【正文】 機(jī)械材料的規(guī)格及選用學(xué)習(xí)目的。11前言規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是資料技術(shù)溝通的依據(jù)。為了適合某一種特別的用途，生產(chǎn)者當(dāng)然必須促使產(chǎn)品能夠符合需要，這樣就有規(guī)范的存在必要。而隨著工業(yè)化程度的提高及國際間貿(mào)易往來的趨勢，產(chǎn)品的流通愈來愈頻繁，為了增進(jìn)效率及提供產(chǎn)品零件的互換性，工業(yè)規(guī)格的訂定更是必然的結(jié)果。在機(jī)械材料的范疇方面，同樣的必須有一定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者及使用者依循的規(guī)范。完備的規(guī)格應(yīng)具有以下數(shù)據(jù)的敘述:(Scope):包括用途(如：板、線、管)，適用尺寸等。(Chemical Composition):包括各項成分元素的含量范圍或成分代號。(Quality Statement):指品質(zhì)方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。(Quantitative Requirement):指定化學(xué)成分范圍、物理及機(jī)械性質(zhì)需求，以適應(yīng)使用上經(jīng)濟(jì)的理由。(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等?，F(xiàn)今世界各國各依其工業(yè)化的發(fā)展而有不同的工業(yè)規(guī)格，例如：美國的ANS(美國國家標(biāo)準(zhǔn))、日本的JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))、德國的DIN(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))等。而在針對機(jī)械材料規(guī)格方面，常用的還包括ASTM(美國材料試驗協(xié)會)、AISI(美國鋼鐵協(xié)會)、SAE(美國汽車協(xié)會)等，而我國主要則依據(jù)CNS(中國國家標(biāo)準(zhǔn))訂定。材料的選擇及應(yīng)用是學(xué)習(xí)材料規(guī)格的重要目的，所以本章最后舉例說明，如何在產(chǎn)品需求及相關(guān)考慮之下，選擇適當(dāng)材料。12材料的規(guī)格一種機(jī)械材料的規(guī)格最主要可以由：材料的種類、成份和機(jī)械性質(zhì)來說明。而為了標(biāo)準(zhǔn)化起見，材料必須經(jīng)由一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼炓?guī)范，確保其可靠度。世界各國都有其材料試驗的標(biāo)準(zhǔn)程序，我國也不例外，例如：CNS有關(guān)材料試驗部份，其中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規(guī)定： 本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用范圍、檢驗及重驗三部分適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼料之一般檢驗檢驗部份：說明化學(xué)成份試驗和機(jī)械性質(zhì)試驗的試片取樣及檢驗 標(biāo)準(zhǔn)方法重驗部份：說明規(guī)格部份不合規(guī)定的試片，必須經(jīng)由復(fù)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(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：適用范圍、檢驗及重驗三部分適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非鐵金屬材料檢查一般事項檢驗部份：規(guī)定有關(guān)外觀、尺度、化學(xué)成份試驗和機(jī)械性質(zhì)試驗 的試片取樣及試驗事項重驗部份：說明試驗結(jié)果如部份規(guī)格與規(guī)定不合，必須經(jīng)由重驗 判定合格及不合格。13常用的材料編號 一般材料的化學(xué)成份與機(jī)械性質(zhì)是息息相關(guān)的，因此常用的材料編號大多是以化學(xué)成份命名為主，再輔以機(jī)械性質(zhì)(如第七章部分材料的規(guī)格敘述)。由于材料范圍很廣，因此本章內(nèi)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(yè)上，鋼鐵材料(包括碳鋼在內(nèi))必依其化學(xué)成份，使用一定的編號以利于選用，這是基本的認(rèn)識。目前，在我國較常用的規(guī)格有三種：中國國家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國鋼鐵學(xué)會－美國汽車工程師學(xué)會(AISISAE)。另外德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(UNS)相關(guān)業(yè)界有時也會采用。而其它還有常見的各國規(guī)格名稱。1．中國國家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)（1）鋼鐵的規(guī)格中國國家標(biāo)準(zhǔn)CNS是Chinese National Standard的簡寫，CNS對鋼鐵材料的編號主要依據(jù)CNS 109 G1001(公布：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(zhì)，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(biāo)準(zhǔn)名稱或是制品用途。