钢铁材料规格和选用统一标准基础手册.doc

机械材料规格及选用
学习目
1.理解机械材料规格意义。
2.理解惯用机械材料规格。
3.理解各种规格编号意义。
4.能选取恰当金属材料。

1-1前言

规格(Specification)是产品需求论述，也是资料技术沟通根据。为了适合某一种特别用途，生产者固然必要促使产品可以符合需要，这样就有规范存在必要。而随着工业化限度提高及国际间贸易往来趋势，产品流通愈来愈频繁，为了增进效率及提供产品零件互换性，工业规格订定更是必然成果。在机械材料范畴方面，同样必要有一定规格，以作为生产者及使用者依循规范。
完备规格应具备如下数据论述:
1.合用范畴(Scope):涉及用途(如：板、线、管)，合用尺寸等。
2.化学成分(Chemical Composition):涉及各项成分元素含量范畴或成分代号。
3.定性论述(Quality Statement):指质量方面，例如炼钢方式或脱氧状况。
4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化学成分范畴、物理及机械性质需求，以适应使用上经济理由。
5.其他需求(Other Requirment):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发展而有不同工业规格，例如：美国ANS(美国国标)、日本JIS(日本工业原则)、德国DIN(德国工业原则)等。而在针对机械材料规格方面，惯用还涉及ASTM(美国材料实验协会)、AISI(美国钢铁协会)、SAE(美国汽车协会)等，而国内重要则根据CNS(中华人民共和国国标)订定。
材料选取及应用是学习材料规格重要目，因此本章最后举例阐明，如何在产品需求及有关考虑之下，选取恰当材料。
1-2材料规格

一种机械材料规格最重要可以由：材料种类、成分和机械性质来阐明。而为了原则化起见，材料必要经由一套严谨实验规范，保证其可靠度。世界各国均有其材料实验原则程序，国内也不例外，例如：CNS关于材料实验部份，其中「钢料之检查通则」(CNS2608,G)规定：
本原则重要内容涉及：合用范畴、检查及重验三某些
合用范畴：本原则合用于钢料之普通检查
检查部份：阐明化学成分实验和机械性质实验试片取样及检查
原则办法
重验部份：阐明规格部份不合规定试片，必要经由复验鉴定
合格及不合格。
又如「非铁金属材料之检查通则」(CNS4195,H2045)中规定：
本原则重要内容涉及：合用范畴、检查及重验三某些
合用范畴：本原则规定非铁金属材料检查普通事项
检查部份：规定关于外观、尺度、化学成分实验和机械性质实验
试片取样及实验事项
重验部份：阐明实验成果如部份规格与规定不合，必要经由重验
鉴定合格及不合格。
1-3惯用材料编号

普通材料化学成分与机械性质是息息有关，因而惯用材料编号大多是以化学成分命名为主，再辅以机械性质(如第七章某些材料规格论述)。由于材料范畴很广，因而本章内容，重要以钢铁材料编号为主，此外辅以某些非铁金属及非金属材料来做阐明。
在工业上，钢铁材料(涉及碳钢在内)必依其化学成分，使用一定编号以利于选用，这是基本结识。当前，在国内较惯用规格有三种：中华人民共和国国标(CNS)、日本工业原则(JIS)、美国钢铁学会－美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。此外德国工业原则(DIN)和美国统一原则编号(UNS)有关业界有时也会采用。而其他尚有常用各国规格名称。
1．中华人民共和国国标(CNS)
（1）钢铁规格
中华人民共和国国标CNS是Chinese National Standard简写，CNS对钢铁材料编号重要根据CNS 109 G1001(发布：民国36年3月，修订：民国85年3月)原则上由下列三某些构成：
第一某些为材质，钢铁材料大某些以S(Steel钢)或F(Ferrum铁)
表达。
第二某些有两种不同表达法；
a．表达原则名称或是制品用途。惯用有－P：Plate(薄板) 、T：Tube(管) 、U：Use(特殊用途)
W：Wire(线材) F：Forging(锻造) C：Casting(锻造)
例：S P CC：Plate，钢板(冷轧)。
S UP：Use Spring，弹簧用钢
b．用于构造钢料(涉及构造用碳钢及合金钢)，代表重要合金元素或含碳量(构造用碳钢时)，表达含碳量时，普通以含碳量之100倍数值表达，
例：SCM420：铬钼钢，第420种
S25C：碳钢，含碳量0.25％。
第三某些为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表达最小抗拉强度或最小降伏强度，普通以三位数字表达。
例：SCM 420 表达铬钼钢中编号420材料
STB 340 表达锅炉及热互换器用钢，抗拉强度不
低于340 N/mm2。
以与合金量之表达法有所区别。惯用于建筑构造用等不须规定含碳量钢料场合。

