机械材料的规格及选用

机械材料的规格及选用学习目的1.了解机械材料规格的意义。2.了解常用的机械材料规格。3.了解各种规格编号的意义。4.能选择适当的金属材料。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):指品质方面，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。ANS(美国国家标准)JIS(日本工业标准)DIN(德国工业标准)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CNS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。1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(如第七章部分材料的规格叙述)说明。(包括碳钢在内)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ChineseNationalCNS对钢铁材料的编号主要依据CNS109G1001(公布：民国36年385年3月原则上由下列三部分组成：第一部分为材质，钢铁材料大部分以钢)或F(Ferrum铁)表示。第二部分有两种不同的表示法；aPPlate(薄板)、T管)、U：Use(特殊用途)W：线材)F：Forging(锻造)C：Casting(铸造)例：SPCC：Plate，钢板(冷轧)。SUP：UseSpring，弹簧用钢b(包括结构用碳钢及合金钢)(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％。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CNS2608G2018特别在附录2中说明适用范围及其2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/mm2S85WMo(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。1xxx~8xxx9xxx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”(大写)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：3（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。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:D(Drawing)G(Grinding)Ex(Extruded)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：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）SAE10450.45CNS中S45C钢料相当。SAE41400.40JIS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)××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)4ASTM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)加工方式成品型态(Class)来区分。Grade主要叙述其化学性质，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是UnifiedNumberingSystem1974年为ASTM及SAE联合制定，UNS17个系列编号并与原有的体系配合，例如：UNSG10XX0=SAE10XX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、冶炼成分倍数等。（1）碳钢C60表示含0.6％C50kg/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、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、、、V105P、S、N、Ce、C100B1000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"(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X10CrNi18100.10％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:MA6N(1)(2)(3)(4)(5)其中除(3)为主标记外，(1)(2)(4)(5):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=一般灰铸铁=片状石墨铸铁=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材料选择的根据例6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，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、CNS日本的JIS美国的ASTM、SAE、AISI、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，因此品质将更有保障。(二)材料的价格要合理以开发新产品替代都是不错的解决方案。(三)材料的品质要一致的稳定性也是重要的考虑因素。1-4-2钢铁材料的选用其特性考量。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。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7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。(SAE4140)或中碳钢SAE1035及SAE1050。3.3.