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[分享] 机械材料的规格及选用

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发表于 2007-3-6 08:48:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。为了适合某一种特别的用途,生产者当然必须促使产品能够符合需要,这样就有规范的存在必要。而随着工业化程度的提高及国际间贸易往来的趋势,产品的流通愈来愈频繁,为了增进效率及提供产品零件的互换性,工业规格的订定更是必然的结果。在机械材料的范畴方面,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(Chemical Composition):包括各项成分元素的含量范围或成分代号。
3.定性叙述(Quality Statement):指质量方面,例如炼钢方式或脱氧情况。
4.定量需求(Quantitative Requirement):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(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的发展而有不同的工业规格,例如:美国的ANS(美国国家标准)、日本的JIS(日本工业标准)、德国的DIN(德国工业标准)等。而在针对机械材料规格方面,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。而为了标准化起见,材料必须经由一套严谨的试验规范,确保其可靠度。世界各国都有其材料试验的标准程序,我国也不例外,例如:CNS有关材料试验部份,其中「钢料之检验通则」(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标准方法 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。 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学成份命名为主,再辅以机械性质(如第七章部分材料的规格叙述)。由于材料范围很广,因此本章内容,主要以钢铁材料的编号为主,另外辅以部分非铁金属及非金属材料来做说明。 在工业上,钢铁材料(包括碳钢在内)必依其化学成份,使用一定的编号以利于选用,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CNSChinese National Standard的简写,CNS对钢铁材料的编号主要依据CNS 109 G1001(公布:民国363月,修订:民国853)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S(Steel)F(Ferrum
)
表示。 第二部分有两种不同的表示法;
a.表示标准名称或是制品用途。常用的有-PPlate(薄板) TTube() UUse(特殊用途
)
W
Wire(线材) FForging(锻造) CCasting(铸造
)
例:S P CCPlate,钢板(冷轧)
S UPUse Spring,弹簧用钢
b.用于结构的钢料(包括结构用碳钢及合金钢),代表主要合金元素或含碳量(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
S25C:碳钢,含碳量0.25%。 第三部分为该材料之种类号码,或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度,通常以三位数字表示。 例:SCM 420 表示铬钼钢中编号420的材料
STB 340 表示锅炉及热交换器用钢,抗拉强度不 低于340 N/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 机械结构用钢料使用很广,因此CNS 2608 G2018特别在附录2中说明适用范围及其符号所代表的意义: 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.符号顺序为钢之主要合金元素、主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)
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:一般构造用碳钢,最小抗拉强度55kg
/mm2
S85WMo(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CNS 2068 H3021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。 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、热处理等条件之差异所获得机械性质之区分”。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HT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
Japanese Industral Standard 的简称,JIS对于钢铁材料的的编号大致可分两大类: 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11- 第二部分表示钢制品的规格或用途,例如:K代表工具钢、TB 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 (Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法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
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.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
SAE1941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)
SAE1045:含碳量0.45的碳钢,与CNSS45C钢料相当。
SAE4140:含碳量0.40的铬钼钢,与JISSCM4钢料相当。 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×× 13×× Ni-Cr 43×× 镍钢 2××× Ni(1.75) 46××
0.50Ni 20×× 铬钢 5×××
1.50Ni 21×× Cr(1.0) 51××
3.50Ni 23×× Cr(1.5) 52×× 镍铬钢 3××× 铬钒钢 6×××
1.25Ni0.6Cr 31×× 钨钢 7×××
1.75Ni1.0Cr 32×× 镍铬钼 8×××
3.50Ni1.5Cr 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
A 钢铁类
B 非铁金属类
C 一般测试法 例如: ASTM A36-77a 其中
A 36 - 77 a
分别表示 (钢铁)(结构用)(1977)(第一次修订
)
又如: ASTM E8 代表拉伸试验规范
ASME的表示法: 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)来区分。Grade主要叙述其化学性质,Type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
UNS
Unified Numbering System 的简称,在1974年为ASTMSAE 联合制定,UNS 本身只是一种编号,而非规格,它将金属分为17个系列编号并与原有的体系配合,例如: UNS G10XX0 = SAE 10XX,而有索引、整合、参考的意义,因此而称统一编号系统。

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 楼主| 发表于 2007-3-6 08:51:06 | 显示全部楼层
4.德国工业标准(DIN)
DIN
并不是英文,而是德文Deutsch Industriell Norm的缩写,德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN 17006,补充说明在DIN 170071974年改为 ISO制,以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和数字来叙述其特征,字母规定钢铁种类、冶炼方法、合金材料、处理情况等、数字则规定钢铁材料的、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。 1)碳钢 一般以碳元素标记及其含碳量表示,如 C60 表示含0.6C的碳钢。另外也有抗拉强度及其它表示法,例如:St50 表示抗拉强度50kg/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 以其主要合金元素和含量为标记,但在其中第三部分含量,为避免小数点出现,表示值都己经乘上固定倍数,而以整数型态呈现,所以由编号求取实际含量时必须再除以倍数。 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
CrCoMnNiSi
W 4
Al
BePbCuMoNbTaTi
V 10
P
SNCe
C 100
B 1000

