。
3.瞭解影響金屬腐蝕的因素。
4.瞭解鋼鐵材料腐蝕的形式。
5.認識防治腐蝕的方法。
   
1-1 前言
   
    材料會因為時間、環境等種種因素，而產生不堪使用或稱為失敗(failure)的狀況，這樣的結果不但增加成本，而且耗費時間。一種材料所以無法再使用，除了肇因於強度無法承受負荷所產生的破壞(fracture)，還有磨耗(wear)、腐蝕(corrosion)、輻射損傷(radiation damage)等其它因素，而這其中又以腐蝕的傷害最大，影響也最嚴重，因此認識並防治腐蝕，是學習材料必備的課題。
生銹(rusting)就是一種人人熟知的腐蝕現象，它是專指鐵或鐵合金的腐蝕現象，其他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反應(Chemical Reaction)，而更多時候則是一種電化學反應(Electrochemical Reaction)。
所謂電化學反應，簡單的說是金屬間形成陽極和陰極的電池效應。簡單的說，電化學腐蝕與電鍍的原理相似，都是由於材料本身足以產生電化學反應所導致，它們的差異，只在於結果的不同。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鍊，再度變為化合物而回歸穩定也是自然的趨勢，因此材料在某種適當的環境下，不論經由化學或是電化學的反應方式而發生腐蝕，也是自然的現象，而防治腐蝕的積極意義則是在提供材料更長的使用壽命。
在日常生活中，就有許多足以產生電化學反應的環境，例如：不同金屬本來就具有不同的電位，如果環境中存在某些溶液，可能就會提供構成迴路的條件，而發生電化學腐蝕。此外例如：高溫、酸鹼等環境因素，也會加速電化學反應的進行，因而增加腐蝕破壞的程度。
在機械結構使用上，材料的選擇不當，對腐蝕因素的認識不夠，也是助長結構腐蝕的基本因素。因此探討防蝕工程，必須要瞭解化學和冶金學的基本常識，並且注意防治。
腐蝕通常是經由一段時間醞釀，當損害的現象較為顯著時，才會引起人們的注意，而到破壞造成時，結果卻往往非常嚴重。據估計，在美國每一年因為腐蝕所造成的直接損失，就約佔國民生產總值的4 %，達數百億美元之譜。在國內，除了橋樑、建築等公共工程因腐蝕致使用壽命降低，近年來在航空器及其他方面，因腐蝕產生安全的危害、資源、環境的損失，也無法估計，絲毫不遜於其他破壞所造成的損失。因此，對於材料的腐蝕機構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，其他材料也會發生腐蝕，例如：塑膠、陶瓷材料的化學溶解(chemical dissolution)等，但本章中所討論的腐蝕，主要仍以金屬為範圍，就各種腐蝕發生的成因、腐蝕形式、金屬鈍化等說明，並提出腐蝕的防治之道。
1-2腐蝕的意義
   
自然界中絕大多數的物質，都有變成氧化物或是形成穩定化合物的傾向，除了金、鉑等貴金屬外，自然界中甚少有單純金屬存在。因此當我們由礦石或是氧化物中提煉完成所需的工程材料，例如：鐵、銅、鋁時，它們就開始有了回歸穩定的趨勢，在環境許可下，它們會再度變為金屬化合物，這種現象可說是發生腐蝕的基本原因。這些環境的因素，例如：水份、高溫，或是酸、鹼等化學物質的誘導等，都可能引起金屬的腐蝕，如圖1所示。
  
  
圖1礦石 鋼料 腐蝕 說明了腐蝕發生的基本原因
   
分析材料發生腐蝕的基本原因，主要可以區分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。化學腐蝕（chemical corrosion）又稱為直接溶解(dissolution)，通常是指材料置於一種可以溶解的溶液環境中，直到材料全部耗盡(腐蝕)或是溶液達到飽和點。其他諸如高溫、溼度等情況，使材料因加速產生氧化作用進而腐蝕也屬之。電化學腐蝕通常是指兩種異質金屬或金屬中足以構成電位差的兩極，在一種電解質(electropte)相連的環境中，形成陽極金屬持續失去金屬離子而被腐蝕的現象稱之。在這兩類的腐蝕中，又以電化學腐蝕較為重要，也較容易被忽視。
   