进排气阀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(Ceramic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(CNS)(JIS)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)。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)××Cr(0.7﹪)41××锰钢13××Ni-Cr43××镍钢2×××Ni(1.75﹪)46××0.50﹪Ni20××铬钢5×××81.50﹪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(一)材料的规格要符合使用的需求(二)材料的价格要合理(三)材料的品质要一致合金钢及特殊钢学习目的1.了解合金钢与特殊钢的意义。2.认识合金钢与特殊钢的种类。3.认识工具钢的种类和用途。4.认识耐蚀钢的种类和用途。5.了解其它特殊钢的种类和用途。1-1前言地方，也称为特殊钢材料行。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，.....以使钢具有极佳的硬化能，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。钢，例如：镍钼钢，其余依此类推。9如果以合金含量来区分，合金钢中合金元素的总含量在6%以上称为高合金钢，合金元素总含量在6%以下称为低合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%~5.5%之间的，再细分为中合金钢，而以1.5%以下者为低合金钢，不过这些都是粗略的分法，并没有实质的意义。方法，就必须由了解合金元素对于钢性质的影响开始。在合金钢中所添加的合金元素，主要有镍Ni、铬Cr、钨W、钒V、锰Mn、钼Mo、钴Co、硅Si、钛Ti、硼B等。1-1-1钢中主要合金元素的功用1．铬作用有：a．增进钢的硬化能和渗碳作用。b．使钢在高温畤仍具高强度。c．能增加耐磨耗性。d．增高钢之淬火温度。f．能增进钢的抗腐蚀性。2．镍镍在钢中的影响有:a．增进钢的硬化能。b．能降低热处理时的淬火温度，因之在处理时变形小。c．能增加钢的韧性。d．高镍合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就含有8%左右的镍。3．钨Wa．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．可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。d．钨钢刀具有红热硬度。e．可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。4．钒V力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有：a．能提高淬火温度。b．改善硬化能，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Mn10锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下:a．在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。b．锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。c．锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。d．可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。6．钼Mo钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。a．能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。b．在工作红热情况下，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．钴有以下特性：a．钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。b．会降低钢的硬化能。c．能提高钢之淬火温度。d．增加钢之保磁能力，故为制造磁石钢之主要元素。8．钛Ti钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其它特性：a．钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其防蚀的能力b．可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。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3-4%用。b．可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。10．铝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．是氮化用钢的重要元素。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，其结果：a．会增加钢的热脆性b．硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性c．硫可使钢强度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。1112．硅Si硅在钢中其作用如下:a．硅能增加钢之电磁传导率，故适于制造电气材料。b．硅会加速钢之结晶生长变粗，因此含量约在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，硅多则增加脆性，f．增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。效果也可能适得其反。1-1-2合金钢的分类合金钢因其添加元素和量的不同而特性迥异，就用途来区分，合金钢大致可以分等构造，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、磁性等特别的场合，大多是属于高合金量，如表1所示。