常用的有－P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途) W：Wire(線材) F：Forging(鍛造) C：Casting(鑄造) 例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。 S UP：Use Spring，彈簧用鋼 b．用于結(jié)構(gòu)的鋼料(包括結(jié)構(gòu)用碳鋼及合金鋼)，代表主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時)，表示含碳量時，通常以含碳量之100倍數(shù)值表示， 例：SCM420：鉻鉬鋼，第420種 S25C：碳鋼，％。第三部分為該材料之種類號碼，或是最低抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度。若是表示最小抗拉強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示。 例：SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號的材料 STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼，抗拉強(qiáng)度不 低于340 N/mm2。 以與合金量之表示法有所區(qū)別。常用于建筑結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場合。注：機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料的符號機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用范圍及其符號所代表的意義：適用范圍：機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳鋼鋼料及結(jié)構(gòu)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(zhì)(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(xué)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） S 30 C：碳鋼，﹪ S 20 C 4：碳鋼，﹪第四種構(gòu)造用碳鋼 S(55)C：一般構(gòu)造用碳鋼，最小抗拉強(qiáng)度55kg/mm2 S85WMo(HS)：﹪的鎢鉬高速鋼 OS90C(T)：以平爐煉鋼法提煉，﹪的工具鋼b．碳含量的代表值。（2）鋁及鋁合金的規(guī)格鋁及鋁合金之種類及符號系依CNS 2068 H3021之規(guī)定，適用范圍為鍛鋁、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)之合金種類及煉度符號。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(guī)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”煉度”系指”制造過程中，依加工、熱處理等條件之差異所獲得機(jī)械性質(zhì)之區(qū)分”。煉度符號又分為基本符號與細(xì)分符號。基本符號為一字英文字母(大寫)，細(xì)分符號為一位數(shù)字或多位數(shù)字組合并附在基本符號之后。a．基本符號鋁合金的煉度基本符號分為四種。b．細(xì)分符號 鋁合金煉度之基本符號H及T之細(xì)分符號，依下列規(guī)定。鍛鋁合金的編號及化學(xué)成分。2．日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱，JIS對于鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類：（1）一般機(jī)械構(gòu)造用碳鋼： 其材料編號方法和CNS的第一種表示法相同。（例）﹪的機(jī)械構(gòu)造用碳鋼（2）其它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(zhì)，鋼以S、鐵以F表示，其它非鐵類如表11 。第二部分表示鋼制品的規(guī)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、熱處理方式等附注于后，加工方法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠制。熱處理方法大多記于金屬符號之后，并在二者之間加入（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 SUS3011/2H：第301種不銹鋼，1/2硬質(zhì)材料3．常用的美國材料編號及規(guī)格（1）美國鋼鐵學(xué)會－美國汽車工程師學(xué)會(AISISAE) AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類，以四個(或五個)數(shù)目字為記號來分類。其中第一位數(shù)，表示鋼料的種類，如：鎳鋼為鎢鋼為7。第二位數(shù)，為主要合金元素的百分值；0表示無其它合金元素。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。（例） SAE1045：，與CNS中S45C鋼料相當(dāng)。 SAE4140：，與JIS中SCM4鋼料相當(dāng)。