1-2構造用合金鋼
構造用合金鋼是指使用在構成機械的零件或建築土木等各項工程結構上的鋼料，例如：大型機械軸、壓力容器、高層建築、橋樑鋼架或高強度螺栓、齒輪等。這些場合所需要的材料特性為：較高的抗拉強度、伸長率、衝擊值、疲勞限度等，同時也需要具備良好的鑄造、鍛製、切削或焊接的能力，以符合應用上的需要。實用上，構造用合金鋼由於使用的場合不同，一般區分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬於低含碳量和低合金量，構成之後也無法再實施熱處理，大多用於車架或車箱、火車及船體，它包括高強度低合金鋼、易切鋼等。後者多屬於熱處理用中合金鋼，大多用於機械元件例如：曲柄軸、高強度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增進鋼的硬化能及降低質量效果，而經由熱處理則可以得到更強韌的機械性質，這類鋼料包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。
1-2-1高強度合金鋼(HSLA Steel)
高強度低合金鋼主要是替代在構造上使用的低碳鋼，由於工程結構上使用的鋼料大多需要銲接，如果使用高碳鋼，容易使銲道在銲接冷卻時產生淬火脆化的麻田散鐵組織，因此為避免材料因熱影響而轉劣，必須使用較低含碳量但強度較高的材料，高強度低合金鋼就是一此要求而發展出來。這種鋼料是將少量特殊元素固溶在鋼中，尤其是在低碳鋼中佔絕大部分的肥粒鐵基地，使之強化而改變鋼的機械性質，增進其機械強度。由於大型結構物銲接完成之後都難以熱處理，所以在正常化或是軋延狀態就要有高強度，也就是以固溶的方式在製造材料時就已完成強化。高強度低合金鋼的種類很多，一般抗拉強度必須在50kgmm2以上，高強度低合金鋼的分類通常是以機械性質如：抗拉強度、降伏強度、延伸率等區分，而不是以成份來區分。添加的元素為以Mn、Si、Nb、V、N影響較大，Co、Cr的影響較小。高強度低合金鋼由於強度高出普通碳鋼甚多，因此對於同樣的負荷而言，可以使用較小的斷面，因而整體重量也可以減輕。 使HSLA鋼之強度增強的方法，除了加入少量的合金元素，在軋鋼廠中經由特殊的軋延及冷卻過程中也可以加入。具備良好加工成形性的HSLA鋼除了特有的合金元素外，另外還加入有稀土金屬元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如Co、V、 Ti也有效果。製程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低對應變速度、微化晶粒等來改進加工成形性。加工成形性的需求，主要是為了適應諸如：汽車、船舶等結構成形的需要。早期HSLA鋼在耐蝕性表現甚佳，但是為了改善加工成形性，因而必須犧牲一些防蝕能力，以換取較佳的成形性，又由於HSLA鋼所做成的機件比由普通碳鋼所做成的機件更薄，因此一旦生銹，氧化的銹層會使HSLA鋼能承受荷重的斷面大受影響。因此需加入像Cu等能改進大氣耐蝕性的元素進行，但由於會增加成本，因此後來的作法，是在HSLA鋼之表面鍍鋅或其他防銹的表面處理，以增加其耐蝕性。HSLA鋼在汽車工業的應用上，它不但可以取代傳統的普通低碳鋼，也更可以使用較薄的斷面而不致於降低強度、耐蝕性及抗拉強度，目前小汽車所使用的高張力鋼板就屬於HSLA鋼，其厚度約在0.6mm或更厚。其他如：貨車、營建機械和其他重噸位車輛皆可使用HSLA鋼的薄板或厚板來做車架或車體構件。用於這些用途的HSLA之鋼板原大致為1.5mm或更厚。構造用HSLA鋼，且可用於沿海之鑽油機、電力輸送機、火車及船體。
1-2-2易切鋼(Free-machining steel)