(一)构造用合金钢：(a)非热处理型：大致是低合金量，包括高强度低合金钢及易切钢。(b)热处理型：大致是中合金量，含合金总量稍高，约在1.5%~5.5%之间，经热处理后可以大幅提高强度，通常用于不需焊接场合的强韧机件，称为热处理用中合金钢(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)其它用途特殊钢：包括耐热钢、轴承钢、弹簧钢、电气用钢、磁石钢、超高强度钢等。表1合金钢的用途分类钢种主要合金用途构高强度低合金钢低Mn、低Si-Mn汽车车身、构造用机造件、船体用热处理用中合金钢NiCrNi-CrCr-Mo合(强韧钢)Ni-Cr-Mo大型轴金表面渗碳钢Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、齿轮、汽车工业变速钢硬化箱、差速器Ni-Cr-Mo12钢氮化钢Al-Cr、Al-Cr-Mo、汽缸套、车床主轴、Al-Cr-Mo-Ni、铣床零件切削用钢W、Cr-W、Cr-Mn牙攻、车刀、铣刀工具钢耐冲击用钢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、压铸模特殊钢耐蚀钢耐热钢弹簧钢轴承钢不锈钢Cr、Cr-Ni餐具、外科刀具耐酸钢Ni、Cr-Ni、高Si化学工业CrCr-NiSi-CrCr-Al进气阀、排气阀、轮机叶片Si-Mn、Si-Cr、Cr-V车辆、钟表及各式弹簧高C高CrC-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的零件或建筑土木等各项工程结构上的钢料，备良好的铸造、锻制、切削或焊接的能力，以符合应用上的需要。实用上，构造用合金钢由于使用的场合不同，一般区分为非热处理型和热处理型类钢料包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。131-2-1高强度合金钢(HSLASteel)金钢就是一此要求而发展出来。料时就已完成强化。高强度低合金钢的种类很多，一般抗拉强度必须在50kg/mm2以上，高强度低合金区分。添加的元素为以MnSiNbVN影响较大，CoCr的影响较小。高强度低合金钢由于强度高出普通碳钢甚多，因此对于同样的负荷而言，可以使用较小的断面，因而整体重量也可以减轻。使轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性的HSLA钢除了特有的合金元素外，另外还加入有稀土金属元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如:Co、V、Ti也有工成形性。加工成形性的需求，主要是为了适应诸如：汽车、船舶等结构成形的需要。早期HSLA钢在耐蚀性表现甚佳，但是为了改善加工成形性，因而必须牺牲一些防蚀能力，HSLA钢所做成的机件比由普通碳钢所做成的机件更薄，因此一旦生锈，氧化的锈层会使HSLA钢能承受荷重的断面大受影响。因此需加入像CuHSLA钢之表面镀锌或其它防锈的表面处理，以增加其耐蚀性。HSLA钢在汽车工业的应用上，它不但可以取代传统的普通低碳钢，也更可以使就属于HSLA钢，其厚度约在0.6mm或更厚。其它如：货车、营建机械和其它重吨位车辆皆可使用HSLAHSLA之钢板原大致为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-machiningsteel)易切钢是为了改善切削性和切削加工表面而发展的一种钢料，主要使用于在强度别要求强度的小型零件，就可以采用此种钢来制造。改善钢切削性的方法有：在钢中加入合金元素，以弛力退火减少残留应力或调整140.1~0.25%的易切钢称为硫易切钢，加铅0.1~0.3%的易切钢称为铅易切钢。由于加硫可以与钢中的锰形成MnS，使得切屑变小且没有黏滞性，因此可以改良螺丝及螺帽等。CaTeSeBiCa易切钢是炼钢时用Ca脱氧，其能形成易切的原理与S、P和Pb不同，Ca易切钢是脱氧时的生成物，功能。1-2-3热处理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的热处理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒铁，而达到强化的目的(这样的方式称为固溶强化)。质的钢料，因此也称为强韧钢。碳钢如果用于构造上有两个主要的缺点：一是硬化能较差、质量效果大，另一是回火时机械强度降低甚大。前面提过，硬化能是指淬火后，距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺恒温变态曲线(S曲线)就会右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相当的硬度。果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，发挥淬火的效果，在回火处理时也可织。现在我们已经暸解，在构造用合金钢中加入合金元素的目的，主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中，Cr、Mn、Mo的效果较大，其次是Ni，由于的价格较高，因此如果只为减小质量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni添加价格较低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素对硬化能的影响，大致可以由硬化能倍数(multiplyingfactor)看出，硬化15PSi对于钢硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以并不适合。在钢中添加SiCr或Mo加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外，在较高温回火的情况下，还会产生二次硬化的现象，而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象，在钨W、钒V等元素也有类似WV是合金工具钢的重要元素，二次硬化的现象对于工具钢会产生特殊的切削效果，这一部份将在下一节详细说明。热处理用合金钢，因其使用目的的不同，所添加的合金元素和合金含量也不同，()类似，但含量较少，所以效果也不一样。1．