在營建、海事應用或化學加工等要求嚴苛的產業中，材料工程的重要性不言而喻。當強度、耐腐蝕性與多用途性都至關重要時，316 和 316L 不鏽鋼是值得考慮的選擇。不過，若要為專案選材，就必須將其降伏強度與其他特性一併納入考量。本文將介紹 316 不鏽鋼降伏強度，以及低碳 316L 不鏽鋼的降伏強度，說明兩者的差異、優點與適用範圍。請繼續閱讀，了解如何在這兩種高性能合金中做出合適選擇。
不鏽鋼簡介
不鏽鋼以耐久性和多用途性著稱，廣泛應用於各行各業，這得益於其耐腐蝕、耐熱及耐磨等特性。不鏽鋼主要由鐵、鉻，以及鎳、鉬等其他合金元素組成，這些元素有助於提升強度並賦予材料保護性。不鏽鋼之所以能多年抵抗鏽蝕與失去光澤，是因為合金中的鉻含量至少為 10.5%。不鏽鋼有多種鋼級，其性能特性可滿足結構用、化學加工用或海事用等不同需求。憑藉強度、易於維護及美觀等優點，不鏽鋼廣泛用於工業產品與消費性產品。
什麼是不鏽鋼？
不鏽鋼是一種多用途合金，主要由鐵和鉻組成，並含有不同比例的鎳、碳、錳及鉬等元素。當鉻在合金中的含量至少達 10.5% 時，便會在表面形成稱為氧化鉻層的鈍化保護膜，保護鋼材免於腐蝕與氧化。這層能自我修復的保護膜，賦予不鏽鋼各種耐腐蝕特性。 不鏽鋼的鋼級取決於其成分與用途。例如，304 和 316 等奧斯田鐵系不鏽鋼具有優異的耐腐蝕性，因此常用於廚具、醫療器材及海事設備。鐵素體系不鏽鋼則具有磁性，通常價格較低，因此用於汽車與結構產業。雙相不鏽鋼兼具較高的服役強度與抗應力腐蝕龜裂能力，適合化學工廠等工業環境。 就特性而言，不鏽鋼的抗拉強度相當高，依鋼級不同，約從 515 MPa 到 1,000 MPa 以上。例如，316 不鏽鋼具有較佳的抗氯化物腐蝕能力，可用於海事或含鹽環境。它可承受約 1,400°F (760°C) 的低溫環境，且不會失去結構完整性。 不鏽鋼兼具獨特的外觀設計、出色的強度與耐腐蝕性，持續應用於營建、運輸、能源及醫療等各領域。隨著生產技術不斷演進，不鏽鋼製造在價值工程與環保方面也更加完善，進一步鞏固其作為可靠且永續材料的地位。不鏽鋼鋼級概覽
不鏽鋼依鋼級分為多種類型，各自符合特定的強度、耐腐蝕性與耐久性需求。根據微觀結構與合金成分，可分為四大類：奧斯田鐵系、鐵素體系、麻田散鐵系及雙相不鏽鋼。以下進一步介紹各類型及其用途：
- 奧斯田鐵系不鏽鋼
奧斯田鐵系不鏽鋼是最常用的不鏽鋼類型，包含 304 和 316 等鋼級。這些鋼級含有較高比例的鉻與鎳，因此具有優異的耐腐蝕與抗氧化能力。304 因用途廣泛且價格實惠，常用於廚房設備與汽車飾條；316 添加了鉬，對氯化物及含鹽環境的耐受性更佳，因此適合海事與化學工業用途。
- 鐵素體系不鏽鋼
430 和 446 等鐵素體系不鏽鋼，以優異的抗應力腐蝕龜裂能力及耐高溫氧化性能著稱。這類鋼材的鎳含量較低，有助於降低成本，同時維持良好的耐腐蝕性，常用於汽車排氣系統與家電。
- 麻田散鐵系不鏽鋼
410 和 420 等鋼級屬於麻田散鐵系。這類不鏽鋼的碳含量較高，因此具有出色的強度與硬度。不過，與奧斯田鐵系鋼級相比，其耐腐蝕性較普通。麻田散鐵系不鏽鋼常用於製造餐具、手術器械與渦輪葉片。
- 雙相不鏽鋼
2205 等雙相不鏽鋼兼具奧斯田鐵系與鐵素體系不鏽鋼的優良特性，具有更高的強度、出色的耐腐蝕性及更佳的焊接性。這些特性使雙相不鏽鋼特別適用於石油與天然氣、化學加工及海水淡化產業。
各類不鏽鋼中的每種鋼級都經過精心設計，以優化特定性能指標。例如，316 的抗拉強度約為 515-620 MPa，而 2205 等雙相不鏽鋼的強度可達 600-800 MPa，反映出其在各種嚴苛工業用途中的廣泛適用性。了解這些差異，有助於依據不同用途選出合適的不鏽鋼，確保使用壽命、安全性與成本效益。