易切鋼是為了改善切削性和切削加工表面而發展的一種鋼料，主要使用於在強度較低的小型零件。由於經濟及迅速切削的需求，加上自動切削機械的發展，因此在不特別要求強度的小型零件，就可以採用此種鋼來製造。改善鋼切削性的方法有：在鋼中加入合金元素，以弛力退火減少殘留應力或調整顯微組織的性質等，而易切鋼主要就是在鋼中添加磷、硫、鉛等合金元素的方法。加硫0.1~0.25%的易切鋼稱為硫易切鋼，加鉛0.1~0.3%的易切鋼稱為鉛易切鋼。由於加硫可以與鋼中的錳形成MnS，使得切屑變小且沒有黏滯性，因此可以改良切削性，添加磷可以使鋼質變脆，可以增加切削加工面的光滑度，加鉛也可以使切屑變小，並有潤滑作用，但由於硫及磷對機械性質有害，因此這種鋼料多用在不重視強度的螺絲及螺帽等。此外，如鈣Ca、碲Te、硒Se、鉍Bi也都有改善切削性的功能，Ca易切鋼是煉鋼時用Ca脫氧，其能形成易切的原理與S、P和Pb不同，Ca易切鋼是脫氧時的生成物，在切削時熔著於切刃邊，能產生減少磨擦的作用，而且具有保護刀具，增加刀具壽命的功能。
1-2-3熱處理用合金鋼
上一節曾經提到，在肥粒鐵基地中加入合金元素，可以改良在正常化狀態使用的鋼之性質，但是如果要更充分的發揮這一類合金鋼的機械性質，以得到更高的硬度、強度和韌性，就應該實施淬火及回火處理，只是由於大型結構物可銲性的要求和不易實施熱處理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶於肥粒鐵，而達到強化的目的(這樣的方式稱為固溶強化)。熱處理用合金鋼大多是應用於機械構成的零件，例如：曲柄軸、齒輪、強力螺栓、鍵、銷等，這些元件注重強度，而且接合的方式也大多不使用銲接，因此假如能利用熱處理，使這一類合金鋼形成回火麻田散鐵的組織而加以應用，就可以得到兼具強、韌的效果。熱處理用合金鋼就是在碳鋼中加入合金元素，並且經由熱處理而可以得到強韌性質的鋼料，因此也稱為強韌鋼。碳鋼如果用於構造上有兩個主要的缺點：一是硬化能較差、質量效果大，另一是回火時機械強度降低甚大。前面提過，硬化能是指淬火後，距離淬火端硬度降低的程度。質量效果是指當尺寸較大的零件，在淬火時其中心部份得到硬化效果的難易程度。質量效果大的材料，淬火時中心的硬度降低甚快，這樣的現象在碳鋼比較顯著。而如果碳鋼中加入了特殊元素，恆溫變態曲線(S曲線)就會右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相當的硬度。因此加入適當的合金元素就可以使鋼料容易得到淬火的效果，增高硬化能而減少質量效果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，發揮淬火的效果，在回火處理時也可以減少硬度、強度受到的影響，即使回火到較高的溫度，也可以得到強度及韌性高的組織。現在我們已經暸解，在構造用合金鋼中加入合金元素的目的，主要是增進硬化能及抵抗回火軟化。在合金鋼所加入的元素中，Cr、Mn、Mo的效果較大，其次是Ni，由於Ni的價格較高，因此如果只為減小質量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加價格較低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素對硬化能的影響，大致可以由硬化能倍數(multiplyingfactor)看出，硬化能倍數大的元素，增加鋼的硬化能也愈大。許多合金元素如P、Si對於鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以並不適合。在鋼中添加Si也可以減緩回火軟化的現象，但是與Cr或Mo比較就可以發現，添加Cr或Mo除了使回火軟化減緩之外，在較高溫回火的情況下，還會產生二次硬化的現象，而使硬度能夠再度上升。這種二次硬化的現象，在鎢W、釩V等元素也有類似的現象，W、V是合金工具鋼的重要元素，二次硬化的現象對於工具鋼會產生特殊的切削效果，這一部份將在下一節詳細說明。熱處理用合金鋼，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，常用的熱處理用合金鋼有：鎳鋼、鉻鋼、鉬鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。要特別注意的是，即使在這裡合金元素的種類與隨後要說明的某些特殊鋼(例如：不銹鋼)類似，但含量較少，所以效果也不一樣。1．Ni鋼鋼中添加鎳可以增加鋼的強度，但是在淬火硬度上並沒有很大的改善，同時在回火軟化的抵抗性質上也並沒有明顯增加，加上鎳的價格較高，因此單純加鎳的鎳鋼*近已不常用，Ni鋼在鋼料編號上是屬於SAE2XXX系，JIS對鎳鋼則不作規定。