钢钢中添加镍可以增加钢的强度，但是在淬火硬度上并没有很大的改善，同时在回已不常用，钢在钢料编号上是属于SAE2XXX系，JIS对镍钢则不作规定。钢中镍的添加量约为3~5%，主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transitiontemp.)，同时也可以作为渗碳用钢。2．钢碳钢中加入1%铬左右，可以增加钢的硬化能和回火软化抵抗性，铬钢一般是由830℃~880℃淬火于油中，再回火于550℃~650℃附近，由于这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性)，所以在回火之后必须冷却于水中或油中以避免产生回火脆性，这类钢的直径如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属于SAE5XXX系，JIS编号为SCrxx。铬钢经热处理淬火、回火后，硬度高、耐磨而且耐冲击，主要的用途有：挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。3．Mo钢MoMo对于回火时软化的抵抗性也很好，因此可以经过高温回火，而得到极佳的强度和韧性。钼钢含Mo量约0.2%~0.3%，另外含有少量Mn等元素，焊接性好，在钢料编号上属于SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型机械零件、螺栓等。4．Ni-Cr钢钢中加铬可以增加硬化能，但是Cr含量在超过1%以上时，效果就不会再增加，能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。Ni-Cr钢的镍含量约1%~3.5%，铬含量约0.5%~1.0%。另外，由于铬及镍加入钢18%8%18-8用的不锈钢。16Ni-Cr钢在钢料编号上属于SAE3XXX及SAE43XX系，JIS编号为SNCXX，在构造用合金钢中，Ni-Cr钢是其中较为常用的，通常用于制造曲柄轴、连杆、齿轮等。5．Cr-Mo钢含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高，而且较不会产生回火脆性，所以是一种用途很广的材料。Cr-Mo钢是在含Cr量1％的钢料中，再添加0.15%~0.30%的Mo，某些场合可以替代Ni-Cr钢，在钢料的编号上是属于SAE41XX系，JIS编号为SCMXX。Cr-Mo钢使用的场合，例如：汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。6．Ni-Cr-Mo钢Ni-Cr-Mo钢是综合Ni、Cr、Mo三种合金元素的优点，其中添加元素分别为0.4%~3.5%Ni0.4%~3.5%Cr0.15%~0.70%MoNi-Cr-Mo钢具有极佳的硬化能，淬火有效直径可以达200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo钢对于回火软化的抵抗性大，又因Mo可以显著改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点，因此能回火至相当的高温，而得到优良的强韧性，所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。Ni-Cr-Mo钢质量效果小，从淬火温度以空气冷却也可以淬硬，因此又称为自硬性钢(selfhardeningsteel)或风硬性钢(airhardeningsteel)850℃~950℃冷却于空气中或淬火于油中，再回火于550℃~650℃，如果含Mo量高，回火后不须急冷。钢也适于大型零件，其钢料编号为SAE8XXX，JIS编号为SNCMXX，用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓，以致于中小型轴或内燃机连杆等。表2碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比较主要成分(%)钢种CNiCrMoMn热处理抗拉强度kg/mm2冲击值kg-m/mm2Brinell硬度碳钢0.40~0.50------0.40~0.85淬火回火>70>8201~269S30NiCrMo2钢0.25~0.352.50~3.572.50~3.500.50~0.700.35~0.60淬火回火>110>8302~3521-3合金工具钢能够使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具工具用钢中，以高碳工具钢的合金量少，价钱比较便宜，高合金量的工具钢或高速钢，价钱则较昂贵。工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性，以其合金成份和构造17CrMo等仍然为基本元素(或是增加其含量)，另外必要时在添加耐高温的W、V及Co等。工具钢是属于高级钢料，因此必须是由全静钢锭制造，同时要特别要求合金元素用热处理以达到材料的最佳性质，因此尺寸要求精密的机件，必须先实施半加工成形(semifinished)，经热处理，再完成加工(finished)。1-3-1高碳工具钢高碳工具钢的成份为含碳量0.6%~1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化水中，因此属于水硬性钢，其缺点则是硬化深度较浅，在高温时强度较差。由于仅经淬火的麻田散铁组织太脆，耐磨性不佳，为了增加耐磨性，高碳工具钢在淬火前必须实施球化处理，淬火至室温之后，再加以150℃~200果可以得到球状雪明碳铁散布于低温回火麻田散铁，硬度够而且耐磨耗的组织。1-3-2合金工具钢进其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、等合金元素，而形成合金工具钢。合金工具钢主要藉热处理所得到的麻田散铁组织保持工具钢必要的硬度，另外以合金元素与碳结合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具钢依其用途可分为下列四类：1．切削用合金工具钢为了切削用途，因此这类合金钢通常含碳量较高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，适合作为螺丝攻、车刀、铣刀等用途。2．耐冲击用合金工具钢此类合金钢为增加冲击韧性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3．