機械材料的規格及選用
學習目的
1.瞭解機械材料規格的意義。
2.瞭解常用的機械材料規格。
3.瞭解各種規格編號的意義。
4.能選擇適當的金屬材料。
1-1前言
規格(Specification)是產品需求的敘述,也是資料技術溝通的依據。為了適合某一種特別的用途,生產者當然必須促使產品能夠符合需要,這樣就有規範的存在必要。而隨著工業化程度的提高及國際間貿易往來的趨勢,產品的流通愈來愈頻繁,為了增進效率及提供產品零件的互換性,工業規格的訂定更是必然的結果。在機械材料的範疇方面,同樣的必須有一定的規格,以作為生產者及使用者依循的規範。
完備的規格應具有以下資料的敘述:
1.適用範圍(Scope):包括用途(如:板、線、管),適用尺寸等。
2.化學成分(Chemical Composition):包括各項成分元素的含量範圍或成分代號。
3.定性敘述(Quality Statement):指品質方面,例如煉鋼方式或脫氧情況。
4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學成分範圍、物理及機械性質需求,以適應使用上經濟的理由。
5.其他需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。
現今世界各國各依其工業化的發展而有不同的工業規格,例如:美國的ANS(美國國家標準)、日本的JIS(日本工業標準)、德國的DIN(德國工業標準)等。而在針對機械材料規格方面,常用的還包括ASTM(美國材料試驗協會)、AISI(美國鋼鐵協會)、SAE(美國汽車協會)等,而我國主要則依據CNS(中國國家標準)訂定。
材料的選擇及應用是學習材料規格的重要目的,所以本章最後舉例說明,如何在產品需求及相關考慮之下,選擇適當材料。
1-2材料的規格
一種機械材料的規格最主要可以由:材料的種類、成份和機械性質來說明。而為了標準化起見,材料必須經由一套嚴謹的試驗規範,確保其可靠度。世界各國都有其材料試驗的標準程序,我國也不例外,例如:CNS有關材料試驗部份,其中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規定:
本標準主要內容包括:適用範圍、檢驗及重驗三部分
適用範圍:本標準適用於鋼料之一般檢驗
檢驗部份:說明化學成份試驗和機械性質試驗的試片取樣及檢驗
標準
方法
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重驗部份:說明規格部份不合規定的試片,必須經由複驗判定
合格及不合格。
又如「非鐵金屬材料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規定:
本標準主要內容包括:適用範圍、檢驗及重驗三部分
適用範圍:本標準規定非鐵金屬材料檢查一般事項
檢驗部份:規定有關外觀、尺度、化學成份試驗和機械性質試驗
的試片取樣及試驗事項
重驗部份:說明試驗結果如部份規格與規定不合,必須經由重驗
判定合格及不合格。
1-3常用的材料編號
一般材料的化學成份與機械性質是息息相關的,因此常用的材料編號大多是以化學成份命名為主,再輔以機械性質(如第七章部分材料的規格敘述)。由於材料範圍很廣,因此本章內容,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。
在工業上,鋼鐵材料(包括碳鋼在內)必依其化學成份,使用一定的編號以利於選用,這是基本的認識。目前,在我國較常用的規格有三種:中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。而其它還有常見的各國規格名稱。
1.中國國家標準(CNS)
(1)鋼鐵的規格
中國國家標準CNS是Chinese National Standard的簡寫,CNS對鋼鐵材料的編號主要依據CNS 109 G1001(公佈: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,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.表示標準名稱或是製品用途。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.用於結構的鋼料(包括結構用碳鋼及合金鋼),代表主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時),表示含碳量時,通常以含碳量之100倍數值表示,
例:SCM420:鉻鉬鋼,第420種
S25C:碳鋼,含碳量0.25%。
第三部分為該材料之種類號碼,或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度,通常以三位數字表示。
例:SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號420的材料
STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼,抗拉強度不
低於340 N/mm2。
以與合金量之表示法有所區別。常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。
註:機械結構用鋼料的符號
機械結構用鋼料使用很廣,因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用範圍及其符號所代表的意義:
適用範圍:機械結構用碳鋼鋼料及結構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(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,含碳量0.30﹪
S 20 C 4:碳鋼,含碳量0.20﹪第四種構造用碳鋼
S(55)C:一般構造用碳鋼,最小抗拉強度55kg/mm2
S85WMo(HS):含碳量0.85﹪的鎢鉬高速鋼
OS90C(T):以平爐煉鋼法提煉,含碳量0.9﹪的工具鋼
b.碳含量的代表值。
(2)鋁及鋁合金的規格
鋁及鋁合金之種類及符號係依CNS 2068 H3021之規定,適用範圍為鍛鋁、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)之合金種類及鍊度符號。
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”鍊度”係指”製造過程中,依加工、熱處理等條件之差異所獲得機械性質之區分”。鍊度符號又分為基本符號與細分符號。基本符號為一字英文字母(大寫),細分符號為一位數字或多位數字組合並附在基本符號之後。
a.基本符號
鋁合金的鍊度基本符號分為四種。
b.細分符號
鋁合金鍊度之基本符號H及T之細分符號,依下列規定。
鍛鋁合金的編號及化學成分。
2.日本工業標準(JIS)
JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱,JIS對於鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類:
(1)一般機械構造用碳鋼:
其材料編號方法和CNS的第一種表示法相同。
(例)S30C表示含碳量0.30﹪的機械構造用碳鋼
(2)其他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,鋼以S、鐵以F表示,其他非鐵類如表11- 。
第二部分表示鋼製品的規格或用途,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、熱處理方式等附註於後,加工方法例如:D(Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處理方法大多記於金屬符號之後,並在二者之間加入"-"
(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
SUS301-1/2H:第301種不銹鋼,1/2硬質材料
3.常用的美國材料編號及規格
(1)美國鋼鐵學會-美國汽車工程師學會(AISI-SAE)
AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類,以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中
第一位數,表示鋼料的種類,如:鎳鋼為2、鎢鋼為7。
第二位數,為主要合金元素的百分值;0表示無其他合金元素。
第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。
(例)
SAE1045:含碳量0.45的碳鋼,與CNS中S45C鋼料相當。
SAE4140:含碳量0.40的鉻鉬鋼,與JIS中SCM4鋼料相當。
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)
11××
Cr(0.7﹪)
41××
錳 鋼
13××
Ni-Cr
43××
鎳鋼
2×××
Ni(1.75﹪)
46××
0.50﹪Ni
20××
鉻鋼
5×××
1.50﹪Ni
21××
Cr(1.0﹪)
51××
3.50﹪Ni
23××
Cr(1.5﹪)
52××
鎳鉻鋼
3×××
鉻釩鋼
6×××
1.25﹪Ni0.6﹪Cr
31××
鎢鋼
7×××
1.75﹪Ni1.0﹪Cr
32××
鎳鉻鉬
8×××
3.50﹪Ni1.5﹪Cr
33××
矽錳鋼
9×××
(2)美國材料協會及美國機械工程師協會 ASTM(ASME)
ASTM是非常廣泛被採用的材料規範,它的特色主要是針對產品的特性及表現而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示,再輔以年代之混合標示,ASME則採用了相當多的ASTM規範,並以前置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 A36-77a 其中A 36 - 77 a
分別表示 (鋼鐵)(結構用)(1977年)(第一次修訂)