1-2-1化學腐蝕
   
在自然界中，物質會溶解於特定的溶液中是熟知的現象，例如：糖、鹽會溶解於水中，或是許多金屬或非金屬會溶解於鹽酸。有時我們也利用這些特性於製造方法，例如：利用氯化鐵來蝕刻銅藝術品或電路板。但在工程材料的使用上，絕大多數的考慮仍是在防治腐蝕方面。
在一般金屬中，溶液最易侵蝕的位置是晶粒與晶粒接合之處，也就是晶界，然後持續成長，化學腐蝕有時也隨環境或是化合物的形成而變化，也可能伴隨電化學腐蝕而來，當然如果是這樣的情形，整個腐蝕現象就會變得較複雜。
1．選擇性濾除  
有些金屬合金材料在特殊環境下，其中的一種或多種元素容易被選擇性的濾除（leach）或稱腐蝕，而變成多孔性的殘留物，因而降低了材料的機械性質，這種現象稱為選擇性濾除。這樣的現象，與金屬的本質有關，如黃銅中所含的鋅在高溫下會被鹽類的水溶液所溶解，產生脫鋅(dezincification)的局部腐蝕現象，而缺少鋅的位置，將使得黃銅變成多孔性結構而變成很脆弱。
2．石墨化腐蝕  
石墨化腐蝕是另一種類似選擇性腐蝕的例子，灰鑄鐵的是片狀石墨交錯在鐵基地的組織，如果置於水中或是土壤中，鐵將較具陽極性而石墨將較具陰極性，因此鐵的部份將被腐蝕，而形成多孔性的外觀，因此灰鑄鐵製成的管線，必須有積極的防蝕措施，如果埋設不當，容易發生洩漏甚至爆炸的事件。
    化學腐蝕的防治極為困難，將材料覆層是一種方法，避免材料與溶液（尤其是易起作用的酸鹼溶液）接觸，也是另一種解決的方式。如果一定必須在溶液的環境中使用，必須考慮選擇能抵抗化學腐蝕的材料。例如：為了抑制黃銅脫鋅的現象，我們可以在含鋅量15%以上的黃銅中，添加1%左右的錫Sb，以抵抗這種腐蝕並增加強度。這類的含錫黃銅包括：海軍黃銅(naval brass)、海將黃銅(admiralty metal)等都屬之。
1-2-2電化學腐蝕
   
電化學腐蝕是最重要的腐蝕因素，因為大多數的金屬腐蝕的起因，都可說是一種電化學反應。這裡所說的電化學反應是指在相同或不同金屬物體中，由於各種因素使得某些部位產生了局部的陽極反應 (Anoic Reaction) ， 讓金屬失去一個或多個電子，變成金屬陽離子，亦即發生陽極氧化作用；而在同時，另一地點也會產生陰極反應 (Cathodic Reaction)，獲得多出的電子，使得陰極形成還原作用，而構成一個電池效應的現象。這種電池效應使得陽極金屬造成消溶腐蝕，稱之為電化學腐蝕（Electro-chemical corrosion）。
電化學腐蝕反應，其實與電鍍（electroplating）的作用原理相似，也就是陽極失去金屬（可以視為如腐蝕的現象）而陰極則覆層金屬（可以視為如電鍍的現象），只是腐蝕現象發生時，陰極反應通常不會發生電鍍效應，其還原反應多生成氣體、液體或固體。
電化學反應的觀點，可以說是腐蝕現象裡最重要的部分，而且大部分的腐蝕現象都可以發現這樣的反應；在電化學反應裡，它將失去電子的一方稱為陽極（anode），而獲得電子的一方稱為陰極（cathode），當兩極之間具有一低電阻的導電通路時，陽極金屬就會發生腐蝕。
兩種不同金屬就容易發生這種現象，這其中一種金屬會較容易失去電子（陽極），而另一種金屬則較容易獲得電子（陰極），透過適當的通路，其結果是使得陽極金屬陸續解離形成金屬離子。這些金屬離子，若不是被周圍的電解質吸收，就是與非金屬離子結合而形成一層表面的沈積層，因此陽極金屬逐漸失去（被腐蝕），反之，陰極金屬則因此受到保護。
由此可知，電池效應發生的情況必須是，材料發生氧化電位（或還原電位）不同的兩極，並且有適當介質的條件下，由於環境產生了足以形成電解池的條件下才足以發生。例如 : 兩種不相似金屬搭接在一起或金屬兩表面間有潮溼空氣等。
電化學腐蝕發生的原因，既然是因為電位的不同而且可以產生電池效應所致，當然相同的金屬也可能會發生電池效應，例如：同一金屬構件表面有局部變異而形成兩極，或是搭接物體的夾縫內藏有鹽類或塵垢等。此外，溫濕環境可以增加電解液的活動程度增大腐蝕 ; 而當金屬表面生成海棉狀的化合物，就足以容納更多水份繼續其電池作用，並且向內腐蝕金屬。
至於何種金屬較易形成陽極，而何種金屬較易形成陰極？其實如同前面有關化學腐蝕敘述：物質或金屬在溶液中，多有化為離子而被溶解的的傾向。同樣的，大多數金屬如果置於溶液中，其內部都具有化學電壓將其離子送入溶液中的趨勢，只是大小的程度不同而已。
這種金屬受環境溶液誘惑的趨勢稱為"電溶壓" ( Electrolytic  Solutiona1tension )。電溶壓大的金屬，因為容易化為金屬離子，所以比較易受腐蝕，反之電溶壓小的金屬，比較到腐蝕。
電溶壓用在電化學上又稱為"伽凡尼電位"(Galvanic  Potential)或是"電解電位"， 簡稱電位。不同的金屬具有不同的電位，所以當兩種不同金屬搭接在一起時，由於兩者的電位差，就會產生電流，其原理正如同水往低處流的情況一樣。這種電池效應的結果，因電流的通過(從陽極流向陰極)，使較高電位金屬發生陽極消溶腐蝕。當電位差愈大，產生的電流愈強，腐蝕損耗率就愈大。
在電化學序位中，伽凡尼電位序 (GalVanic Potential Series )可以說明在不同環境下，各種金屬陽極性或陰極性的趨勢。在海水、淡水溶液或其他工業氣氛中，伽凡尼電位序也可能會有差異，以海水中的伽凡尼電位序而言，依金屬電位由大到小將金屬順序排列，依序為：鉀(K)、鈉( Na)、鎂(Mg)、鋁(A1)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鍚(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於電位序在其後的金屬將形成陽極; 相反的，電位序在後的金屬對於電位序在前的金屬成為陰極。這些金屬例如：金、鉑、銀等稱為貴金屬(noble)或具化學惰性(chemically inert)。而從另一方面來看，由於電位序在前面的金屬相對於電位序在其後的金屬將形成陽極，由於腐蝕發生於陽極，因此就可以保護其後位金屬避免腐蝕，這種犧牲陽極的方法就是腐蝕防治的一種重要方式。這部分的敘述會在稍後討論鋼鐵腐蝕時再說明。
綜合以上所述可以知道，電化學腐蝕主要由於材料本身產生了電池效應，電池效應是基於電池中有兩種不同電極懸掛在一電解質內，陽極部份發生氧化作用而蝕去，陰極則大多產生氫離子的還原作用，而放出氫氣，結果使材料形成腐蝕的現象。
由於金屬腐蝕的過程，事實上就是一種化學或電化學反應，因此我們可以說，金屬在某種環境下，藉著化學或是電化學反應所造成材料破壞性的傷害就稱為腐蝕，而腐蝕的防治，最基本的原理就是抑制或是避免這些反應的發生。
   