注：机械构造用钢料符号
机械构造用钢料使用很广，因而CNS 2608 G特别在附录2中阐明合用范畴及其符号所代表意义：
合用范畴：机械构造用碳钢钢料及构造用合金钢钢料种类符号之构成。
a．符号顺序为钢之重要合金元素、重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构成，
第一群—为钢料为改进其性质(例如切削性)所添加特殊元素
（例）改进切削性之添加元素

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—为钢料除化学成分之外保证特性
（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）
S 30 C：碳钢，含碳量0.30﹪
S 20 C 4：碳钢，含碳量0.20﹪第四种构造用碳钢
S(55)C：普通构造用碳钢，最小抗拉强度55kg/mm2
S85WMo(HS)：含碳量0.85﹪钨钼高速钢
OS90C(T)：以平炉炼钢法提炼，含碳量0.9﹪工具钢
b．碳含量代表值。
（2）铝及铝合金规格
铝及铝合金之种类及符号系依CNS 2068 H3021之规定，合用范畴为锻铝、锻铝合金(如下简称锻铝合金)及铸铝、铸铝合金(如下简称铸铝合金)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、热解决等条件之差别所获得机械性质之区别”。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。
锻铝合金编号及化学成分。
2．日本工业原则(JIS)
JIS是Japanese Industral Standard 简称，JIS对于钢铁材料编号大体可分两大类：
（1）普通机械构造用碳钢：
其材料编号办法和CNS第一种表达法相似。
（例）S30C表达含碳量0.30﹪机械构造用碳钢
（2）其他用途碳钢及合金钢：
这一类钢材料编号表达法，大体可分三某些：
第一某些为材质，钢以S、铁以F表达，其他非铁类如表11- 。
第二某些表达钢制品规格或用途，例如：K代表工具钢、TB代
表锅炉用钢管、PC2代表冷轧钢板。
第三某些为为钢料种别，以1,2,3来表达。
此外如果需要，可将材料加工办法、热解决方式等附注于后，加工办法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)车削、Ex(Extruded)挤制。热解决办法大多记于金属符号之后，并在两者之间加入"-"
（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．惯用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分类，以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中
第一位数，表达钢料种类，如：镍钢为2、钨钢为7。
第二位数，为重要合金元素百分值；0表达无其他合金元素。
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碳钢，与CNS中S45C钢料相称。
SAE4140：含碳量0.40铬钼钢，与JIS中SCM4钢料相称。

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是非常广泛被采用材料规范，它特色重要是针对产品特性及体现而定。ASTM表达法是以以字母+代号表达，再辅以年代之混合标示，ASME则采用了相称多ASTM规范，并此前置S表达。
ASTM表达法:

首位字母
表 示 意 义
A
钢铁类
B
非铁金属类
C
普通测试法

例如：ASTM A36-77a 其中A 36 - 77 a
分别表达 (钢铁)(构造用)(1977年)(第一次修订)
又如：ASTM E8 代表拉伸实验规范
ASME表达法：
例如：ASME SA213 = ASTM A213
而同一编号又可依化学成分(Grade)加工方式(Type)成品型态(Class)来区别。Grade重要论述其化学性质，Type指脱氧状况，
Class:指某些其他性质。如：强度、表面光度等。
（3）美国统一编号系统 UNS
UNS是Unified Numbering System 简称，在1974年为ASTM及SAE 联合制定，UNS 自身只是一种编号，而非规格，它将金属分为17个系列编号并与原有体系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、参照意义，因而而称统一编号系统。
4．德国工业原则(DIN)
DIN并不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm缩写，德国工业原则中钢铁材料规格是在DIN 17006，补充阐明在DIN 17007，1974年改为 ISO制，以 EURONORM 27-74代替。以英文字母和数字来论述其特性，字母规定钢铁种类、冶炼办法、合金材料、解决状况等、数字则规定钢铁材料、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。
（1）碳钢
普通以碳元素标记及其含碳量表达，如 C60 表达含0.6％C碳钢。此外也有抗拉强度及其他表达法，例如:St50 表达抗拉强度50kg/mm2之构造用碳钢，CK40表达含磷、硫量甚低之碳钢，抗拉强度为40kg/mm2。
（2）高档钢料及低合金钢
以其重要合金元素和含量为标记，但在其中第三某些含量，为避免小数点浮现，表达值都己经乘上固定倍数，而以整数型态呈现，因此由编号求取实际含量时必要再除以倍数。
第一某些:含碳量
第二某些:合金元素种类
第三某些: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％钢材，表达为34Cr4
依此 13CrV53 即表达含碳量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，因而不乘以倍数而直接表达。(如前述，高合金钢普通是指合金总含量在8％以上钢料)
例如:含碳量0.12％不锈钢，含铬量18％含镍量8％，表达为
X12CrNi18 8
同理 X10CrNi1810 即表达含碳量0.10％高合金钢，含铬量18
％ 含镍量10。

