1、第第 4 章章碳碳 鋼鋼4-1 純鐵純鐵4-2 鋼之組織鋼之組織4-3 鋼之性質及其用途鋼之性質及其用途4-4 五大元素對碳鋼之影響五大元素對碳鋼之影響 總目錄總目錄1.純鐵純鐵之之含碳量在含碳量在0.02以下以下且常溫下完全固溶且常溫下完全固溶於鐵中，在冶金學上稱為於鐵中，在冶金學上稱為肥粒體肥粒體（Ferrite）又）又稱稱-Fe，如圖，如圖4-1所示。所示。2.工業工業用純鐵依用純鐵依製造方法製造方法分：分：Armco鐵鐵、電解鐵電解鐵等。等。節目錄節目錄圖圖4-1 純鐵顯微鏡組織純鐵顯微鏡組織一、純鐵的機械性質一、純鐵的機械性質純鐵組織質軟且純鐵組織質軟且富延展性富延展性、易銲接易銲接
2、、鍛造鍛造、耐蝕性較碳鋼佳耐蝕性較碳鋼佳，如表，如表4-1所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄抗拉強度抗拉強度（kgf/mm2）彈性限界彈性限界（kgf/mm2）彈性係數彈性係數（kgf/mm2）15 2711 1521000伸長率（伸長率（）斷面縮率（）斷面縮率（）硬度（勃氏）硬度（勃氏）45 5570 8070 80二、純鐵的變態，如圖二、純鐵的變態，如圖4-2、表、表4-2所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖4-2 純鐵溫度和長度、磁性的關係純鐵溫度和長度、磁性的關係A2變態點為變態點為磁性變態點磁性變態點，又稱，又稱居里點居里點。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖4-2 純鐵溫度和長度、
3、磁性的關係純鐵溫度和長度、磁性的關係上一頁上一頁節目錄節目錄表表4-2 純鐵之變態純鐵之變態變態點變態點平衡平衡關係關係原子結構原子結構變態溫度變態溫度冷卻（冷卻（Ar）加熱（加熱（Ac）A2原子結構不變，磁性急遽下降。原子結構不變，磁性急遽下降。756768A3 體心立方格子面心立方格子體心立方格子面心立方格子（B.C.C.）（）（F.C.C.）890910A4 面心立方格子體心立方格子面心立方格子體心立方格子（F.C.C.）（）（B.C.C.）13901394 白色網狀：白色網狀：雪明碳體雪明碳體圖片來源：(a)http:/www.me.tnu.edu.tw/melab/f104/a/mp
4、s15.htm(b)http:/ 各種含碳量的鋼在各溫度下的顯微組織示意圖各種含碳量的鋼在各溫度下的顯微組織示意圖一、鋼的性質一、鋼的性質1.物理性質物理性質(1)隨含碳量增加而減少隨含碳量增加而減少的性質：的性質：比重、熱膨脹係數、電阻溫度係數、熱傳導。比重、熱膨脹係數、電阻溫度係數、熱傳導。(2)隨含碳量增加而增加隨含碳量增加而增加的性質：的性質：比熱、電阻、抗磁力。比熱、電阻、抗磁力。節目錄節目錄2.機械性質，如圖機械性質，如圖4-6所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖4-6 碳鋼含碳量與機械性質關係碳鋼含碳量與機械性質關係3.機械加工及熱處理影響機械加工及熱處理影響(1)熱加工：熱
