钢铁材料规格和选用标准手册讲解.docx

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钢铁材料规格和选用标准手册讲解

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。

1-3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420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/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-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××

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UNS

UNS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、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。

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-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××

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