第一章 工業用鋼

　　 通常所指的鋼鐵材料是鋼和鑄鐵的總稱，指所有的鐵碳合金。　　在工業用鋼中除鐵、碳之外，還含有其他元素。分常存元素；偶存元素；隱存元素和合金元素。常存元素有錳、矽、硫、磷。偶存元素是由於礦石產地不同（有與鐵共存的共生礦混入）及以廢鋼為原料，在冶煉及工藝操作時帶入鋼中，如銅、鈦、釩、稀土元素等。隱存元素是指原子半徑較小的非金屬元素，如氧、氫等。合金元素是指為改變成分特別添加的元素，如鉻、鎳、鎢、鉬、釩等。　　碳素鋼（簡稱碳鋼）是含碳量大於 0.0218%而小於 2.11%的鐵碳合金。由於碳鋼具有較好的機械性能和工藝性能，並且產量大、價格較低，因此它是機械工程上應用十分廣泛的金屬材料。但碳鋼也有某些不足之處，如硬化能較低、回火軟化抵抗較差、屈強比低。碳鋼的強度潛力雖經熱處理仍不能充分的發揮。為了滿足現代工業和科學技術的不斷發展，因而發展了合金鋼。　　合金鋼是在碳鋼的基礎上，添加某些合金元素，用以保證一定的生產和加工技術以及所要求的組織與性能的鐵基合金。合金鋼用量雖少，但卻非常重要。合金鋼有較好的性能，但也有不少缺點。最主要的是由於含有合金元素，其生產和加工工藝比碳鋼差，也比較複雜，價格也較昂貴。因此，在應用碳鋼能夠滿足要求時，一般不使用合金鋼。

第一節 鋼的分類

　 鋼的種類繁多，為了便於生產、使用和研究，可以按照化學成分、冶金品質和用途對鋼進行分類。

一、按化學成分分類 1.按鋼材的化學成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。

2.碳素鋼按含碳量多少可分為低碳鋼（C%≤0.25%）、中碳鋼（C

%=0.25%～0.60%）和高碳鋼（C%>0.6%）三類。

特別極軟鋼（C%≤0.08%）、極軟鋼（C%＝0.08%~0.12%）、軟鋼（C%＝0.12%~0.20%）、半軟鋼（C%＝0.20%~0.30%）、半硬鋼（C%＝0.30%~0.40%）、硬鋼（C%＝0.40%~0.50%）、最硬鋼（C%＝0.50%~0.60%）。

3.合金鋼按合金元素的含量又可分為低合金鋼（合金元素總量<5%）、中合金鋼（合金元素總量為 5～10%）和高合金鋼（合金元素總量>10%）三類。

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4.合金鋼按合金元素的種類可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、矽錳鋼、鉻钼鋼鉻鎳钼等。

二、按冶金品質分類　1.按鋼中所含有害雜質硫、磷的多少，可分為普通鋼（S%≤0.055%，P%≤

0.045%）、優質鋼（S%、P%≤0.040%）和高級優質鋼（S

%≤0.030%，P%≤0.035%）三類。

2.此外，按冶煉時脫氧程度不同，可將鋼分為輕度脫氧之未凈鋼（rimmed Steel）、充分脫氧之全靜鋼（Killed Steel）和中度脫氧之半靜鋼（Semi- Killed Steel）三類。

三、按用途分類

1.按鋼的用途可分為結構鋼、工具鋼、特殊鋼三大類。

2.結構鋼又分為工程結構件用鋼和機械構造零件用鋼兩部分。工程構件用鋼包括建築工程用鋼、橋樑工程用鋼、船舶工程用鋼、車輛工程用鋼。機械用鋼包括調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、滲碳和滲氮鋼、耐磨鋼等。這類鋼一般屬於低、中碳鋼和低、中合金鋼。

3.工具鋼分為刃具鋼、量具鋼、模具鋼。主要用於製造各種刀具、模具和量具這類鋼一般屬於高碳、高合金鋼。

4.特殊性能鋼分為號規用鋼、易切鋼、軸承鋼、彈簧鋼、磁性用鋼、不銹鋼、耐熱鋼等。這類鋼主要用於各種特殊要求的場合，如化學工業用的不鏽耐酸鋼、核電站用的耐熱鋼等。

四、按金相組織分類1.按鋼退火態的金相組織可分為亞共析鋼（hypo-eutectiod steel）、共析 鋼 （eutectiod steel）、過共析鋼（hyper- eutectiod steel）三種。