降伏強度的重要性
降伏強度是材料領域的重要特性，代表材料開始產生塑性變形時的應力值。超過此值後，材料便無法恢復原狀，因此降伏強度是工程與營建設計中的重要考量。選用降伏強度足夠的材料，可確保結構完整，避免在負載下失效。 不同材料的降伏強度可能有很大差異。例如，碳鋼的降伏強度從低碳鋼的 250 MPa，到 A572 等高強度鋼級的約 500 MPa 不等。不鏽鋼的性能用途廣泛，304 等奧斯田鐵系鋼級的降伏強度約為 215 MPa；2205 等雙相不鏽鋼則可達 450 到 550 MPa，因此雙相不鏽鋼系列適合用於同時要求承受高應力與耐腐蝕的嚴苛環境。 在負載變化頻繁或操作環境嚴苛時，降伏強度尤其重要，例如橋梁、壓力容器及天然氣管線等基礎設施。選擇降伏強度合適的材料，有助於兼顧安全裕度、成本與性能。整體而言，選材時了解並優先考量材料的降伏強度，能協助工程師依各種用途的特定需求，設計堅固可靠的系統。316 不鏽鋼的機械性質
316 不鏽鋼以優異的機械性質著稱，適用於環境條件不容妥協的場合。其抗拉強度為 579 MPa (84,000 psi)，降伏強度為 290 MPa (42,000 psi)。斷裂伸長率約為 50%，顯示其具有良好的延展性。此外，316 不鏽鋼耐腐蝕，且在廣泛的溫度範圍內，甚至低溫環境中，都能維持強度與韌性。這些特性使其適用於要求耐久性與韌性的各種用途。
316 不鏽鋼的降伏強度
降伏強度是材料抵抗造成永久變形之作用力的能力。退火狀態的 316 不鏽鋼鋼級，其一般降伏強度約為 290 MPa (42,000 psi)。不過，這個數值會因材料處理方式而上升或下降，例如冷加工可大幅提升其強度。以 316 不鏽鋼為例，經冷加工後，降伏強度可從 515 MPa (75,000 psi) 提升至 758 MPa (110,000 psi)。
冷加工會提高降伏強度，因此冷加工 316 不鏽鋼可用於需要高強度與耐腐蝕性的用途，例如海事、化學及製藥領域。這種合金在極端環境下仍具有機械強度，因此在高溫與低溫環境中都能持久使用。其多用途特性也使 316 不鏽鋼廣泛受到各產業採用。
與 304 不鏽鋼比較
316 不鏽鋼含有鉬，因此耐腐蝕性較佳，尤其適用於富含氯化物的環境；304 成本較低，適合一般用途。
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參數 |
304 |
316 |
|---|---|---|
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鉬 (Mo) |
無 |
2.0-3.0% |
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腐蝕 |
普通 |
優異 |
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成本 |
較低 |
較高 |
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用途 |
一般、室內 |
海事、化學加工 |
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強度 |
普通 |
較高 |
溫度對機械性質的影響
