金属材料

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(ChemicalComposition):包括各项成分元素的含量范围或成分代号。3.定性叙述(QualityStatement):指质量方面，例如炼钢方式或脱氧情况。4.定量需求(QuantitativeRequirement):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(OtherRequirment):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。1-4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(SAE4140)或中碳钢SAE1035及SAE1050。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(CeramicTiles)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。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-Cr43××镍钢2×××Ni(1.75﹪)46××0.50﹪Ni20××铬钢5×××1.50﹪Ni21××Cr(1.0﹪)51××3.50﹪Ni23××Cr(1.5﹪)52××镍铬钢3×××铬钒钢6×××1.25﹪Ni0.6﹪Cr31××钨钢7×××1.75﹪Ni1.0﹪Cr32××镍铬钼8×××3.50﹪Ni1.5﹪Cr33××硅锰钢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