2.按鋼正常化態的金相組織可分為波來體鋼（Pearlite steel）、變韌體鋼（Bainite Steel）、麻田散體鋼（Martensite Steel）、沃斯田體鋼（Austenite Steel）等四種。在給鋼的產品命名時，往往把成分、品質和用途幾種分類方法結合起來。如

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碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高級優質碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等

五、鋼的發展趨勢　　目前，鋼的發展趨勢有以下特點：1．新鋼種不斷增加　　為適應工業和科學技術的發展對鋼提出的日益增高的要求，不斷創造出具有某些特殊性能的新鋼種。鋼的種類在不斷地增加。2．舊鋼種不斷減少　　為了生產、管理和使用的方便，目前大量使用的成熟鋼種又在不斷地減少，集中生產使用效果較好的通用性強的少數品種。3．舊的生產工藝不斷改進，鋼的性能不斷提高　　在發展新鋼種的同時，集中力量改進鋼的生產工藝，提高現有鋼種的質量。例如，在鋼的冶煉上採用真空冶煉，電渣重熔或真空去氣等技術，大大減少鋼中的有害雜質和氣體，提高鋼的性能。因此對於同一種鋼，由於生產工藝的改進，性能也不斷在提高。4．鋼的純淨度越來越高　　為了適應科學技術發展對鋼材性能的要求，發展出了高純淨度鋼。其基本特點是高純淨度，硫、磷含量極低，已經達到百萬分之一數量級。超純淨鋼晶粒非常細小，無應變時效，成形性能極佳，被稱為新一代超級鋼。

六、機械工業用新金屬材料及精密陶瓷

1. 超高強韌鋼－麻田散體鋼、二次硬化鋼（thermo-mechanical

treatment）、麻時效鋼（marage steel）2. 形狀記憶合金（shape memory alloy）

3. 超塑性合金（superplasticity alloy）

4. 非晶質合金（amorphous alloy）

5. 儲氫合金（hydrogen storage alloy）

6. 精密陶瓷（fine ceramics）

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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。

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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。

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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)。 SUP：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

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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。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：

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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、五位數字)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 SCM440 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×××

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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)

又如: ASTM E8 代表拉伸試驗規範ASME 的表示法：

例如: ASME SA213 = ASTM A213

而同一編號又可依化學成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(Class)來區分。Grade 主要敘述其化學性質，Type 指脫氧的情況，Class:指一些其他性質。如：強度、表面光度等。

Steel standards are instrumental in classifying, evaluating, and specifying the

material, chemical, mechanical, and metallurgical properties of the different

types of steels, which are primarily used in the production of mechanical

components, industrial parts, and construction elements. The most widely used

standard specifications for steel products in the United States are those published

by ASTM (American Society for Testing and Materials).

ASTM specifications represent a consensus among producers, specifiers,

fabricators, and users of steel mill products. In many cases, the dimensions,

tolerances, limits, and restrictions in the ASTM specifications are similar to or

the same as the corresponding items in the standard practices contained in the

AISI Steel Products Manuals.

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Many of the ASTM specifications have been adopted by the American Society of

Mechanical Engineers (ASME) with little or no modification; ASME uses the

prefix S and the ASTM designation for these specifications. For example, ASME-

SA213 and ASTM A 213 are identical.

ASTM’s designation system for metals consists of a letter (A for ferrous

materials) followed by an arbitrary sequentially assigned number. These

designations often apply to specific products, for example A548 is applicable to

cold-heading quality carbon steel wire for tapping or sheet metal screws. Metric

ASTM standards have a suffix letter M.