5、加工：材料材料加熱至再結晶溫度以上加熱至再結晶溫度以上加工。例如鑄造、加工。例如鑄造、熔接、高溫鍛造。因加工溫度高，會使熔接、高溫鍛造。因加工溫度高，會使結晶結晶顆粒較粗顆粒較粗。(2)冷加工：冷加工：材料於材料於再結晶溫度以下再結晶溫度以下加工。例如彎曲、沖加工。例如彎曲、沖壓、低溫鍛造。因加工溫度低，成品壓、低溫鍛造。因加工溫度低，成品尺度較尺度較精密精密。上一頁上一頁節目錄節目錄(3)加工硬化加工硬化：鋼料冷加工程度大時（材料內差：鋼料冷加工程度大時（材料內差排與缺陷增加，使材料變形困難），則硬度、排與缺陷增加，使材料變形困難），則硬度、強度提高，強度提高，伸長率、斷面縮率下降伸長率、斷
6、面縮率下降。(4)熱處理熱處理：淬火、回火、退火、正常化、表面：淬火、回火、退火、正常化、表面硬化等處理，可增加材料外部硬度或內部韌硬化等處理，可增加材料外部硬度或內部韌性，性，改變結晶組織改變結晶組織、改善機械性質。、改善機械性質。上一頁上一頁節目錄節目錄碳鋼含碳量（）碳鋼含碳量（）用途用途0.04 0.10.1 0.20.2 0.30.3 0.40.4 0.50.5 0.60.6 0.70.7 0.80.8 0.90.9 1.01.0 1.11.1 1.21.2 1.31.3 1.41.4 1.5銷、銲接棒、管、白鐵皮、深衝用鐵板。銷、銲接棒、管、白鐵皮、深衝用鐵板。螺栓、螺帽、鉚釘、建築
7、用鋼筋、滲碳用鋼料。螺栓、螺帽、鉚釘、建築用鋼筋、滲碳用鋼料。橋樑、柱子、鍋爐、起重機。橋樑、柱子、鍋爐、起重機。軸、齒輪、螺栓。軸、齒輪、螺栓。軸、鏟、船殼。軸、鏟、船殼。鐵軌、軸、外輪胎。鐵軌、軸、外輪胎。木工鋸、鍛造用模、外輪胎。木工鋸、鍛造用模、外輪胎。鎚、砧、衝頭、鋸條、剪斷機刀口。鎚、砧、衝頭、鋸條、剪斷機刀口。針、衝床用模、圓鋸、岩石用鑽頭。針、衝床用模、圓鋸、岩石用鑽頭。彈簧、刀具。彈簧、刀具。刀具。刀具。刀具、銑刀、螺絲攻、鑽頭、鉸刀。刀具、銑刀、螺絲攻、鑽頭、鉸刀。安全剃刀片、銼刀。安全剃刀片、銼刀。雕刻用刀具。雕刻用刀具。冷硬鑄鐵用刀具。冷硬鑄鐵用刀具。二、碳鋼的用途二、
8、碳鋼的用途構造用途構造用途工具用途工具用途上一頁上一頁節目錄節目錄表表4-4 常見各種碳鋼的用途常見各種碳鋼的用途上一頁上一頁節目錄節目錄1.構造用鋼構造用鋼(1)一般結構用碳鋼一般結構用碳鋼含碳量在含碳量在0.120.20的鋼條、鋼板的鋼條、鋼板：用在建築、橋樑、船舶、火車、車輛、一般用在建築、橋樑、船舶、火車、車輛、一般結構物。結構物。只規定強度只規定強度而對成分沒有嚴格的規而對成分沒有嚴格的規定。以軋延、鍛造製作後使用，為最廣用之定。以軋延、鍛造製作後使用，為最廣用之鋼材。鋼材。(2)機械構造用機械構造用碳鋼碳鋼機械構造用鋼之機械構造用鋼之性質需比一般構造用鋼可靠性質需比一般構造用鋼可靠
9、及優良及優良。以全靜鋼製造，通常需熱處理後使。以全靜鋼製造，通常需熱處理後使用。用。註註1：Si 0.15 0.35、P 0.030、S 0.035、Cu 0.30。註註2：參考文京書局機械材料：參考文京書局機械材料P192。表表4-5機械構造用碳鋼的化學成分機械構造用碳鋼的化學成分上一頁上一頁節目錄節目錄碳鋼碳鋼符號符號化學成分（）化學成分（）CMnS10C0.08 0.130.30 0.60S12C0.10 0.150.30 0.60S15C0.13 0.180.30 0.60S17C0.15 0.200.30 0.60S20C0.18 0.230.30 0.60S22C0.20 0.25