如果要进一步标示其特性，可以在其记号先后加上英文字母表达
例如： M A St42 6 N
(1)(2) (3) (4)(5)
其中除(3)为主标记外，(1)(2)(4)(5)分别表达:熔炼方式、产品特性、保证性能类别、热解决状况等。
（4）铸铁、铸钢
此前置标记G代表普通铸件，此外加上其他字母来表达种类，随后之标示与钢编号相似，如表1所示。
例如:GS-C30为铸钢，含碳量0.30％
G-X120Mn12表达含碳量1.20％铸铁，含锰量12％。

表1 德国工业原则DIN 之铸铁分类

GS = 铸钢

GG = 普通灰铸铁

GGL = 片状石墨铸铁

GGG = 球状石墨铸铁

GT = 普通展性铸铁

GTS = 展性灰铸铁

GTW = 展性白铸铁
1-4材料选用

1-4-1 材料选取依照

材料种类繁多，并且性质互异，因而无论铁金属和非铁金属材料，或者随后即将讨论非金属材料自然均有不同应用场合。一项产品在选用材料时，会因使用场合(例如：强度规定、环境因素、成本考虑等)而不同，而各种材料由于构造不同，也有其恰当用途，因而如何使材料应用能适材适所，就是材料选用最大准则。本章将提出材料选取几种重要考虑因素，并举实例详细阐明。
(一)材料规格要符合使用需求
选取材料最基本考虑，就在满足产品特性及规定，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需求，但是如果选取具备正字标记或符合国标材料，例如：国内CNS 日本JIS 美国ASTM、SAE、AISI、UNS 德国DIN等，由于其化学成分及机械性质都通过实验，有一定保证，因而质量将更有保障。
(二)材料价格要合理
价格是选取材料另一种重要因素。由于先进材料如果价格高昂，产品成本势必提高，竞争力就会减少。因而如果材料不是唯一选取，那么价格合理同级材料或以开发新产品代替都是不错解决方案。
(三)材料质量要一致
产品如果是单一就不必考虑一致性问题，但是如果是属于大量生产东西，材料供应就必要稳定并且质量一定才行，否则因产品不良导致退货或是补偿，无论是金钱及信誉损失也许都将难以弥补，因而在选取材料供应之初，材料质量一致和来源稳定性也是重要考虑因素。

1-4-2 钢铁材料选用

以上提到是材料选用原则。而钢铁材料由于在机械上使用广泛，因而必要针对其特性考虑。钢铁材料选用，常遭遇尚有三个问题：(一)使用碳钢或合金钢(二)局部或所有淬火(三)用锻造品或锻造品。
碳钢价钱便宜，但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受负荷则关系局部或所有淬火，负荷大零件以所有淬火为宜，表面淬火则可承受耐疲劳及磨耗场合。
锻造与锻造在制造始终是竞争不止，老式锻造品虽可以制造复杂或有内孔零件，但被以为偏析、气孔、韧性差，锻造品则较强韧，但锻造技术及材料进步，己可以达到均质、强韧，加以锻造有一次成型长处，因而当前铸件占较有利趋势。