冷间模具用合金工具钢此类工具钢由于用于常温(又称为冷间，coldwork)因此在高碳钢中添加MnCrMoWV化物以增加其耐磨性。4．热间模具用合金工具钢此类工具钢由于多使用于热加工(热作)模具，因此必须具有高温硬度(红热硬度)，不至因温度升高而变形或软化。此类工具钢含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐压铸、模锻等压力。181-3-3高速钢高速钢(highspeedsteel)是用于切削工具，在高速切削之红热状态时仍能保持其硬切削刀具，其切削速率可达高碳工具钢的三倍。高速钢除CWMoCrVCo整理如下：(1)C可与各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。(2)W可以形成碳化钨，除增加硬度外，也可以增加回火软化的抵抗性。(3)Mo的性质与W相似，因此可以替代。(4)Cr可以改善硬化能，并防止W的碳化物被分解。(5)V可以使晶粒微细化，增加强度。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高温硬度。高速钢通常以主要元素W及MoW钨量较多的高速钢称为钨系高速钢(T系高速钢)，含Mo钼量较多的高速钢称为钼系高速钢(M系高速钢)，其中含18%W、4%Cr、1%V为最典型的高速钢，称为18-4-1钢，另外含18%W、4%Cr、2%V则称为18-4-2钢。高速钢因为所含的合金元素量较多，所以导热度较不良，因此淬火温度需较高，一般约在1200℃~1350℃之间，使合金元素充分固溶于沃斯田铁，淬火之后可以得到洛氏硬度约Rc64以上。淬火后的高速钢约在400~550℃间实施回火，在回火的过程中，由于合金成份会等。1-3-4硬质合金或超硬合金别于一般工具用钢料。这类材料有极高硬度及高温强度，可以切削各种钢料甚至玻璃、陶瓷等。硬质合金是通常是以铸造或是粉末冶金的方式制造，它具高硬度的原因，是由于大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物来制成。硬质合金又分为：(1)工具用铸造合金并且耐磨耗，有时又称非铁铸造合金刀具或超硬铸合金刀具。史斗铬钴(stellite)就是其Co40％~55﹪、Cr15﹪~33W10﹪~18﹪、C2﹪~4﹪、Fe5％以下、Mn1金质脆，无法锻造。主要用于凿岩用钻头、切削刀具、热加工用模具等。(2)烧结硬质合金19碳化钨WC或碳化钛TiC等的粉状碳化物，加入黏结用金属钴Co(或Ni、Mo)，WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以应用于拉线模具或其它耐磨耗场合。1-4耐蚀钢要，除了使用各种覆面或涂装技术，最基本的方式还是必须改善钢的性质。在钢中添加Cr和可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含量而增加，一般耐蚀钢的分类，含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金，几乎不会被侵蚀称为不锈钢，含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金，则称为耐蚀钢，但实用上提到耐蚀钢仍是以不锈钢为主。CrCr量在12%几乎不会发生腐蚀的现象。不锈钢能耐蚀的原因，是因为Cr能在钢的表层形成一种致密的氧化铬膜，可以阻隔钢料内部的氧化作用，因而可以防止一般大气环境下的腐蚀。但是铬钢在强酸例如：硫酸、盐酸的环境，这层氧化膜就会被破坏而丧失了耐蚀性。钢中含之耐蚀性随量的增加而增大，由此可知，一般环境下使用，不锈钢只需添加Cr，就可以防止发生腐蚀的现象，然而在特定环境下(例如：硫酸、盐酸中)使用，就必须再添加Ni，才能达到防蚀的目的。一般除了铸造用途的不锈钢之外，不锈钢因其合金成份可以大致可以区分为：Cr系不锈钢、Cr-Ni系不锈钢。如果以晶体结构组织上来区分则可以分为：肥粒体系、麻更有意义，因此目前材料学上对于不锈钢的的分类，大多以后者为主。简单来说，添加合金元素会改变材料的平衡相图，并进而影响其机械性质，加上热处理的实施又决定于相图的变化，因此形成了各类不锈钢不同的特性。例如：添加CrVTi量的增加会使沃斯田铁相区减小甚至消失，因此变成相图除液态外均以肥粒NiMnCo化系不锈钢。1-4-1肥粒体系不锈钢由于铁中添加Cr会使沃斯田相区缩小，并且当Cr含量超过13%时，各种温度下20将只有肥粒铁相存在。但是因为钢中还有碳的存在，碳会与Cr形成碳化铬，而消耗一部分铬，大致上1%C必须要1%Cr结合，所以如果纯为肥粒铁结构，实际含铬量必须Cr在16%以上且C含量在0.12%又称为肥粒体系不锈钢。0.12%Cr约16%～18类具有磁性的不锈钢。此类不锈钢属于400系列，以430不锈钢为代表，其它如：405不锈钢、446不锈钢等都是，在JIS编号为SUS430、SUS405等。1-4-2麻田散体系不锈钢上述低碳高铬的不锈钢，当含碳量增加或是含铬量较低时，则其高温固相时沃斯田铁区就会存在，此时将此类高碳高铬钢加热到沃斯田铁区(γ区)，再淬火下来，就可以得到麻田散铁的组织，这样的不锈钢虽因Cr量减少而耐蚀性稍差，但是具有优秀的机械性质，称为麻田散体系不锈钢。麻田散铁系不锈钢的含碳量约为0.1%～0.4%，含Cr约12%～14%，如果要与肥粒体系不锈钢细分，也可以用另一种方式来判断：[%Cr-17%C]13.…..肥粒体系[%Cr-17%C]13…...麻田散体系麻田散体系不锈钢的淬火温度为950~1000气冷就可以达到淬火的目的，淬火之后再行回火，回火的实施通常采用100~180℃的低温回火。麻田散体系不锈钢价格便宜，硬度、强度佳，但耐蚀性略差，可以作为刀具、轴400系列，以403、410不锈钢为代表，其它如：431不锈钢、440A不锈钢、440B不锈钢、440C不锈钢等都是，在JIS编号为SUS431、SUS440C等。1-4-3沃斯田体系不锈钢前两类的不锈钢虽各有其优点及应用范围，但是都是属于铬系不锈钢，铬系不锈钢的缺点就是在酸性环境下()Ni量约8%锈钢称为沃斯田体系不锈钢，是不具磁性的系列。沃斯田体系不锈钢防蚀能力甚佳、质软加工性良好，但无法以淬火及回火来增加Cr18~20%Ni8~10%而含C量少于0.2%的Cr-Ni18-8钢。