10、0.30 0.60S25C0.22 0.280.30 0.60S28C0.25 0.310.60 0.90S30C0.27 0.330.60 0.90S33C0.30 0.360.60 0.90S35C0.32 0.380.60 0.90碳鋼碳鋼符號符號化學成分（）化學成分（）CMnS38C0.35 0.410.30 0.60S40C0.37 0.430.30 0.60S43C0.40 0.460.30 0.60S45C0.42 0.480.30 0.60S48C0.45 0.510.30 0.60S50C0.47 0.530.30 0.60S53C0.50 0.560.30 0.60S55C
11、0.52 0.580.60 0.90S58C0.55 0.610.60 0.90上一頁上一頁節目錄節目錄表表4-6構造用碳鋼熱處理後之機械性質構造用碳鋼熱處理後之機械性質表表4-6構造用碳鋼熱處理後之機械性質構造用碳鋼熱處理後之機械性質註註1：YS：降伏強度（：降伏強度（N/mm2）、）、TS：抗拉強度（：抗拉強度（N/mm2）、）、EL：伸長率（）、：伸長率（）、RA：斷面縮率：斷面縮率（）、（）、CHV：沙丕衝擊值（：沙丕衝擊值（kgf-m/cm2）、）、HB：勃氏硬度值。：勃氏硬度值。註註2：參考文京書局機械材料：參考文京書局機械材料P193。以以S45C為例，淬火及回為例，淬火及回火熱
12、處理後，火熱處理後，抗拉強度抗拉強度增加增加21%。上一頁上一頁節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄(1)形狀複雜難以鍛造的機件，採用鑄造成形。形狀複雜難以鍛造的機件，採用鑄造成形。(2)鑄鋼機械性質優於鑄鐵鑄鋼機械性質優於鑄鐵，但鑄造性較差，但鑄造性較差，(3)表表4-7為普通鑄鋼之含碳量和其用途。為普通鑄鋼之含碳量和其用途。(4)鑄鋼之熱處理鑄鋼之熱處理通常實施通常實施正常化正常化處理，將組織調整後使用。如處理，將組織調整後使用。如不實施正常化，則須實施不實施正常化，則須實施退火退火以消除內部應力。以消除內部應力。少部分零件須實施淬火和回火。少部分零件須實施淬火和回火。2.表面硬化鋼表面硬
13、化鋼為了使零件為了使零件表面硬度提高表面硬度提高、耐磨耐磨、抗蝕且具有韌、抗蝕且具有韌性（如齒輪、凸輪軸、傳動軸及需要耐磨、耐衝擊的性（如齒輪、凸輪軸、傳動軸及需要耐磨、耐衝擊的零件），使用低碳鋼製造再施以表面硬化處理獲得。零件），使用低碳鋼製造再施以表面硬化處理獲得。3.鑄鋼鑄鋼上一頁上一頁節目錄節目錄表表4-7鑄鋼之含碳量及用途鑄鋼之含碳量及用途鑄鋼鑄鋼含碳量含碳量用途用途低碳低碳0.10 0.20電氣機器用零件。電氣機器用零件。0.15 0.20退火匣、鋼液盛桶、支架。退火匣、鋼液盛桶、支架。中碳中碳0.25 0.30鐵路車輛用零件。鐵路車輛用零件。0.30 0.35造船、橋樑。造船、橋