Examples of the ASTM ferrous metal designation system, describing its use of

specification numbers and letters, are shown below:

Example - ASTM A 582/A 582M-95b (2000), Grade 303Se-Free-Machining

Stainless Steel Bars:

‘A’ describes a ferrous metal, but does not sub classify it as cast iron, carbon

steel, alloy steel, tool steel, or stainless steel;

582 is a sequential number without any relationship to the metal’s properties;

M indicates that the standard A582M is written in rationalized SI units (the M

comes from the word Metric), hence together 582/A582M includes both inch-

pound and SI units;

95 indicates the year of adoption or last revision and a letter b following the year

indicates the third revision of the standard in1995;

(2000), a number in parentheses, indicates the year of last re-approval;

Grade 300Se indicates the grade of the steel, and in this case, it has a Se

(selenium) addition.

Within the steel industry, the terms Grade, Type, and Class are generally defined

as follows: Grade is used to describe chemical composition; Type is used to define

the deoxidation practice; and Class is used to indicate other characteristics such

as strength level or surface finish. However, within the ASTM standards, these

terms were adopted and used to identify a particular metal within a metal

standard and used without any strict definition. Although there are differences

between the ASTM and traditional definitions of these terms ASTM have applied

some loose rules to the use of this terminology in their designation system :

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Example 1 - ASTM A 106-02a Grade A, Grade B, Grade C - Seamless Carbon

Steel Pipe for High-Temperature Service:

Typically an increase in alphabet (such as letters A, B, C) results in higher tensile

or yield strength steels, and if it’s an unalloyed carbon steel, an increase in

carbon content;

In this case: Grade A:0.25%C (max), 48 ksi tensile strength (min); Grade B:

0.30%C (max), 60 ksi tensile strength (min); Grade C 0.35%C (max), 70 ksi

tensile strength (min).

Example 2 - ASTM A 276-03, Type 304, 316, 410 – Stainless and Heat Resisting

Steel Bars and Shapes:

Types 304, 316, 410 and others are based on the SAE designation system for

stainless steels (see SAE and former AISI description that follows).

Another use of ASTM grade designators is found in pipe, tube, and forging

products, where the first letter P refers to pipe, T refers to tube, TP may refer to

tube or pipe, and F refers to forging.

Examples are found in the following ASTM specifications:

ASTM A 335/A335-03, Grade P22; Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipe for High

Temperature Service;

ASTM A 213/A213M-03a, Grade T22; Seamless Ferritic and Austenitic Alloy

Steel Boiler, Superheater and Heat-Exchanger Tubes;

ASTM A 312/A312M-03, Grade TP304; Seamless and Welded Austenitic

Stainless Steel Pipe;

ASTM A 336/A336M-03a, Class F22-Steel Forgings, Alloy, for Pressure and

High-Temperature Parts.

（3）美國統一編號系統 UNS

UNS 是 Unified Numbering System 的簡稱，在 1974年為 ASTM 及 SAE 聯合制定，UNS 本身只是一種編號，而非規格，它將金屬分為 17個系列編號並與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱統一編號系統。

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4．德國工業標準(DIN)

DIN 並不是英文，而是德文 Deutsch Industriell Norm 的縮寫，德國工業標準中鋼鐵材料的規格是在 DIN 17006，補充說明在 DIN 17007，1974年改為 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數字來敘述其特徵，字母規定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數字則規定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強度、主合金之成分倍數等。（1）碳鋼

一般以碳元素標記及其含碳量表示，如 C60 表示含 0.6％C 的碳鋼。另外也有抗拉強度及其他表示法，例如:St50 表示抗拉強度 50kg/mm2 之構造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強度為 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記，但在其中第三部分含量，為避免小數點出現，表示值都己經乘上固定倍數，而以整數型態呈現，所以由編號求取實際含量時必須再除以倍數。

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％含鉻量 1％的鋼材，表示為 34Cr4

依此 13CrV53 即表示含碳量 0.13％，含鉻量 5/4=1.25

％，含釩量 3/10=0.3％（3）高合金鋼

在標記前加上"x"，此外由於合金元素含量己高，因此不乘以倍數而直接表示。(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:含碳量 0.12％的不銹鋼，含鉻量 18％含鎳量 8％，表示為 X12CrNi18 8

同理 X10CrNi1810 即表示含碳量 0.10％的高合金鋼，含鉻量 18

％ 含鎳量 10。如果要進一步標示其特性，可以在其記號前後加上英文字母表示例如: M A St42 6 N

(1) (2) (3) (4) (5)

