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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(ChemicalComposition):包括各項成分元素的含量範圍或成分代號。3.定性敘述(QualityStatement):指品質方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。4.定量需求(QuantitativeRequirement):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(OtherRequirment):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ChineseNationalStandard的簡寫，CNS對鋼鐵材料的編號主要依據CNS109G1001(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：SPCC：Plate，鋼板(冷軋)。SUP：UseSpring，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：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，抗拉強度不低於340N/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CNS2608G2018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）S30C：碳鋼，含碳量0.30﹪S20C4：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/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）鋁及鋁合金的規格鋁及鋁合金之種類及符號係依CNS2068H3021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JapaneseIndustralStandard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:D(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-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××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:ASTMA36-77a其中A36-77a分別表示(鋼鐵)(結構用)(1977年)(第一次修訂)又如:ASTME8代表拉伸試驗規範ASME的表示法：例如:ASMESA213=ASTMA213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UNSUNS是UnifiedNumberingSystem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：UNSG10XX0=SAE10XX，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DeutschIndustriellNorm的縮寫，德國工業標準中鋼鐵材料的規格是在DIN17006，補充說明在DIN17007，1974年改為ISO制，以EURONORM27-74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、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、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X12CrNi188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:MASt426N(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