14、樑。高碳高碳0.35 0.60分塊或粗軋筒。分塊或粗軋筒。0.40 0.50齒輪、工作母機、汽車和鐵路車輛用零件。齒輪、工作母機、汽車和鐵路車輛用零件。鑄鋼內除了碳（鑄鋼內除了碳（C）以外又含有）以外又含有0.5 0.9 Mn、0.2 0.6 Si 及及0.05以下的以下的P 及及S，表，表4-8 表示表示CNS 的的碳鋼鑄鋼件之規格。碳鋼鑄鋼件之規格。上一頁上一頁節目錄節目錄4.其他用鋼其他用鋼(1)工具鋼：工具鋼：製成各式刀具或須具備製成各式刀具或須具備耐磨耗及耐衝擊耐磨耗及耐衝擊性的性的工具。工具。(2)彈簧鋼：彈簧鋼：含碳量含碳量0.351.1及含高矽錳。經淬火及回及含高矽錳。經淬火及
15、回火後具高彈性限界、耐衝擊及火後具高彈性限界、耐衝擊及抗疲勞特性抗疲勞特性等。等。影響碳鋼性質最大元素為影響碳鋼性質最大元素為碳碳（C），還有），還有錳錳（Mn）、）、矽矽（Si）、）、磷磷（P）、）、硫硫（S）等。）等。1.錳（錳（Mn）(1)普通鋼中普通鋼中含量含量0.20.8。(2)工具鋼含工具鋼含 0.20.4之範圍內最為適當，過量之範圍內最為適當，過量易生淬火裂痕。易生淬火裂痕。(3)可與硫化合為硫化錳（可與硫化合為硫化錳（加錳除硫加錳除硫）。）。(4)可降低鋼的變態點，增加淬火效果。可降低鋼的變態點，增加淬火效果。(5)增加硬度（增加硬度（硬化能硬化能）、強度、韌性。）、強度、韌性
16、。(6)有助高溫鍛造和軋延。有助高溫鍛造和軋延。節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄2.矽（矽（Si）(1)矽會使晶粒變粗，通常鋼中的矽含量在矽會使晶粒變粗，通常鋼中的矽含量在0.3以下。以下。(2)常用的脫氧劑常用的脫氧劑。(3)矽固溶在肥粒體內使鋼的矽固溶在肥粒體內使鋼的硬度、彈性限度和硬度、彈性限度和強度增大強度增大，但減小伸長率及衝擊值（韌性）。，但減小伸長率及衝擊值（韌性）。(1)含量約含量約0.06。含量過高則微增鋼材硬度和。含量過高則微增鋼材硬度和抗拉強度，但會減小延性，加工時易生龜裂，抗拉強度，但會減小延性，加工時易生龜裂，稱為稱為常溫脆性常溫脆性。(2)工具鋼含量通常限制在工
17、具鋼含量通常限制在0.025以下；半硬鋼以下；半硬鋼在在0.04以下；軟鋼在以下；軟鋼在0.06以下。以下。(3)固溶於肥粒體，與鐵化合為磷化鐵（固溶於肥粒體，與鐵化合為磷化鐵（Fe3P）。）。(4)易生易生偏析偏析，軋延或鍛造產生帶狀組織（，軋延或鍛造產生帶狀組織（魔魔線線），造成鋼料破壞。），造成鋼料破壞。上一頁上一頁節目錄節目錄3.磷（磷（P）(1)影響最為不良影響最為不良，含量，含量0.02時即會時即會減小鋼的強減小鋼的強度、伸長率和衝擊值度、伸長率和衝擊值。(2)產生硬脆及低熔點硫化鐵（產生硬脆及低熔點硫化鐵（FeS）存於晶界，）存於晶界，當加熱鍛造時發生熔解，導致鍛件龜裂，為當加熱鍛造時發生熔解，導致鍛件龜裂，為鋼的鋼的高溫脆性高溫脆性的成因。的成因。(3)工具鋼、需熱處理之鋼料，硫含量應工具鋼、需熱處理之鋼料，硫含量應0.03；軟鋼軟鋼0.02；鋼質；鋼質變脆變脆。(2)氮氣、氫氣氮氣、氫氣的含量過多時；鋼質的含量過多時；鋼質變脆變脆。(3)氧氣氧氣會使鋼產生會使鋼產生高溫脆性高溫脆性。上一頁上一頁節目錄節目錄5.其他不純物其他不純物