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",此外由于合金元素含量己高,因此不乘以倍数而直接表示。(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
X12CrNi18 8
同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10%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
: M A St42 6 N
(1)(2) (3) (4)(5)
其中除(3)为主标记外,(1)(2)(4)(5)分别表示:熔炼方式、产品特性、保证性能类别、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%。 1 德国工业标准DIN 之铸铁分类
GS = 铸钢
GG = 一般灰铸铁
GGL = 片状石墨铸铁
GGG = 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 材料的种类繁多,而且性质互异,因此无论铁金属和非铁金属材料,或者随后即将讨论的非金属材料自然都有不同的应用场合。一项产品在选用材料时,会因使用场合(例如: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,也有其适当的用途,因此如何使材料的应用能适材适所,就是材料选用的最大准则。本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。
()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、耐蚀性等。许多材料似乎都可以满足使用的需求,但是如果选择具有正字标记或符合国家标准的材料,例如:我国的CNS 日本的JIS 美国的ASTM SAE AISI UNS 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,因此质量将更有保障。
()材料的价格要合理 价格是选择材料的另一个重要因素。因为优秀的材料如果价格高昂,产品的成本势必提高,竞争力就会降低。因此如果材料不是唯一的选择,那么价格合理的同级材料或以开发新产品替代都是不错的解决方案。
()材料的质量要一致 产品如果是单一的就不必考虑一致性的问题,但是如果是属于大量生产的东西,材料的供应就必须稳定而且质量一定才行,否则因产品不良造成退货或是赔偿,无论是金钱及信誉的损失可能都将难以弥补,因此在选择材料供应之初,材料质量的一致和来源的稳定性也是重要的考虑因素。

1-4-2 钢铁材料的选用 以上提到的是材料选用的原则。而钢铁材料由于在机械上使用广泛,因此必须针对其特性考虑。钢铁材料的选用,常遭遇的还有三个问题:()使用碳钢或合金钢()局部或全部淬火()用铸造品或锻造品。 碳钢的价钱便宜,但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受的负荷则关系局部或全部淬火,负荷大的零件以全部淬火为宜,表面淬火则可承受耐疲劳及磨耗的场合。 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件,但被认为偏析、气孔、韧性差,锻造品则较强韧,但铸造技术及材料的进步,己可以达到均质、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

()引擎材料的选用 机械产生动力来自于引擎,常见的引擎如:空压机、汽机车、电机原动力厂等。引擎各部份零件承受不同的负荷、温度等工作条件,因此有不同的材料选择考虑。以下仅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 汽缸由于形状复杂,又有冷却管路,因此只能用铸造方式,汽缸由于要求良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。因此灰铸铁就是很好的选择,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。唯铝合金的磨耗性较差,这一点也要考虑。
2. 2. 曲柄轴 虽然曲柄轴的形状也很复杂,不过也并不是非用铸造不可,曲柄轴的受力很大,因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。 如果使用锻钢,必须考虑硬化能的问题,因此常用的有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035SAE 1050
3. 3. 进排气阀 进排气门最重要的是耐高温和耐腐蚀,尤其是排气阀的工作温度,往往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。
()材料的取代和新材料的选用 由于材料的改良和新材料的不断发展,许多制品原来使用的材料,可以替代而性能更佳,价格更便宜。以日常应用来说,例如:二十年前的眼镜框,使用白铜或镀层,其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,为了极高速航具和航天飞机的需要,工程陶瓷应用在承受高温的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。

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。
3CNS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) 第三部分为该材料之种类号码,或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度,通常以三位数字表示,常用于建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。
4AISISAE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。 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×× 13×× Ni-Cr 43×× 镍钢 2××× Ni(1.75) 46××
0.50Ni 20×× 铬钢 5×××
1.50Ni 21×× Cr(1.0) 51××
3.50Ni 23×× Cr(1.5) 52×× 镍铬钢 3××× 铬钒钢 6×××
1.25Ni0.6Cr 31×× 钨钢 7×××
1.75Ni1.0Cr 32×× 镍铬钼 8×××
3.50Ni1.5Cr 33×× 硅锰钢 9×××
5.材料选择的考虑因素主要有:()材料的规格要符合使用的需求()材料的价格要合理()材料的质量要一致


[ 本帖最后由 luckmeifei 于 2007-3-6 08:52 编辑 ]
发表于 2007-3-6 09:14:27 | 显示全部楼层
感谢分享
发表于 2007-4-14 16:55:45 | 显示全部楼层
机械标准扫肓,
发表于 2007-5-22 12:54:33 | 显示全部楼层
不过有个机械工程师上传上来是最好
发表于 2008-1-11 22:03:08 | 显示全部楼层
感谢楼主分享
发表于 2009-2-7 16:04:11 | 显示全部楼层
感謝分享!
发表于 2009-2-9 15:05:26 | 显示全部楼层
感谢楼主分享,这些知识很久没有接触了,再学习下!
发表于 2009-2-11 21:51:49 | 显示全部楼层
Thanks   very   much!!!
发表于 2009-2-11 21:53:37 | 显示全部楼层
good!!
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