1-4-3 应用实例

(一)引擎材料选用
机械产生动力来自于引擎，常用引擎如：空压机、汽机车、电机原动力厂等。引擎各部份零件承受不同负荷、温度等工作条件，因而有不同材料选取考虑。如下仅以其中较重要汽缸体、曲柄轴及进排气阀加以阐明。
1. 1.   汽缸体
汽缸由于形状复杂，又有冷却管路，因而只能用锻造方式，汽缸由于规定良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。因而灰铸铁就是较好选取，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。唯铝合金磨耗性较差，这一点也要考虑。
2. 2.   曲柄轴
虽然曲柄轴形状也很复杂，但是也并不是非用锻造不可，曲柄轴受力很大，因而锻造钢品是老式上选取，但是延性铸钢(球墨铸铁)发展，使得锻造品在中小型汽车上也占一席之地。
如果使用锻钢，必要考虑硬化能问题，因而惯用有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035及SAE 1050。
3. 3.   进排气阀
进排气门最重要是耐高温和耐腐蚀，特别是排气阀工作温度，往往700℃以上，并且必要 承受燃料燃烧后产生水气和腐蚀性铅化合物，因而采用耐热钢是最初考虑，其后陆续有使用沃斯田铁系不锈钢或英高镍(Inconel)者。
(二)材料取代和新材料选用
由于材料改良和新材料不断发展，许多制品本来使用材料，可以代替而性能更佳，价格更便宜。以寻常应用来说，例如：二十年前眼镜框，使用白铜或镀层，其后由于腐蚀问题而改用不锈钢，至今更由于钛轻量化、高强度比且耐蚀而再度取代。
近年来由于航天工业，轻量及高强度规定，因而在机件上钛使用也很广，而外装上，复合材料(特别是碳纤维和玻璃纤维强化塑料)则大量应用。此外，为了极高速航具和航天飞机需要，工程陶瓷应用在承受高温某些包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。
摘 要

1．规格(Specification)是产品需求论述，也是数据技术沟通根据为了增进效率及提供产品零件互换性，必要制定规格，以作为生产者及使用者依循规范。
2．在工业上，钢铁材料必依其化学成分，使用一定编号以利于选用。当前，在国内较惯用规格有三种：中华人民共和国国标(CNS)、日本工业原则(JIS)、美国钢铁学会－美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。此外德国工业原则(DIN)和美国统一原则编号(UNS)有关业界有时也会采用。
3．CNS之钢铁材料编号，重要由下列三某些构成：
第一某些为材质，铁以F表达，钢以S表达。
第二某些表达原则名称或是制品用途或重要合金元素或含碳量(构造用碳钢时)。
第三某些为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表达最小抗拉强度或最小降伏强度，普通以三位数字表达，惯用于建筑构造用等不须规定含碳量钢料场合。
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，表达钢料种类。
第二位数，为重要合金元素百分值；0表达无其他合金元素。
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．材料选取考虑因素重要有：(一)材料规格要符合使用需求(二)材料价格要合理(三)材料质量要一致

合金钢及特殊钢
学习目
1.理解合金钢与特殊钢意义。
2.结识合金钢与特殊钢种类。
3.结识工具钢种类和用途。
4.结识耐蚀钢种类和用途。
5.理解其他特殊钢种类和用途。
1-1前言

碳钢具备不错机械性质，能实行热解决，并且在普通用途上都能胜任。但是在某些需求特别场合，使用上碳钢性能仍嫌局限性，例如：需要耐蚀埸合、需要在高温强度、需要更高硬度以做为切削刀具，或是具备疲劳强度等。这些时候就必要有各种不同性质合金钢，例如：不锈钢、耐热钢、工具钢、弹簧钢等，来满足事实上需求。由于这些合金钢材性质和普通钢材并不相似，因而在市面上，许多贩卖合金钢材料地方，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钢料。普通钢合金元素，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，其他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，以达到需要效果，就成为合金钢。例如：微量铬可以使钢具备极佳硬化能，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别。由于任何钢中均含铁、碳两种元素，因而，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，别的依此类推。
如果以合金含量来区别，合金钢中合金元素总含量在6%以上称为高合金钢，合金元素总含量在6%如下称为低合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%~5.5%之间，再细分为中合金钢，而以1.5%如下者为低合金钢，但是这些都是粗略分法，并没有实质意义。
合金钢种类诸多，而其性质重要又由合金元素来决定，因而研究合金钢最有效办法，就必要由理解合金元素对于钢性质影响开始。在合金钢中所添加合金元素，重要有镍Ni、铬 Cr、钨W、钒V、锰Mn、钼Mo、钴Co、硅Si、钛Ti、硼B等。