1-3影響金屬腐蝕的因素
   
如前所述，腐蝕發生的過程主要依化學反應和電化學反應兩種方式來進行。例如：鐵的腐蝕就化學反應的觀點而言，其在大氣中的氧化過程為：   
      室溫時    Fe＋1/2 O2 ＋H2 Oà 2Fe（OH）2 氫氧化亞鐵
             2Fe（OH）2＋1/2 O2 ＋H2 Oà 2Fe（OH）3
                                       氫氧化鐵（鐵銹）
   
而以電化學反應式表示則為：
        Fe＋1/2 O2 ＋H2 O àFe+2＋2 OH- à 2Fe（OH）3
                                       氫氧化鐵（鐵銹）
   
但這只是反應過程描述的不同，實際上，隨環境的改變，各種影響腐蝕因素愈形複雜，它們會使得腐蝕的程度或是型態都跟著改變，並且增加腐蝕的嚴重性。例如：大氣中原有水份和塵埃，足以影響腐蝕的程度，然而隨著工業化程度的增加之外，還加入了各種氣體和化合物，像是二氧化硫SiO2、硫化氫H2S等，加上本省海島地形含有充足的鹽份，經由電化學反應，這些物質更助長了材料的腐蝕。再如：鐵置於高溫環境中，其腐蝕型態不同於常溫下的反應，而是直接與氧結合， 形成Fe2O3 (氧化鐵)、FeO（氧化亞鐵）、Fe3O4（四氧化三鐵）等氧化物。除了大氣之外，土壤、溶液、酸鹼度、散亂電流等，也都是影響腐蝕的環境因素。在其它因素方面，如：製品的材料成份、熱處理效應、加工效應也在在影響腐蝕的結果。
   
1-3-1大氣
   
在沒有濕度存在的大氣中，由於沒有電解液，腐蝕無法進行反應，因此一般材料的腐蝕速率小到足以忽略，但當大氣中的塵埃或不純物存在時，由於他們會使濕氣凝結在金屬表面，因此即使些微的濕氣，腐蝕性就會有很大的差異。
大氣因腐蝕性的不同主要分為海岸地帶、工業地帶、熱帶、寒帶、都市或鄉村等類型。海岸地帶大氣中所含的鹽份與濕氣結合，可以形成伽凡尼電池或是氧氣濃差電池；工業地帶的大氣含有碳、碳化合物、硫化物和金屬氧化物，其中最主要的腐蝕性成份是二氧化硫，它的主要來源是煤、重油、汽油的燃燒所產生，而含硫化物的酸雨更足以加速腐蝕的進行，對鐵而言，由於二氧化硫經反應可以產生H2SO4，H2SO4與鐵

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