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其中除(3)為主標記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產品特性、保證性能類別、熱處理情況等。

（4）鑄鐵、鑄鋼以前置標記G 代表一般鑄件，另外加上其它字母來表示種類，隨後之標示

與鋼的編號相同，如表 1 所示。例如:GS-C30 為鑄鋼，含碳量 0.30％ G-X120Mn12表示含碳量 1.20％的鑄鐵，含錳量 12％。

表 1 德國工業標準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

1-4 材料的選用

1-4-1 材料選擇的根據

材料的種類繁多，而且性質互異，因此無論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨後即將討論的非金屬材料自然都有不同的應用場合。一項產品在選用材料時，會因使用場合(例如：強度的要求、環境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由於結構的不同，也有其適當的用途，因此如何使材料的應用能適材適所，就是材料選用的最大準則。本章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素，並舉實例具體說明。

(一)材料的規格要符合使用的需求選擇材料最基本的考慮，就在滿足產品的特性及要求，例如﹕抗拉強度、切

削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿足使用的需求，但是如果選擇具有正字標記或符合國家標準的材料，例如：我國的 CNS 日本的 JIS 美國的 ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國的 DIN 等，由於其化學成分及機械性質都經過試驗，有一定的保證，因此品質將更有保障。(二)材料的價格要合理

價格是選擇材料的另一個重要因素。因為優秀的材料如果價格高昂，產品的成本勢必提高，競爭力就會降低。因此如果材料不是唯一的選擇，那麼價格合理的同級材料或以開發新產品替代都是不錯的解決方案。

(三)材料的品質要一致

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產品如果是單一的就不必考慮一致性的問題，但是如果是屬於大量生產的東西，材料的供應就必須穩定而且品質一定才行，否則因產品不良造成退貨或是賠償，無論是金錢及信譽的損失可能都將難以彌補，因此在選擇材料供應之初，材料品質的一致和來源的穩定性也是重要的考慮因素。 

1-4-2 鋼鐵材料的選用

 

以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由於在機械上使用廣泛，因此必須針對其特性考量。鋼鐵材料的選用，常遭遇的還有三個問題：(一)使用碳鋼或合金鋼(二)局部或全部淬火(三)用鑄造品或鍛造品。

碳鋼的價錢便宜，但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負荷則關係局部或全部淬火，負荷大的零件以全部淬火為宜，表面淬火則可承受耐疲勞及磨耗的場合。鍛造與鑄造在製造一直是競爭不止，傳統的鑄造品雖可以製造複雜或有內

孔的零件，但被認為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強韌，但鑄造技術及材料的進步，己可以達到均質、強韌，加以鑄造有一次成型的優點，因此目前鑄件佔較有利的趨勢。

1-4-3 應用實例

(一)引擎材料的選用機械產生動力來自於引擎，常見的引擎如：空壓機、汽機車、電機原動力廠等。引擎各部份零件承受不同的負荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進排氣閥加以說明。

1. 1.   汽缸體汽缸由於形狀複雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由於要求

良好強度大、耐磨、耐蝕、導熱性佳、膨脹係數低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇，唯一問題是比重稍大。如果需要輕量化，使動力提高，就可以考慮鋁合金。唯鋁合金的磨耗性較差，這一點也要考慮。

2. 2.   曲柄軸

雖然曲柄軸的形狀也很複雜，不過也並不是非用鑄造不可，曲柄軸的受力很大，因此鍛造鋼品是傳統上的選擇，不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發展，使得鑄造品在中小型汽車上也佔一席之地。

如果使用鍛鋼，必須考慮硬化能的問題，因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼 SAE 1035 及 SAE 1050。

3. 3.   進排氣閥進排氣門最重要的是耐高溫和耐腐蝕，尤其是排氣閥的工作溫度，往往

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700℃以上，而且必須 承受燃料燃燒後產生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此採用耐熱鋼是最初的考慮，其後陸續有使用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)

者。(二)材料的取代和新材料的選用

由於材料的改良和新材料的不斷發展，許多製品原來使用的材料，可以替代而性能更佳，價格更便宜。以日常應用來說，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其後因為腐蝕問題而改用不銹鋼，至今更因為鈦的輕量化、高強度比且耐蝕而再度取代。