1-1-1钢中重要合金元素功用

1．铬 Cr
铬在钢中角色多元且重要，它会形成安定而硬碳化物，并且具抗蚀性，其重要作用有：
a．增进钢硬化能和渗碳作用。
b．使钢在高温畤仍具高强度。
c．能增长耐磨耗性。
d．增高钢之淬火温度。
f．能增进钢抗腐蚀性。
2．镍Ni
镍在钢中影响有:
a．增进钢硬化能。
b．能减少热解决时淬火温度，因之在解决时变形小。
c．能增长钢韧性。
d．高镍合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就具有8%左右镍。
3．钨W
钨能耐高温，并且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢强度。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．可以减少淬火时钢之晶粒生长之趋势。
d．钨钢刀具备红热硬度。
e．可增长钢之保磁性，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，并制止沃斯田铁晶粒成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒作用尚有：
a．能提高淬火温度。
b．改进硬化能，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，锰量增长可增长钢之最大强度及硬度。
b．锰有脱氧及脱疏功能，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。
c．锰在钢中含量多，可减少钢之淬火温度。
d．可增进钢之硬化深度，特别在含碳量高之油硬性锰钢为最明显。
6．钼Mo
钼可增长钢之最大强度及硬度，因而在合金钢中也颇为重要。
a．能改进钢在高温之抗拉及潜变强度。
b．在工作红热状况下，能使钢之硬度保持不变。
c．高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。
d．合金钢中加入钼可去除回火脆性。
7．钴Co
钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也也许有不良影响，它具备如下特性：
a．钴可代替镍，如增长强度及耐热等性能。
b．会减少钢硬化能。
c．能提高钢之淬火温度。
d．增长钢之保磁能力，故为制造磁石钢之重要元素。
8．钛Ti
钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其他特性：
a．钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量局部减少，维持其
防蚀能力
b．可以防止合金钢由高温徐冷时脆化现象。
9．铜Cu
合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆，此外
a．铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大
气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。
b．可以增长钢强度，但不适当超过0.2%。
10．铝Al
a．极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。
b．能抑制晶粒成长。
c．是氮化用钢重要元素。
11．硫S
硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其成果：
a．会增长钢热脆性
b．硫含量0.2%以上，就会严重影响钢强度和韧性
c．硫可使钢强度减少，因而有助于钢切削，但除了易切钢之外，很少运用。
12．硅Si
硅在钢中其作用如下 :
a．硅能增长钢之电磁传导率，故适于制造电气材料。
b．硅会加速钢之结晶生长变粗，因而含量约在0.05~0.30%。
c．硅能增高淬火温度。
d．会阻碍碳元素溶于钢中。
e．对于炭量较高之钢，硅多则增长脆性，
f．增长耐热钢氧化性，可用为脱酸性。
综合各种合金元素对于碳钢影响，而选取添加合金元素时必要考虑元素特性及应用场合需要，适材适所才是最重要，如果不暸解特性贸然选取，不但也许增长成本，效果也也许适得其反。

1-1-2 合金钢分类

合金钢因其添加元素和量不同而特性迥异，就用途来区别，合金钢大体可以分为普通构造用合金钢和特殊钢。构造用合金钢是使用于普通机械构成组件或土木建筑等构造，普遍来说其合金量较低，而特殊钢大多是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别场合，大多是属于高合金量，如表1所示。
(一)构造用合金钢：
(a)非热解决型：大体是低合金量，涉及高强度低合金钢及易切钢。
(b)热解决型：大体是中合金量，含合金总量稍高，约在1.5%~5.5%
之间，经热解决后可以大幅提高强度，通惯用于不需焊接场合
强韧机件，称为热解决用中合金钢(或强韧钢) 。
(c)表面硬化钢
(二)特殊钢：
(a)合金工具钢：
(b)耐蚀钢：
(c)其他用途特殊钢：涉及耐热钢、轴承钢、弹簧钢、电气用钢、磁
石钢、超高强度钢等。
表1 合金钢用途

分 类
钢 种
重要合金
用 途
构
造
用
合
金
钢
高强度低合金钢
低Mn、低Si-Mn
汽车车身、构造用机件、船体
热解决用中合金钢(强韧钢)
Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo
曲柄轴、螺栓、齿轮、大型轴
表面
硬化
钢
渗 碳 钢
Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo
齿轮、汽车工业变速箱、差速器
氮 化 钢
Al-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、
汽缸套、车床主轴、铣床零件
特