Ni鋼中鎳的添加量約為3~5%，主要優點是可以增加鋼的低溫強度降低鋼的轉脆溫度(Transitiontemp.)，同時也可以作為滲碳用鋼。2．Cr鋼碳鋼中加入1%鉻左右，可以增加鋼的硬化能和回火軟化抵抗性，鉻鋼一般是由830℃~880℃淬火於油中，再回火於550℃~650℃附近，由於這種鋼料在回火時容易產生材質變脆的現象(稱為回火脆性)，所以在回火之後必須冷卻於水中或油中以避免產生回火脆性，這類鋼的直徑如果大於60mm，就不容易得到充分的淬火效果。鉻鋼在鋼的編號上屬於SAE5XXX系，JIS編號為SCrxx。鉻鋼經熱處理淬火、回火後，硬度高、耐磨而且耐衝擊，主要的用途有：挖土機重機械的鋼齒、機斗、碎石機械等。3．Mo鋼Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距離很大。Mo對於回火時軟化的抵抗性也很好，因此可以經過高溫回火，而得到極佳的強度和韌性。鉬鋼含Mo量約0.2%~0.3%，另外含有少量Mn等元素，銲接性好，在鋼料編號上屬於SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機械零件、螺栓等。4．Ni-Cr鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr含量在超過1%以上時，效果就不會再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一種方法，因為Ni能有效的增加肥粒鐵的強度和韌性。Ni-Cr鋼的鎳含量約1%~3.5%，鉻含量約0.5%~1.0%。另外，由於鉻及鎳加入鋼中，還有防腐蝕的效果，當鉻、鎳含量更高時，*主要的效果就變成以防蝕為主，而不是硬化能。在耐蝕鋼中，含鉻18%、鎳8%的高合金鋼，我們稱為18-8鋼，就是一種常用的不銹鋼。Ni-Cr鋼在鋼料編號上屬於SAE3XXX及SAE43XX系，JIS編號為SNCXX，在構造用合金鋼中，Ni-Cr鋼是其中較為常用的，通常用於製造曲柄軸、連桿、齒輪等。5．Cr-Mo鋼含有鉻和鉬的合金鋼硬化能大、回火抵抗性高，而且較不會產生回火脆性，所以是一種用途很廣的材料。Cr-Mo鋼是在含Cr量1％的鋼料中，再添加0.15%~0.30%的Mo，某些場合可以替代Ni-Cr鋼，在鋼料的編號上是屬於SAE41XX系，JIS編號為SCMXX。Cr-Mo鋼使用的場合，例如：汽車曲軸、鍛造或機製的軸、軸環和葉輪等。6．Ni-Cr-Mo鋼Ni-Cr-Mo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的優點，其中添加元素分別為0.4%~3.5%Ni、0.4%~3.5%Cr、0.15%~0.70%Mo。Ni-Cr-Mo鋼具有極佳的硬化能，淬火有效直徑可以達200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo鋼對於回火軟化的抵抗性大，又因Mo可以顯著改善Ni-Cr鋼高溫回火脆性的缺點，因此能回火至相當的高溫，而得到優良的強韌性，所以Ni-Cr-Mo鋼可以說是構造用合金鋼中*優秀的。Ni-Cr-Mo鋼質量效果小，從淬火溫度以空氣冷卻也可以淬硬，因此又稱為 自硬性鋼 (self hardening steel)或 風硬性鋼 (air hardeningsteel)，一般由850℃~950℃冷卻於空氣中或淬火於油中，再回火於550℃~650℃，如果含Mo量高，回火後不須急冷。Ni-Cr-Mo鋼也適於大型零件，其鋼料編號為SAE8XXX，JIS編號為SNCMXX，用於大型軸、曲柄軸、高強度螺栓，以致於中小型軸或內燃機連桿等。
表2 碳鋼與典型鎳鉻鉬鋼機械性質的比較鋼種 主 要 成 分 (%) 熱處理 抗拉強度kgmm2 衝擊值kg-mmm2 Brinell硬度 C Ni Cr Mo Mn 碳鋼 0.40~0.50 -- -- -- 0.40~0.85 淬火回火 70 8 201~ 269S30NiCrMo2鋼 0.25~0.35 2.50~3.57 2.50~3.50 0.50~0.70 0.35~0.60 淬火回火 110 8 302~352