溫度會大幅影響 316 不鏽鋼的機械性質。這種合金在高溫下仍能維持強度與耐腐蝕性，但其抗拉強度和降伏強度會隨溫度變化而降低。以室溫（約 20°C 或 68°F）為例，316 不鏽鋼的抗拉強度約為 515 MPa，降伏強度約為 205 MPa；當溫度升至 800°F (427°C) 時，抗拉強度會降至約 345 MPa，降伏強度則進一步降至約 138 MPa。 這種材料也具有優異的抗潛變能力，能抵抗力與溫度的持續作用；對於暴露於高溫與固定負載下的用途，這點至關重要。換句話說，合金的耐腐蝕性是其在高溫與應力下抵抗隨時間變形的能力。因此，316 不鏽鋼適合用於發電與化學加工等產業。 316 不鏽鋼在低溫範圍內也展現出優異的韌性。在低溫環境下，這種合金仍保有延展性，不會像許多材料一樣變脆。例如，它可用於液化天然氣 (LNG) 的儲存或運輸。 選擇 316 不鏽鋼用於對溫度敏感的用途時，了解這些溫度效應至關重要。設計零組件時，工程師必須將這些變化納入考量，確保材料在相關溫度條件下達到最佳性能、耐久性與使用壽命。化學成分與物理性質
316 不鏽鋼主要由鐵、鉻（16 到 18%）、鎳（10 到 14%）及鉬（2 到 3%）組成，另含少量錳、矽與碳。鉬能提升其耐腐蝕性，尤其是在含氯化物的環境中。其物理性質包括優異的耐久性、良好的抗氧化能力，以及約 515 MPa 的抗拉強度。這種合金適合用於需要在不同溫度下維持設計完整性的工業廠房。
316 不鏽鋼的合金元素
316 不鏽鋼是一種含鉬鋼級，耐腐蝕性出色，尤其適用於接觸海水或大量化學物質的環境。各合金元素分別帶來不同特性：
- 鉻 (16-18%)：鉻有助於在表面形成穩定的氧化層，保護鋼材免於氧化與腐蝕。這層鈍化膜能自我修復，即使在嚴苛條件下也能確保長期耐久性。
- 鎳 (10-14%)：鎳可提升材料的延展性、韌性及耐腐蝕性，尤其是在酸性與含氯化物的環境中。此外，鎳也有助於維持 316 不鏽鋼的奧斯田鐵系微觀結構，賦予材料無磁性與可成形性。
- 鉬 (2-3%)：鉬是關鍵的添加元素，可大幅提升材料對氯化物造成的孔蝕與縫隙腐蝕的耐受性，因此對海事或化學加工用途至關重要。
- 碳 (最高 0.08%)：碳可增加強度與硬度；控制碳含量則有助於避免焊接時在晶界析出碳化物，否則可能影響耐腐蝕性。
- 錳 (最高 2%)：錳可改善熱加工性，並降低硫含量造成的不利影響。
- 矽 (最高 0.75%)：矽有助於提升材料在高溫下的抗氧化能力，並增強合金的整體強度。
- 磷與硫（最高分別為 0.045% 與 0.03%）：這些元素的含量會控制在最低限度，以提高切削性並避免材料脆化。
316 不鏽鋼常用於要求優異耐腐蝕性與機械強度的用途。海事營建、化學加工、醫療器材製造及食品調理等產業，都仰賴這種合金在嚴苛環境下的卓越性能。
316 與 316L 的物理性質
316 和 316L 不鏽鋼具有多種物理性質，因此用途廣泛，適合要求嚴苛的應用。這些性質包括密度、熔點、熱傳導率等，有助於材料在各種環境中發揮性能。
- 密度：316 和 316L 不鏽鋼的密度皆約為 8.00 g/cm³，因此具有高強度重量比，適合結構與工業用途。
- 熔點：熔點範圍為 2,500°F 至 2,550°F (1,370°C 至 1,399°C)，因此這些鋼材可用於高溫環境，且不易變形或失去結構完整性。
- 熱傳導率：這些合金在室溫下的熱傳導率為 16.2 W/m·K，可在需要散熱或熱管理的環境中穩定運作。
- 電阻率：電阻率約為 0.74 µΩ·m（微歐姆公尺），適用於需要電氣絕緣或控制導電性的用途。
- 磁性：這兩種鋼級在退火狀態下皆無磁性，適合用於對磁性敏感的電子與醫療用途。
316 與 316L 化學成分比較
316 和 316L 不鏽鋼的化學成分相近，但 316L 的碳含量較低（最高 0.03%，316 則最高 0.08%），因此焊接性與抗晶間腐蝕能力更佳。
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參數 |
316 |
316L |
