机械材料的规格及选用.docx

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机械材料的规格及选用

机械材料的规格及选用

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（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、W4

Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10

P、S、N、Ce、C100

B1000

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-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