18-8不锈钢的缺点是在500~900使得晶界附近产生缺铬的现象(称为贫铬区)(intergranularcorrosion)21的现象，这样的现象在焊接工作或热处理等场合时常发生，因此必须注意。有效改良的方法是：(1)处理时尽快通过此温度。(2)添加其它合金元素以抑制Cr的消耗。例如：Ti、Nb、Ta等，均可以和碳结合成安定的碳化物，而不会再影响铬。(3)降低含碳量。含碳量小于0.03%时，碳就只固溶于沃斯田铁而不会与铬形成碳化物，例如焊接时，使用低含碳量的304L不锈钢焊条，就可以避免粒间腐蚀的现象发生。沃斯田铁系不锈钢的用途很广，不但对各种环境的耐蚀性优良，而且具有极高的300系及200304301不锈钢、310不锈钢、316不锈钢、347不锈钢、202不锈钢等都是，在JIS编号为SUS301等。1-4-4析出硬化系不锈钢这类型的不锈钢是由沃斯田体系不锈钢改良而来，它的成份与18-8Cr及量稍减，另外添加了Al、Cu、Mo、Nb、Ti等。析出硬化是一种热处理上强化材料的方法，它的方法通常是，添加有助于生成析(aging)处理的方式，使硬的金属间化合物析出于材料基地，以得到极高的机械性质。一般析出硬化系不锈钢在固溶后淬火于常温时，仍是全为沃斯田铁组织，因此柔软易于加工，在加工完成后，必须再实施一次中间热处理(intermediateheattreatment)，此时Ms点约在0℃~15(subzerotreatment)经两次时效处理，就可以得到高强度。因此添加Al、等元素的目的，即是在于促使散强化及析出硬化的组合。析出硬化系不锈钢具耐蚀性，即使含碳量很少也可以有很强的机械性质，一般用600631不锈钢为代表，630不锈钢也属之，在SAE编号中还有633不锈钢(AM350)、634不锈钢(AM362)等。此系列不锈钢如果再添加Co元素，则可以提高Ms温度至常温以上并提高析出量。1-5其它特殊钢1-5-1耐热钢耐热钢基本上极为类似不锈钢，因为它不但需要抵抗高温，同时也必须抵抗高温22的气体腐蚀环境，所以AISI将之归类于不锈钢，例如：AISI309310不锈钢、409不锈钢等，JIS规格属于SUH系列，而在CNS规格则属于系列。高温的环境下，除了防蚀的考虑外，最重要的就是要具有优良的潜变强度，因此除了Cr和NiMoWAlTiSiMnAl-Fe合金机械性质不佳。耐热钢一般依其主要成份分为两类：(1)Cr系耐热钢1高温长时间的环境中仅有氧化。0102030铬的重量百分比1200℃1000℃图1添加Cr对含碳量0.5%C钢料氧化的影响，220小时Cr系耐热钢除了CrMo良好。但是500℃以上时，强度就会急遽下降，因此大多使用于高温下但不须考虑潜变强度的场合，例如：石化工业、内燃机阀门、热处理炉零件等。Cr系耐热钢因于其组织为肥粒铁，所以又称为肥粒铁系耐热钢，Cr含量大于10%以上时可以增加耐热钢的潜变强度，JIS材料的编号中SUH409、SUH446均属之。如果Cr含量大于10%以上时则以抗氧化性为主。(2)Cr-Ni系耐热钢Cr系耐热钢对于一般高温环境的耐氧化性良好，但在高温的机械性质方面则不理想，所以在需要高温强度或潜变强度的场合，就需要采用Cr-Ni系的耐热钢。Cr-Ni系耐热钢基本上是将18-8钢，增加Cr、的含量，并添加Ti、Mo、W等23热钢。主要合金元素的含量为：14~26%Cr12~37%Ni0.1~0.4%C0~3%WJIS材料的编号为SUH309~SUH330SUH660SUH661为时效处理系耐热钢，应用于轮机的静翼和燃烧器。1-5-2轴承钢轴承为支承轴于一定位置的机件，因此必须有足够的强度、耐磨耗及很高的疲劳限。轴承又分为滚珠轴承及滚子轴承两种，最常使用的材料为高碳低铬钢，其成份为0.95~1.10%C、0.9~1.6%Cr、0.5~0.9%Mn、0~0.25%Mo，此外由于轴承钢属于高级合金钢，所以磷、硫含量必须在0.025%以下，以确保其机械性质。轴承钢除了材料纯度要求较高之外，需要经过热处理使其中碳化物细化并分布于780~850140~160℃，热处理后其硬度值约HRc62以上。轴承钢在JIS中之的材料编号为SUJ，例如：SUJ1、SUJ2等。1-5-3弹簧钢弹簧广泛应用于车辆、加工机械、模具、钟表等，弹簧的种类很多，较大的如车辆板片弹簧、较小的如螺旋弹簧、或钟表的动力弹簧(发条)等。制造弹簧的材料有钢料、铜合金、橡胶等。弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳三类，有些特殊场合也用到耐蚀钢。弹簧的制造必须先韧化、成形，然后在实施热处理之后使用，大型的弹簧，例如：板片弹簧等，系将热轧的板或棒，在高温加工成形，由780~850℃淬火于油中或水中，再经400~500℃回火后使用。小型弹簧，例如：螺旋弹簧等，必须将韧化处理后冷抽的钢线(通常称为琴钢线，pianowire)300~350℃蓝化处理(blueing)后，以提高疲劳限然后使用。弹簧钢在JIS材料中的编号属于SUP。1-5-4电气用钢电气用钢属于软磁(softmagnetic)材料，主要是用于制造电机机械例如：变压器、电动机(马达)等的铁心材料。良好的铁心材料必须利于导通磁力线以提高效率，所以磁阻要低、导磁性要好，并且要容易磁化及退磁，残留磁力小以减少磁滞损失(hysteresisloss)扇区容易移动。常用的铁心材料有纯铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金、铁氧磁体等，其中以纯铁(eddycurrentloss)大，24因此添加硅，唯硅含量过高时材质便脆化，因此一般在5.5%以下，此外硅钢片制成片状相迭也可以降低涡流损失。1-5-5磁石钢磁石钢是制造磁石的一种材料，主要是用于制造永久磁铁，永久磁铁使用于无线电扩音机、电动机、发电机永久磁极等，属于硬磁(hardmagnetic)材料。硬磁材料与软(residualmagnetim)结构必须晶粒细、内应力大，并且最好有第二相的粒子，来阻碍扇区的移动。磁石钢常用的材料有两种类型：(1)淬火硬化型磁石钢去磁性，这种材料称为淬火硬化型磁石钢。淬火硬化型磁石钢主要是钨钢(0.5~1.0%C、5~7%W)，另外还包括：碳钢(0.8~1.2%C)、、钴钢(0.9~1.2%C、5~17%Co)、钢(0.7~1.0%C、30~40%Co)等。(2)析出硬化型磁石钢由于格子畸变，而使得材料不易失去磁性，这种材料称为析出硬化型磁石钢。析出硬化型磁石钢大致包括：MK钢(15~40%Ni、7~15%Al、0~20%Co)、Alnico钢(7.5~17%Al、14~22%Ni、5~38%Co、其余为铁)等。