殊

钢
工
具
钢
切削用钢
W、Cr-W、Cr-Mn
牙攻、车刀、铣刀
耐冲击用钢
Cr-W、Cr-W-V
冲头、铆钉具
耐磨用钢
高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V
号规、拉线模、整缘模具
热加工用钢
Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr
热辊轧模、压铸模
耐蚀钢
不 锈 钢
Cr、Cr-Ni
餐具、外科刀具
耐 酸 钢
Ni、Cr-Ni、高Si
化学工业
耐热钢
Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al
进气阀、排气阀、轮机叶片
弹簧钢
Si-Mn、Si-Cr、Cr-V
车辆、钟表及各式弹簧
轴承钢
高C高Cr、高C-Cr-Mn
球轴承、滚轴承等非摩擦式轴承
电气用钢
非磁性钢
(避磁钢)
Ni、Cr-Ni、Cr-Mn
输配线支撑、罗盘外壳
磁性钢
Si(硅钢)
变压器铁心
磁石钢
Cr、W、Cr-W-Co
永久磁铁
超高强度钢
高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co
钢梁、飞机骨架

1-2构造用合金钢

构造用合金钢是指使用在构成机械零件或建筑土木等各项工程构造上钢料，例如：大型机械轴、压力容器、高层建筑、桥梁钢架或高强度螺栓、齿轮等。这些场合所需要材料特性为：较高抗拉强度、伸长率、冲击值、疲劳限度等，同步也需要具备良好锻造、锻制、切削或焊接能力，以符合应用上需要。
实用上，构造用合金钢由于使用场合不同，普通区别为非热解决型和热解决型两类，前者大多是属于低含碳量和低合金量，构成之后也无法再实行热解决，大多用于车架或车箱、火车及船体，它涉及高强度低合金钢、易切钢等。后者多属于热解决用中合金钢，大多用于机械组件例如：曲柄轴、高强度螺栓等，其中加入合金元素，重要是可以增进钢硬化能及减少质量效果，而经由热解决则可以得到更强韧机械性质，此类钢料涉及镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。

1-2-1高强度合金钢(HSLA Steel)

高强度低合金钢重要是代替在构造上使用低碳钢，由于工程构造上使用钢料大多需要焊接，如果使用高碳钢，容易使焊道在焊接冷却时产生淬火脆化麻田散铁组织，因而为避免材料因热影响而转劣，必要使用较低含碳量但强度较高材料，高强度低合金钢就是一此规定而发展出来。
这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中，特别是在低碳钢中占绝大某些肥粒铁基地，使之强化而变化钢机械性质，增进其机械强度。由于大型构造物焊接完毕之后都难以热解决，因此在正常化或是轧延状态就要有高强度，也就是以固溶方式在制造材料时就已完毕强化。
高强度低合金钢种类诸多，普通抗拉强度必要在50kg/mm2以上，高强度低合金钢分类普通是以机械性质如：抗拉强度、降伏强度、延伸率等区别，而不是以成分来区别。添加元素为以Mn、Si、Nb、V、N影响较大，Co、Cr影响较小。高强度低合金钢由于强度高出普通碳钢甚多，因而对于同样负荷而言，可以使用较小断面，因而整体重量也可以减轻。
使HSLA钢之强度增强办法，除了加入少量合金元素，在轧钢厂中经由特殊轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性HSLA钢除了特有合金元素外，此外还加入有稀土金属元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如：Co、V、Ti也有效果。制程方面，也可由减少加工硬化速度或减少相应变速度、微化晶粒等来改进加工成形性。
加工成形性需求，重要是为了适应诸如：汽车、船舶等构导致形需要。初期HSLA钢在耐蚀性体现甚佳，但是为了改进加工成形性，因而必要牺牲某些防蚀能力，以换取较佳成形性，又由于HSLA 钢所做成机件比由普通碳钢所做成机件更薄，因而一旦生锈，氧化锈层会使HSLA钢能承受荷重断面大受影响。因而需加入像Cu 等能改进大气耐蚀性元素进行，但由于会增长成本，因而日后作法，是在HSLA钢之表面镀锌或其他防锈表面解决，以增长其耐蚀性。
HSLA钢在汽车工业应用上，它不但可以取代老式普通低碳钢，也更可以使用较薄断面而不致于减少强度、耐蚀性及抗拉强度，当前小汽车所使用高张力钢板就属于HSLA钢，其厚度约在0.6mm或更厚。其他如：货车、营建机械和其他重吨位车辆皆可使用HSLA钢薄板或厚板来做车架或车体构件。用于这些用途HSLA之钢板原大体为1.5mm或更厚。构造用HSLA钢，且可用于沿海之钻油机、电力输送机、火车及船体。