近年來由於航太工業，輕量及高強度的要求，因此在機件上鈦的使用也很廣，而外裝上，複合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強化塑膠)則大量的應用。另外，為了極高速航具和太空梭的需要，工程陶瓷應用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。

摘要1．規格(Specification)是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據為了增進效率及提供產品零件的互換性，必須制定的規格，以作為生產者及使用者依循的規範。

2．在工業上，鋼鐵材料必依其化學成份，使用一定的編號以利於選用。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。

3．CNS 之鋼鐵材料的編號，主要由下列三部分組成：第一部分為材質，鐵以 F表示，鋼以 S表示。第二部分表示標準名稱或是製品用途或主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)。

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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，常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。

4．AISI 和 SAE 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。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。

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×××

5．材料選擇的考慮因素主要有：

(一)材料的規格要符合使用的需求

(二)材料的價格要合理

(三)材料的品質要一致

學習心得報告

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學後評量一、選擇題1.CNS 是指 (A)中國國家標準(B)美國國家標準(C)德國國家標準(D)日本國家標準2.JIS 是指 (A)中國國家標準(B)美國國家標準(C)德國國家標準(D)日本國家標準。3.CNS 材料符號中，碳鋼 S 30 C 是表示含碳量多少 ? (A)30% (B)3% (C)0.3%

(D)0.03% 。4.SAE2350 的鋼含碳量約為 (A)0.23% (B)0.3% (C)0.50% (D)5.0% 。5.S31C 代表此材料 (A) 含碳量為 0.31% (B) 硬度為 3l HRC (C) 抗拉強度為 31

kg/mm2 (D)抗拉強度為 3.1kg/mm2 。

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6.SAE 的編號，首位數字代表什麼? (A)鋼的種類 (B)合金元素的含量 (C)含碳量 (D)抗拉強度。

7.CNS 的鋼鐵材料編號，其中表示鐵以外之主要元素符號標註在 (A)第一部分 (B)第二部分 (C)第三部分 (D)第四和第五部分。

8.依據 SAE 鋼鐵規格之編號 SAE2320 是 (A) 鎳鋼(B) 鉻鋼(C) 鎢鋼(D) 鎳鉻鋼。9.關於 SAE 4340 的鋼，下列敘述何者不正確？ (A) 含鉻量 4.3% (B)含碳量

0.4% (C)美國汽車工程師學會編號 (D)是一種結構用鋼料 。10.SAE2340 的鋼含碳量約為 (A) 0.23 % (B) 2.3% (C) 0.4% (D) 4.0%。11.S8C表示含碳量為 (A) 8 % (B) 0.8 % (C) 0.08% (D) 0.008%。12.SK2 是一種(A)合金工具鋼(B)不銹鋼(C)彈簧鋼(D)高碳鋼13.表示煉鋼法時，指轉爐法煉製的為(A)B法 (B)O法 (C)L法 (D)E法。14.SNCM625 為一種(A)鉻錳氮化鋼 (B)鎳鉻鉬鋼 (C)鎳錳碳鋼 (D)氮碳錳鋼。15.SAE 1040 是代表 (A) 低碳鋼(B) 中碳鋼(C) 高碳鋼(D) 鑄鐵。16.SAE 4025表示 (A) 碳鋼(B) 鉬鋼(C) 鉻鋼。(D) 鎢鋼17.SAE 1325表示 (A) 碳鋼(B) 鎳鋼(C) 錳鋼(D) 易切鋼。18.SAE ll20表示 (A) 碳鋼(B) 鎳鋼(C) 錳鋼(D) 易切鋼。19.JIS SK5表示材料為 (A)工具鋼 (B)高碳鋼 (C)高速鋼 (D)鎢鋼。20.JIS PBC2 為 (A)青銅 (B)板狀青銅 (C)磷青銅 (D)黃銅。 