1-5-6超高强度钢发展高强度钢的目的是为了减少材料本身的重量，以承受相同的荷重而言，高强(TheUltrahigh-strengthSteel)是指降伏强度超过180,000psi(或是130kg/mm2)强度合金的要求，并且也需要易于加工及成形。超高强度钢大致分为以下几类：(1)将中含碳量的强韧钢或低合金钢加入更多的Si及V，以避免低温回火脆性并增加韧性，可以得到超高强度钢，其抗拉强度可达200kg/mm2以上。例如：AISI4141M、4130M、433V、D6AC等钢种。(2)改良工具钢(ModifiedToolSteel)5Cr-Mo-V模具钢改良而成，200kg/mm2AISIH-11、H-13等钢种。(3)麻时效钢(MaragingSteel)，含Ni20﹪是低碳高镍含量的合金钢，易于成形、加工、焊接，但必须在退火状态才容易加工或成形。这类钢种的时效元素为Co、Mo或Ti，在480℃附近时效可以使其强度增为最大，由于时效温度不高，因此对于精密机件不25150~210218Ni钢、20Ni、25Ni等均是。(4)Cr-Ni-Mo或Fe-Cr-Mo-Cu等，是属于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金钢，这些合金钢能在低温下析出硬化，而且在耐高温氧化及耐疲劳性均佳。Cr-Ni-Mo合金并在150kg/mm2以上。例如：Astralloy、AFC-77等钢种。(5)9Ni-4Co钢，是一种将碳化物生成元素含量减少，而以来提高韧性的钢料，另外添加Co以提高Ms点并减少残留沃斯田铁，这种钢韧性优良，并可以变韧铁组织状态使用，其抗拉强度可达200kg/mm2以上。AISI的材料编号例如：HP-9-4-20、HP-9-4-30HP-9-4-45等钢种都是。摘要1.1.合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢料。碳钢除了碳以1.650.60上或含铜量在0.06％以上等等，就属于合金钢，2.2.合金钢依其用途来区分，可分为构造用合金钢和特殊钢，构造用合金钢是使耐热、磁性等特别的场合。3.3.一般构造用合金钢由于使用的场合不同，可以分为非热处理型和热处理型两钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。4.4.工具钢的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用硬质合而高合金量的工具钢或高速钢，价钱较昂贵。5.5.工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性，以其合金成份和CrMo等仍然为基本元素(或是增加其含量)，另外必要时在添加耐高温的W、V及Co等。6.6.在钢中添加Cr和Cr的含量而增加，一般耐蚀钢的分类，含Cr量在12﹪以上之Fe-Cr合金，几乎不会被侵蚀称为不锈钢，含Cr量在12﹪以下之Fe-Cr合金，则称为耐蚀钢，实用上是以不锈钢为主。7.7.弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳限高而且不产生永久变形的特性，适用26弹簧的制造必须先韧化、成形，然后在实施热处理之后使用。金属的腐蚀学习目的1.了解腐蚀的意义。2.了解金属材料腐蚀的原理。3.了解影响金属腐蚀的因素。4.了解钢铁材料腐蚀的形式。5.认识防治腐蚀的方法。1-1前言材料会因为时间、环境等种种因素，而产生不堪使用或称为失败(failure)的状况，无法承受负荷所产生的破坏(fracture)，还有磨耗(wear)、腐蚀(corrosion)、辐射损伤(radiationdamage)识并防治腐蚀，是学习材料必备的课题。生锈(rusting)它的材料虽然也会腐蚀，但不称为生锈。腐蚀的过程可以是一种化学反应(ChemicalReaction)，而更多时候则是一种电化学反应(ElectrochemicalReaction)。所谓电化学反应，简单的说是金属间形成阳极和阴极的电池效应。简单的说，电异，只在于结果的不同。腐蚀是金属的剥离，电镀则是金属的覆层。而就工程材料的来源而言，材料原为矿石或是氧化物中冶炼，再度变为化合物而使用寿命。在日常生活中，就有许多足以产生电化学反应的环境，例如：不同金属本来就具蚀破坏的程度。在机械结构使用上，材料的选择不当，对腐蚀因素的认识不够，也是助长结构腐治。损失，就约占国民生产总值的4%共工程因腐蚀致使用寿命降低，近年来在航空器及其它方面，因腐蚀产生安全的危害、27的腐蚀机构及防制腐蚀的方法的研究，尤其必须特别重视。事实上，除了金属材料会受到腐蚀之外，其它材料也会发生腐蚀，例如：塑料、陶瓷材料的化学溶解(chemicaldissolution)范围，就各种腐蚀发生的成因、腐蚀形式、金属钝化等说明，并提出腐蚀的防治之道。1-2腐蚀的意义自然界中绝大多数的物质，都有变成氧化物或是形成稳定化合物的倾向，除了金、因素，例如：水份、高温，或是酸、碱等化学物质的诱导等，都可能引起金属的腐蚀，如图1所示。治炼铁矿石Fe2O3铁Fe3O4FeFeCO3腐蚀图1矿石钢料腐蚀说明了腐蚀发生的基本原因学腐蚀（chemicalcorrosion）又称为直接溶解(dissolution)，通常是指材料置于一种可以溶解的溶液环境中，直到材料全部耗尽(腐蚀)或是溶液达到饱和点。其它诸如高温、质金属或金属中足以构成电位差的两极，在一种电解质(electropte)较为重要，也较容易被忽视。1-2-1化学腐蚀在自然界中，物质会溶解于特定的溶液中是熟知的现象，例如：糖、盐会溶解于是在防治腐蚀方面。28当然如果是这样的情形，整个腐蚀现象就会变得较复杂。1．选择性滤除有些金属合金材料在特殊环境下，其中的一种或多种元素容易被选择性的滤除（leach的水溶液所溶解，产生脱锌(dezincification)的局部腐蚀现象，而缺少锌的位置，将使得黄铜变成多孔性结构而变成很脆弱。2．石墨化腐蚀果埋设不当，容易发生泄漏甚至爆炸的事件。作用的酸碱溶液）接触，也是另一种解决的方式。如果一定必须在溶液的环境中使用，锌量15%1%左右的锡Sb锡黄铜包括：海军黄铜(navalbrass)、海将黄铜(admiraltymetal)等都属之。