1-2-2易切钢(Free-machining steel)

易切钢是为了改进切削性和切削加工表面而发展一种钢料，重要使用于在强度较低小型零件。由于经济及迅速切削需求，加上自动切削机械发展，因而在不特别规定强度小型零件，就可以采用此种钢来制造。
改进钢切削性办法有：在钢中加入合金元素，以弛力退火减少残留应力或调节显微组织性质等，而易切钢重要就是在钢中添加磷、硫、铅等合金元素办法。加硫0.1~0.25%易切钢称为硫易切钢，加铅0.1~0.3%易切钢称为铅易切钢。
由于加硫可以与钢中锰形成MnS，使得切屑变小且没有黏滞性，因而可以改良切削性，添加磷可以使钢质变脆，可以增长切削加工面光滑度，加铅也可以使切屑变小，并有润滑作用，但由于硫及磷对机械性质有害，因而这种钢料多用在不注重强度螺丝及螺帽等。
此外，如钙Ca、碲Te、硒Se、铋Bi也均有改进切削性功能，Ca易切钢是炼钢时用Ca脱氧，其能形成易切原理与S、P和Pb不同，Ca易切钢是脱氧时生成物，在切削时熔着于切刃边，能产生减少磨擦作用，并且具备保护刀具，增长刀具寿命功能。

1-2-3热解决用合金钢

上一节曾经提到，在肥粒铁基地中加入合金元素，可以改良在正常化状态使用钢之性质，但是如果要更充分发挥这一类合金钢机械性质，以得到更高硬度、强度和韧性，就应当实行淬火及回火解决，只是由于大型构造物可焊性规定和不易实行热解决特性，因而合金元素作用重要是在固溶于肥粒铁，而达到强化目(这样方式称为固溶强化)。
热解决用合金钢大多是应用于机械构成零件，例如：曲柄轴、齿轮、强力螺栓、键、销等，这些组件注重强度，并且接合方式也大多不使用焊接，因而如果能运用热解决，使这一类合金钢形成回火麻田散铁组织而加以应用，就可以得到兼具强、韧效果。热解决用合金钢就是在碳钢中加入合金元素，并且经由热解决而可以得到强韧性质钢料，因而也称为强韧钢。
碳钢如果用于构造上有两个重要缺陷：一是硬化能较差、质量效果大，另一是回火时机械强度减少甚大。
前面提过，硬化能是指淬火后，距离淬火端硬度减少限度。质量效果是指当尺寸较大零件，在淬火时其中心部份得到硬化效果难易限度。质量效果大材料，淬火时中心硬度减少甚快，这样现象在碳钢比较明显。而如果碳钢中加入了特殊元素，恒温变态曲线(S曲线)就会右移，如此在相似冷速下，中心也可以得到相称硬度。因而加入恰当合金元素就可以使钢料容易得到淬火效果，增高硬化能而减少质量效果。
另一方面，某些特殊元素不但可以改进硬化能，发挥淬火效果，在回火解决时也可以减少硬度、强度受到影响，虽然回火到较高温度，也可以得到强度及韧性高组织。
当前咱们已经暸解，在构造用合金钢中加入合金元素目，重要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入元素中，Cr、Mn、Mo效果较大，另一方面是Ni，由于Ni价格较高，因而如果只为减小质量效果或增长硬化能，就不需要添加Ni，而添加价格较低且效果好Mn、Cr、Mo。
合金元素对硬化能影响，大体可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出，硬化能倍数大元素，增长钢硬化能也愈大。许多合金元素如P、Si对于钢硬化能也有协助，但是有其添加限制，因此并不适合。
在钢中添加Si也可以减缓回火软化现象，但是与Cr或Mo比较就可以发现，添加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外，在较高温回火状况下，还会产生二次硬化现象，而使硬度可以再度上升。这种二次硬化现象