|---|---|---|
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碳 (C) |
≤ 0.08% |
≤ 0.03% |
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鉻 (Cr) |
16.0-18.0% |
16.0-18.0% |
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鎳 (Ni) |
10.0-14.0% |
10.0-14.0% |
|
鉬 (Mo) |
2.0-3.0% |
2.0-3.0% |
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焊接性 |
普通 |
優異 |
|
腐蝕 |
普通 |
優異 |
316 不鏽鋼的耐腐蝕性
316 不鏽鋼具有出色的耐腐蝕性，尤其是在含氯化物、酸及鹼的環境中。鉬能提升 316 不鏽鋼抵抗孔蝕與縫隙腐蝕的能力。因此，316 不鏽鋼適用於海事環境、化學加工及製藥設備，這些用途通常都會受到環境嚴重腐蝕。它能承受環境與化學應力，提供持久的耐久性與可靠性。
了解腐蝕機制
腐蝕是自然發生的劣化過程，精煉後的鋼材會逐漸退化至礦石狀態，其中一種劣化途徑是材料與周遭環境之間的化學作用。腐蝕主要由電化學反應造成。氧化是其中一種主要機制，也是常見的例子：金屬原子在氧氣與水分存在時會失去電子，並在表面形成不穩定的氧化層。以鐵為例，鐵一旦氧化往往難以修復，生成的氧化鐵會削弱結構強度。 腐蝕類型包括均勻腐蝕，也就是腐蝕均勻侵蝕表面；局部腐蝕，包括形成微小凹坑或孔洞的孔蝕；以及導電液體中兩種不同金屬接觸時發生的電偶腐蝕。研究發現，集中性孔蝕的失效速率可比均勻腐蝕快 10 倍。 氣候與環境條件會大幅影響腐蝕行為。重要研究指出，暴露於高鹽度環境（例如海事環境）的材料，極易加速腐蝕。換句話說，在氯離子環境中，保護性合金元素不足的不鏽鋼鋼級可能在數週內開始出現孔蝕。為解決這類問題，316 不鏽鋼等較先進材料添加了鉬與鉻，以抑制腐蝕反應，延長材料在嚴苛環境中的使用壽命。 了解腐蝕機制並尋求預防方法，對營建、運輸與能源產業至關重要。如今，材料科學與新型保護塗層的研究持續進展，工程領域也致力於減輕這些問題，讓材料應用更安全、更有效率。影響耐腐蝕性的因素
多項因素都會影響材料的耐腐蝕性，且各自對材料在腐蝕環境中的易腐蝕程度有重要影響。以下列出這些因素的詳細說明：
- 材料成分
- 材料的化學成分會大幅影響其耐腐蝕能力。例如，含有鉻、鉬、鎳等元素的合金，通常具有較高的耐腐蝕性。
- 數據範例：含有 18% 鉻和 8% 鎳的不鏽鋼（俗稱 304 不鏽鋼），在許多環境中都展現出優異的耐腐蝕性。
- 表面狀態
- 材料表面越平滑、越潔淨，發生腐蝕的可能性就越低。表面不平整、刮痕或殘留污染物都可能成為腐蝕的起始點。
- 電解拋光等表面拋光處理可去除瑕疵，進一步提升耐腐蝕性。
- 環境因素
- 周遭環境會大幅影響腐蝕速率，包括濕度、溫度，以及氯化物或酸性化合物等腐蝕性物質的存在。
- 數據範例：氯化物濃度較高的環境（例如海洋環境）會加速腐蝕，因此不鏽鋼需要額外的防護措施。
- pH 值
- 在酸性較強（低 pH）或鹼性較強（高 pH）的環境中，材料較容易腐蝕。鈦等特定材料在較廣的 pH 範圍內則具有更佳的穩定性。
- 應力作用
- 承受機械應力或發生變形的材料容易產生應力腐蝕裂縫，這種現象是腐蝕與機械損傷共同作用的結果。這類腐蝕尤其會影響在富含氯化物環境中的金屬，例如不鏽鋼。
- 溫度變化