1-2-2电化学腐蚀电化学腐蚀是最重要的腐蚀因素，因为大多数的金属腐蚀的起因，都可说是一种某些部位产生了局部的阳极反应(AnoicReaction)，让金属失去一个或多个电子，变成金属阳离子，亦即发生阳极氧化作用；而在同时，另一地点也会产生阴极反应(CathodicReaction)，获得多出的电子，使得阴极形成还原作用，而构成一个电池效应Electro-chemicalcorrosionelectroplating电化学反应的观点，可以说是腐蚀现象里最重要的部分，而且大部分的腐蚀现象anode而cathode属就会发生腐蚀。因此受到保护。由此可知，电池效应发生的情况必须是，材料发生氧化电位（或还原电位）不同生。例如:两种不相似金属搭接在一起或金属两表面间有潮湿空气等。电化学腐蚀发生的原因，既然是因为电位的不同而且可以产生电池效应所致，当29增大腐蚀;而当金属表面生成海棉状的化合物，就足以容纳更多水份继续其电池作用，并且向内腐蚀金属。至于何种金属较易形成阳极，而何种金属较易形成阴极？其实如同前面有关化学度不同而已。这种金属受环境溶液诱惑的趋势称为"电溶压"(ElectrolyticSolutiona1tension)之电溶压小的金属，比较到腐蚀。电溶压用在电化学上又称为"伽凡尼电位"(GalvanicPotential)或是"电解电位"，因电流的通过(从阳极流向阴极)，使较高电位金属发生阳极消溶腐蚀。当电位差愈大，产生的电流愈强，腐蚀损耗率就愈大。PotentialSeries)可以说明在不同环境下，依序为：钾(K)、钠(Na)、镁(Mg)、铝(A1)、锌(Zn)、镉(Cd)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钖(Sn)、铝(Pb)、铜(Cu)、银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)。上述电位序中，电位序在前面的金属对于电位序在其后的金属将形成阳极;相反称为贵金属(noble)或具化学惰性(chemicallyinert)叙述会在稍后讨论钢铁腐蚀时再说明。则大多产生氢离子的还原作用，而放出氢气，结果使材料形成腐蚀的现象。的防治，最基本的原理就是抑制或是避免这些反应的发生。1-3影响金属腐蚀的因素如前所述，腐蚀发生的过程主要依化学反应和电化学反应两种方式来进行。例如：铁的腐蚀就化学反应的观点而言，其在大气中的氧化过程为：室温时Fe＋1/22＋H2O2Fe（OH）2氢氧化亚铁2Fe（OH）2＋1/22＋H2O2Fe（OH）3氢氧化铁（铁锈）而以电化学反应式表示则为：Fe＋1/22＋H2OFe+2＋2OH-2Fe（OH）3氢氧化铁（铁锈）30各种气体和化合物，像是二氧化硫SiO2、硫化氢2S等，加上本省海岛地形含有充足的盐份，经由电化学反应，这些物质更助长了材料的腐蚀。再如：铁置于高温环境中，其腐蚀型态不同于常温下的反应，而是直接与氧结合，形成Fe2O3(氧化铁)、FeO（氧Fe3O（四氧化三铁）等氧化物。除了大气之外，土壤、溶液、酸碱度、散乱效应、加工效应也在在影响腐蚀的结果。1-3-1大气在没有湿度存在的大气中，由于没有电解液，腐蚀无法进行反应，因此一般湿气凝结在金属表面，因此即使些微的湿气，腐蚀性就会有很大的差异。型。海岸地带大气中所含的盐份与湿气结合，可以形成伽凡尼电池或是氧气浓差电池；速腐蚀的进行，对铁而言，由于二氧化硫经反应可以产生H2SO4，H24与铁作用，经由上列反应式之催化，就会使铁产生更大的腐蚀。为高温加速氧化腐蚀或加速氧化，在一定的氧气浓度下(例如：密闭容器中)，温度每增加30℃，腐蚀速率会增加一倍。1-3-2土壤因土壤环境的差异，产生严重的腐蚀或破坏。(土壤对于腐蚀之影响主要是由于其多孔性、盐类(去极剂或抑制剂)、水份、电导度、酸碱度等因素，其间各种条件的差异会使壤，还可能会有还原硫酸菌等微生物存在，造成极大的腐蚀速率。有机无机涂层、金属涂层、土壤改良或阴极防蚀都是有效的方法。1-3-3散乱电流散乱电流是指非经正常电路而来的电流，当这类电流进入金属装置而后又离开时，31因此于散乱电流会影响结构的场合，就必须特别防范。的交流发电系统等。()和散乱电流源(例如：电车轨道)，以避免电位产生大变化；阳极或阴极防蚀、装设绝缘耦合器(coupling)1-3-4溶液学腐蚀的重要介质，许多腐蚀现象因此而生。1-3-5材料成份如果在海水或酸性等其它的环境中，腐蚀速率就会受到影响。低酸中的腐蚀性，镍在碱性溶液中也有类似的效果。1-3-6热处理效应腐蚀反应。的程序，或添加适当的抑制剂都能将腐蚀速率减低至最轻程度。1-3-7加工效应蚀的代表。用后加工(例如：珠击法)、材料改良(添加合金元素)或阴极保护法来抑制。1-4钢铁的腐蚀在金属材料中，钢铁的腐蚀无疑是其中最重要的，因为它使用的范围很广，影响32也很大；举凡桥梁、机械、结构物或关系公共工程的建设，无不与钢铁材料有关。基本上，钢铁材料的腐蚀现象，主要也是由于化学及电化学因素所引起，而其常腐蚀、伽凡尼腐蚀、穿孔腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、和延晶腐蚀等。1-4-1直接氧化腐蚀其反应式：4Fe＋3O22Fe2O3氧化铁FeOFe3O（四氧化三铁）等氧化物，这样的情况在钢的热轧或是热处理时常会发生，称为鳞皮。1-4-2均匀腐蚀(Uniformattackcorrosion)当一种金属置于电介质(或电解质)中，金属的某部分区域会比其它区域更为"阳极"，而且这些区域的位置会不时移动，有时也会周而复始，这样的现象使得腐蚀现象在氧化或是镍的成雾状(fogging)也都是均匀腐蚀的例子。1-4-3-1均匀腐蚀的量测均匀腐蚀的速率，通常可以用几种单位表示。国内外常用的有：每年侵蚀的公厘数(mpypenetrationperyear1mil=1/1000吋=0.025mm)数(ipy，inchespenetrationperyear)，但有时由于不易量度，也以损失的重量mdd(milligramspersquaredecimeterperday)或每年损失的重量再来推估等其它各种数值。以钢为例，在海水中的腐蚀速率约为25mdd，相当于5mpy。一般来说，腐蚀的初始速率常较最终速率为大，因此测定腐蚀速率时，要记录整个过程，以外插法可能会产生很大的错误。而材料如果腐蚀速率在1mpy以下为抗蚀性强(outstanding)，50mpy以上防蚀性转劣(poor)，在200mpy以上则是无法接受(unacceptable)。1-4-4伽凡尼腐蚀(Galvaniccorrosion)这种腐蚀发生于两种不同金属或是合金接触，而能产生伽凡尼电池(Galvaniccell)的情况，常用金属材料在海水中的伽凡尼电位序。-两相合金其腐蚀抵抗力都较单相金属为差。1-4-5穿孔腐蚀(Pitting