16607机械材料的规格及选用

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):指品质方面，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。1-3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ChineseNationalStandard的简写，CNS对钢铁材料的编号主要依据CNS109G1001(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：SPCC：Plate，钢板(冷轧)。SUP：UseSpring，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：SCM420表示铬钼钢中编号的材料STB340表示锅炉及热交换器用钢，抗拉强度不低于340N/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CNS2608G2018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）S30C：碳钢，含碳量0.30﹪S20C4：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/mm2S85WMo(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CNS2068H3021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JapaneseIndustralStandard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。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×××（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:ASTMA36-77a其中A36-77a分别表示(钢铁)(结构用)(1977年)(第一次修订)又如:ASTME8代表拉伸试验规范ASME的表示法：例如:ASMESA213=ASTMA213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UNSUNS是UnifiedNumberingSystem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：UNSG10XX0=SAE10XX，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DeutschIndustriellNorm的缩写，德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN17006，补充说明在DIN17007，1974年改为ISO制，以EURONORM27-74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:合金元素含量合金元素倍数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X12CrNi188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:MASt426N(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。