- 高溫會提高反應速率，進而加劇腐蝕。舉例來說，若未妥善防護，材料在高溫條件下可能會氧化（生鏽）。
- 防護塗層與處理
- 陽極處理、鍍鋅或塗裝等表面處理，可大幅提升耐腐蝕性。
- 例如，鋅塗層在腐蝕環境中能透過屏障防護與犧牲作用，保護鋼材基材。
- 設計與幾何形狀
- 尖角、縫隙，或不易清潔與乾燥的區域等不佳設計，可能會積聚水分並導致局部腐蝕。確保排水順暢，並讓表面易於觸及，可降低這類風險。
- 暴露時間
- 材料暴露於腐蝕環境的時間長短，會直接影響腐蝕程度。與長時間接觸侵蝕性物質相比，短期暴露時材料的表現較佳。
- 電化學電位
- 電化學電位較負的金屬較不貴重，在形成電偶時也較容易腐蝕。選擇相容的材料有助於減輕電偶腐蝕。
了解並管理這些因素後，各產業便能更準確地預測及控制腐蝕問題，確保關鍵基礎設施的耐久性與可靠性。
受惠於耐腐蝕性的應用領域
在許多產業中，材料劣化可能造成安全風險、營運效率低落及額外成本，因此耐腐蝕性十分重要。採用耐腐蝕技術的主要領域包括： 1. 航太產業 飛機與太空船零件經常處於極端環境條件下，包括溫度變化、高濕度與含鹽氣氛。為確保強度並減少維護，鈦與鋁基材料及塗層等耐腐蝕合金備受重視。採用先進塗層後，飛機的使用壽命據稱延長約 10-15 年，大幅提升安全性並降低長期成本。 2. 海事與離岸結構 船舶、石油平台與離岸風力發電機在海水環境中運作，這些環境鹽分高、濕氣持續，容易造成嚴重腐蝕。使用不鏽鋼、雙相鋼與專用海事塗層，可大幅提升抗孔蝕與縫隙腐蝕能力。據指出，採用防護塗層的船舶，維護需求通常可減少約 40%。 3. 營建與土木工程 橋梁、管線與敵方增援會受到環境污染、接觸水分或除冰鹽的影響。環氧樹脂塗層與耐候鋼等耐腐蝕補強材料，適合用來延長這些結構的使用壽命。有些研究顯示，橋梁採用腐蝕防護措施，平均可延長 20 年壽命，進而減少重大維修次數。 4. 生醫產業 植入物、手術器械與醫療裝置的設計須能與體液相容，否則傳統材料可能會腐蝕。鈦、鈷鉻合金與生物相容塗層等材料，能在人體內提供耐久性並抵抗劣化。例如，鈦植入物長期具有高度耐腐蝕性，可維持數十年的可靠功能。 5. 化學製程廠 處理酸、鹼等侵蝕性化學物質的工廠，必須採用高性能材料來抵抗腐蝕損害。鎳合金、鐵氟龍塗層與纖維強化塑膠通常用於維持設備效率與安全。據估計，改善腐蝕控制可使工廠非預期停機時間減少 25-30%。 企業若依各產業需求採用先進的耐腐蝕材料與技術，便能保護製程、降低對環境的影響，並大幅減少長期成本。316 不鏽鋼的應用
在需要優異耐腐蝕性與耐高溫性的環境中，會使用 316 不鏽鋼。常見用途包括：
- 海洋環境：因具備耐鹽水腐蝕性，適用於船舶、碼頭與沿海結構的營建。
- 食品與飲料產業：用於食品槽、配管與加工機械，這些設備對衛生條件與耐久性要求極高。
- 化學製程：用於盛裝腐蝕性物質的容器與配管系統，安全性與使用壽命是首要考量。
- 醫療設備：因具生物相容性且適用於退火處理，常用於手術器械與植入物。
- 建築五金：以美觀的表面處理，用於外牆立面與暴露於惡劣天候的結構。
這種多功能性使 316 不鏽鋼成為少數嚴苛用途的可靠選擇。
各產業的特定用途
1. 食品與飲料產業 這種鋼材廣泛用於乳品、啤酒與葡萄酒產業的不鏽鋼槽、鋼管及加工設備製造，並可透過耐腐蝕處理，特別提升抗酸與抗鹽能力。近期有研究指出，與一般材料相比，這種材料的耐腐蝕能力每年可為製造商降低 20-30% 的維護成本。 2. 海事產業 316 不鏽鋼能抵抗氯化物引起的腐蝕，因此廣受海事環境採用，尤其適用於船舶配件、沿海基礎設施工程與海水淡化廠等接觸鹽水的環境。據報導，在鹽分環境中使用 316 不鏽鋼結構，相較於其他合金可提升 50% 的耐久性，延長使用壽命。 3. 製藥與生物科技 製藥與生技產業對潔淨度要求極高，因此會使用 316 不鏽鋼。