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)11Cr(﹪)41錳 鋼13NiCr43鎳鋼2Ni(﹪)46﹪Ni20鉻鋼5﹪Ni21Cr(﹪)51﹪Ni23Cr(﹪)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼6﹪﹪Cr31鎢鋼7﹪﹪Cr32鎳鉻鉬8﹪﹪Cr33硅錳鋼9（2）美國材料協(xié)會及美國機(jī)械工程師協(xié)會 ASTM(ASME)ASTM是非常廣泛被采用的材料規(guī)范，它的特色主要是針對產(chǎn)品的特性及表現(xiàn)而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示，再輔以年代之混合標(biāo)示，ASME則采用了相當(dāng)多的ASTM規(guī)范，并以前置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: ASTM A3677a 其中A 36 77 a 分別表示 (鋼鐵)(結(jié)構(gòu)用)(1977年)(第一次修訂)又如: ASTM E8 代表拉伸試驗規(guī)范ASME的表示法：例如: ASME SA213 = ASTM A213而同一編號又可依化學(xué)成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(tài)(Class)來區(qū)分。Grade主要敘述其化學(xué)性質(zhì)，Type指脫氧的情況，Class:指一些其它性質(zhì)。如：強(qiáng)度、表面光度等。（3）美國統(tǒng)一編號系統(tǒng) UNSUNS是Unified Numbering System 的簡稱，在1974年為ASTM及SAE 聯(lián)合制定，UNS 本身只是一種編號，而非規(guī)格，它將金屬分為17個系列編號并與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱統(tǒng)一編號系統(tǒng)。4．德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)DIN并不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫，德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料的規(guī)格是在DIN 17006，補(bǔ)充說明在DIN 17007，1974年改為 ISO制，以 EURONORM 2774替代。以英文字母和數(shù)字來敘述其特征，字母規(guī)定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數(shù)字則規(guī)定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強(qiáng)度、主合金之成分倍數(shù)等。（1）碳鋼一般以碳元素標(biāo)記及其含碳量表示，如 C60 ％C的碳鋼。另外也有抗拉強(qiáng)度及其它表示法，例如:St50 表示抗拉強(qiáng)度50kg/mm2之構(gòu)造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強(qiáng)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(biāo)記，但在其中第三部分含量，為避免小數(shù)點出現(xiàn)，表示值都己經(jīng)乘上固定倍數(shù)，而以整數(shù)型態(tài)呈現(xiàn)，所以由編號求取實際含量時必須再除以倍數(shù)。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(shù)Cr、Co、Mn、Ni、Si、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、S、N、Ce、C100B1000例如:％含鉻量1％的鋼材，表示為34Cr4 依此 13CrV53 ％，含鉻量5/4= ％，含釩量3/10=％（3）高合金鋼在標(biāo)記前加上x，此外由于合金元素含量己高，因此不乘以倍數(shù)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:％的不銹鋼，含鉻量18％含鎳量8％，表示為 X12CrNi18 8同理 X10CrNi1810 ％的高合金鋼，含鉻量18 ％ 含鎳量10。如果要進(jìn)一步標(biāo)示其特性，可以在其記號前后加上英文字母表示例如: M A St42 6 N (1)(2) (3) (4)(5)其中除(3)為主標(biāo)記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產(chǎn)品特性、保證性能類別、熱處理情況等。 （4）鑄鐵、鑄鋼以前置標(biāo)記G代表一般鑄件，另外加上其它字母來表示種類，隨后之標(biāo)示與鋼的編號相同，如表1所示。例如:GSC30為鑄鋼，％ ％的鑄鐵，含錳量12％。表1 德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 之鑄鐵分類GS = 鑄鋼GG = 一般灰鑄鐵GGL = 片狀石墨鑄鐵GGG = 球狀石墨鑄鐵GT = 一般展性鑄鐵GTS = 展性灰鑄鐵GTW = 展性白鑄鐵14材料的選用141 材料選擇的根據(jù)材料的種類繁多，而且性質(zhì)互異，因此無論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨后即將討論的非金屬材料自然都有不同的應(yīng)用場合。一項產(chǎn)品在選用材料時，會因使用場合(例如：強(qiáng)度的要求、環(huán)境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由于結(jié)構(gòu)的不同，也有其適當(dāng)?shù)挠猛荆虼巳绾问共牧系膽?yīng)用能適材適所，就是材料選用的最大準(zhǔn)則。本章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素，并舉實例具體說明。