二、填充題l．CNS S40C 表示 鋼，含碳量 。2.第二種鎳鋼，含碳量 0.17 %，由電爐法製造，在 CNS 中之編號為 。3. JIS規格編號 SS41B-D1 ，SS41B表示 ，D1表示 。4.中國國家標準( CNS) 之鋼鐵材料編號分三部份，其中第一部分以 表示鐵以 表示鋼 。5.CNS規格的編號，不銹鋼以 表示，彈簧鋼以 表示。6.美國機械工程師協會簡稱 美國材料試驗協會簡稱 。7.車刀用高速鋼，CNS規格的編號以 表示，SAE規格以 表示。8 以平爐煉鋼法提煉，含碳量 0.9﹪的工具鋼，在 CNS 中之編號為 表示。 9.JIS SKD11，K表示 。10.AISI H13，H表示 。

三、問答題1. 說明下列規格所代表的意義。

(a) CNS (b)SAE (c)JIS (d)AISI (e)DIN

2. CNS 的鋼料符號，若需註明煉鋼法時如何表示?

3.說明下列CNS 之鋼鐵符號，代表的材料種類。(a)Fsi (b)SB (c) SPCC (d)SPHC (e)SNCM (f)SK

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4.說明以下 JIS 材料編號所代表的意義。(a)SKS21 (b)SS41 (c)SKH53 (d)SUS 304 TP (e)SKD61 (f)STB 35-S-H

5.說明以下 SAE-AISI 材料編號所代表的意義。(a)1045 (b)1330 (c)2514 (d)5125 (e)6120 (f)9330

6.下列產品及機械元件，試分析它使用的材料和製造的方法，並考慮可以替代的材料有那些？(a)引擎蓋 (b)車床主軸 (c)板手

附錄

中國鋼号表示方法

中國鋼號表示方法概述

鋼的牌號簡稱鋼號，是對每一種具體鋼產品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。我國的鋼號表示方法，根據國家標準《鋼鐵產品牌號表示方法》（GB221-79）中規定，採用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合 的方法表示。即︰ 鋼號中 化 學 元 素採用國際化 學符號表示，例如Si,Mn,Cr……等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。產品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般採用漢語拼音的縮寫字母表示，見表。鋼中主要化學元素含量（%）採用阿拉伯數字表示。

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1．碳素結構鋼

由 Q+數字+質量等級符號+脫氧方法符號組成。它的鋼號冠以“Q”，代表鋼材的屈服點，后面的數字表示屈服點數值，單位是 MPa例如 Q235表示屈服點（σs）為 235 MPa 的碳素架構鋼。必要時鋼號后面可標出表示質量等級和脫氧方法的符號。質量等級符號分別為 A、B、C、D。脫氧方法符號︰F表示沸騰鋼；b表示半鎮靜鋼︰Z表示鎮靜鋼；TZ表示特殊鎮靜鋼，鎮靜鋼可不標符號，即Z 和 TZ都可不標。例如 Q235-AF表示A 級沸騰鋼。專門用途的碳素鋼，例如橋樑鋼、船用鋼等，基本上採用碳素架構鋼的表示方法，但在鋼號最後附加表示用途的字母。

2．優質碳素結構鋼

鋼號開頭的兩位數字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為 0.45%的鋼，鋼號為“45”，它不是順序號，所以不能讀成 45

號鋼。錳含量較高的優質碳素架構鋼，應將錳元素標出，例如 50Mn。沸騰鋼、半鎮靜鋼及專門用途的優質碳素架構鋼應在鋼號最後特別標出，例如平均碳含量為 0.1%的半鎮靜鋼，其鋼號為 10b。

3．碳素工具鋼

鋼號冠以“T”，以免與其他鋼類相混。鋼號中的數字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。例如“T8”表示平均碳含量為 0.8%。錳含量較高者，在鋼號最後標出“Mn”，例如“T8Mn”。高級優質碳素工具鋼的磷、硫含量，比一 般 優 質 碳 素 工 具 鋼 低 ， 在 鋼號最後加注字母“A”， 以示區別 ，例如“T8MnA”。

4．易切削鋼

鋼號冠以“Y”，以區別于優質碳素架構鋼。字母“Y”后的數字表示碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為 0.3%的易切削鋼，其鋼號為“Y30”。錳含量較高者，亦在鋼號后標出“Mn”，例如“Y40Mn”。