其表面十分平滑，可抑制微生物生長；耐受強效清潔劑的特性則有助於維持衛生條件。製藥製造研究指出，使用這種材料可大幅降低污染風險，進而確保更高程度的法規遵循。 4. 化學製程 這種鋼級廣泛用於化學製程廠，因為它能承受高溫，以及硫酸與苛性溶液等化學物質造成的嚴重侵蝕。熱交換器、儲槽與反應器通常以此鋼級製造，即使在嚴苛的工廠環境中也能確保耐久性。材料改用此鋼級後，工廠效率提升超過 15%，與腐蝕相關故障造成的停機時間也有所改善。 這種鋼材能廣泛適用於各種嚴苛產業，進一步確立 316 不鏽鋼作為首選材料的地位，適合要求耐久性、耐腐蝕性與高效能的用途。316 與 316L 在應用上的比較
316 不鏽鋼強度較高，較適合高壓用途；316L 的耐腐蝕性較佳，適合銲接以及氯化物暴露量高的環境。
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參數 |
316 |
316L |
|---|---|---|
|
碳含量 |
較高 |
較低 |
|
強度 |
較高 |
略低 |
|
腐蝕 |
普通 |
優異 |
|
焊接性 |
普通 |
優異 |
|
用途 |
高壓、海事用途 |
銲接、化學、醫療用途 |
使用 316 不鏽鋼的優點
依我的經驗，316 不鏽鋼具有優異的耐腐蝕性，尤其適用於海事或化學用途等嚴苛環境。它的耐久性極佳，因此能降低維護成本並延長設備使用壽命。此外，憑藉其強度與耐熱特性，也廣泛用於高溫作業。它也是食品加工與製藥產業的衛生材料選擇。整體而言，我認為它是適用於嚴苛用途、可靠性高且用途廣泛的材料。
參考資料
1. 異質微結構 316 不鏽鋼的溫度相關變形行為- 作者：Jiahe Wan 等人
- 期刊：Steel Research International
- 發布日期：2024年十二月27日
- 引用標記：(Wan 等人，2024)
- 研究發現：
- 這項研究探討具有異質結構的 316 不鏽鋼之機械性質與變形行為，其結構由變形晶粒與再結晶晶粒組成。
- 研究發現，與室溫相比，異質結構試樣在低溫下的降伏強度顯著較高；均質結構試樣的降伏強度則大致維持不變。
- 研究將此差異歸因於差排強化與異質變形誘發的強化作用。
- 研究方法：
- 研究人員透過系統性研究，在不同溫度下進行拉伸試驗以評估降伏強度，並搭配微觀結構分析，了解差排與晶粒結構的影響。
- 作者：Mustafa Türkmen 等人
- 期刊：Metals
- 發布日期：2023年十月26日
- 引用標記：(Türkmen 等人，2023)
- 研究發現：
- 這項研究探討 316 L 不鏽鋼中鈦（Ti）與錳（Mn）比例的變化，如何影響其微觀結構與機械性質。
- 最佳成分（Ti 與 Mn 的含量均為 0.35 wt%）使降伏強度與硬度達到最高。
- 提高 Ti 與 Mn 的比例會降低機械性質。
- 研究方法：
- 研究採用粉末冶金技術製作試樣，包括冷壓與燒結。研究人員透過拉伸試驗與硬度測量評估機械性質，並以光學顯微鏡與掃描式電子顯微鏡（SEM）分析微觀結構。
- 作者：O. S. Ogbonna 等人
- 期刊：《國際先進製造技術期刊》
- 發布日期：2023年三月3日
- 引用標記：(Ogbonna 等人，2023，頁 749–758)
- 研究發現：
- 本文提出一種最佳化低碳鋼與 316 不鏽鋼異材銲接參數的方法。
- 與初始設定相比，最佳設定可達到更高的極限抗拉強度、降伏強度與伸長率。
- 研究方法：
- 研究採用灰色關聯 Taguchi 最佳化方法，利用 L9 Taguchi 直交表分析銲接電流、電壓與氣體流量對多項性能特性的影響。