5．合金結構鋼

鋼號開頭的兩位數字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，如40Cr。鋼中主要合金元素，除個別微合金元素外，一般以百分之幾表示。當平均合金含量〈1.5%時，鋼號中一般只標出元素符號，而不標明含量，但在特殊情況下易致混淆者， 在 元 素符號后亦可標以數字“ 1” ，例如 鋼號“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者鉻含量為 0.4-0.6%，后者為 0.9-

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1.2%，其餘成分全部相同。當合金元素平均含量≧1.5%、≧2.5%、≧3.5%

……時，在元素符號后面應標明含量，可相應表示為 2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。鋼中的釩 V、鈦 Ti、鋁AL、硼 B、稀土 RE 等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應在鋼號中標出。例如 20MnVB 鋼中。釩為0.07-0.12%，硼為 0.001-0.005%。高級優質鋼應在鋼號最後加“A”，以區別于一般優質鋼。專門用途的合金架構鋼，鋼號冠以（或后綴）代表該鋼種用途的符號。例如鉚螺專用的 30CrMnSi 鋼，鋼號表示為 ML30CrMnSi。

6．低合金高強度鋼

鋼號的表示方法，基本上和合金架構鋼相同。對專業用低合金高強度鋼，應在鋼號最後標明。例如 16Mn 鋼，用于橋樑的專用鋼種為“16Mnq”，汽車大梁的專用鋼種為“16MnL”，壓力容器的專用鋼種為“16MnR”。

7．彈簧鋼

彈簧鋼按化學成分可分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類，其鋼號表示方法，前者基本上與優質碳素架構鋼相同，后者基本上與合金結鋼相同。

8．滾動軸承鋼

鋼號冠以字母“G”，表示滾動軸承鋼類。高碳鉻軸承鋼鋼號的碳含量不標出鉻含量以千分之幾表示例如 GCr15。滲碳軸承鋼的鋼號表示方法，基本上和合金架構鋼相同。

9．合金工具鋼和高速工具鋼

合金工具鋼鋼號的平均碳含量≧1.0%時，不標出碳含量；當平均碳含量〈1.0%時，以千分之幾表示。例如 Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。鋼中合金元素含量的表示方法，基本上與合金架構鋼相同。但對鉻含量較低的合金工具鋼鋼號，其鉻含量以千分之幾表示，並在表示含量的數字前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之幾表示的方法區別開來。例如 Cr06。

高速工具鋼的鋼號一般不標出碳含量，只標出各種合金元素平均含量的百分之幾。例如鎢系高速鋼的鋼號表示為“W18Cr4V”。鋼號冠以字母“C”者，表示其碳含量高于未冠“C”的通用鋼號。

10．不鏽鋼和耐熱鋼

鋼號中碳含量以千分之幾表示。例如“2Cr13”鋼的平均碳含量為 0.2%；

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若鋼中含碳量≦0.03%或≦0.08%者,鋼號前分別冠以“00”及“0”表示之，例如 00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9 等。對鋼中主要合金元素以百分之幾表示，而鈦、鈮、鋯、氮……等則按上述合金架構鋼對微合金元素的表示方法標出。

11．焊條鋼

它的鋼號前冠以字母“H”，以區別于其他鋼類。例如不鏽鋼焊絲為“H2Cr13”，可以區別于不鏽鋼“2Cr13”。

12．電工用矽鋼

鋼號由字母和數字組成。鋼號頭部字母DR表示電工用熱軋矽鋼，DW表示電工用冷軋無取向矽鋼，DQ表示電工用冷軋取向矽鋼。字母之后的數字表示鐵損值（W/kg）的 100倍。鋼號尾部加字母“G”者，表示在高頻率下檢驗的；未加“G”者，表示在頻率為 50周波下檢驗的。例如鋼號DW470表示電工用冷軋無取向矽鋼產品在 50赫頻率時的最大單位重量鐵損值為 4.7W/kg。

13．電工用純鐵

它的牌號由字母“DT”和數字組成，“DT”表示電工用純鐵，數字表示不同牌號的順序號，例如 DT3。在數字后面所加的字母表示電磁性能︰A─高級 、E─特級、C─超級，例如 DT8A。

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