第 1 章 緒 論

1. 第1章 緒　論 1-1 金屬及合金的通性 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-3 金屬的塑性變形 1-4 金屬的凝固與變態

2. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 日常生活中，我們所使用的任何東西都是由各種不同的材料所製造出來的，而這些材料可能是鐵基材料，也可能是塑膠或大理石之類的材料等，種類與樣式之多，不勝枚舉。為了有系統的講解與說明，一般大致上可把材料分為金屬材料與非金屬材料兩大類。若要更詳細的分類則可將材料歸納成四大主要類別，如表1-1 所示。

3. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性

4. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 由表中可以知道常用的材料大致可以分為：(1)鐵金屬材料（如不鏽鋼門）、(2)非鐵金屬材料、(3)有機質材料（如儲櫃）、(4)無機質材料（如大理石牆板）等四類，如圖1-1 所示。其中以金屬材料用途最廣，因為它最能滿足一般工業界的需求。其它三種類別材料則為現代科技材料開發的重心。本章先就金屬材料部分作詳細的探討與瞭解。

5. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性

6. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 現代工業界應用較廣泛之金屬材料可分為鐵金屬材料及非鐵金屬材料兩大類。此兩大類材料可依所含的純金屬元素與合金成分來說明個別的性質，兩者的區分如下：

7. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 純金屬 純金屬的組織成分是由單一種元素組成，且此種元素單獨存在自然界中。目前自然界發現之元素計有118 種之多且正陸續的發現中，其中111 種已有中文命名，純金屬元素數量最多，較常用的有：鐵、銅、鋁、錫、鉛、鋅、鎢、鎂等，如表1-2 所示。

8. 1-1 金屬及合金的通性

9. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性

10. 1-1 金屬及合金的通性 1-2 金屬的結晶構造與組織 合金 合金是一種金屬和另一種或一種以上的金屬或非金屬互相溶合而成，例如：黃銅為銅元素與鋅元素之組成；青銅為銅元素與錫元素之組成；高速鋼為鐵內含有鎢元素、鉻元素與釩元素三種純金屬所組成。由兩種成分金屬元素所組成之合金稱為二元合金，而三種成分金屬元素組成之合金稱為三元合金，其餘依此類推。一般機械工業所使用的金屬材料均以合金狀態使用，主要是合金能增加各種不同的機械性質，發揮金屬的優良性質，以滿足工程上日益要求嚴格與精密的條件。

11. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 1.各種材料表面具有不同的光澤且不透明。 2.在常溫時，除了汞（液態）以外，一般金屬均為固體且為結晶體之形態存在。 3.具有優良的導電性及導熱性。 4.延展性佳，適合塑性變形加工。

12. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 5.除鋰、鈉、鉀等三種元素比重小於1 之外，其餘比重均大於1；另外比重大於4 者稱為重金屬，例如：鐵、銅、鎳等；比重小於4 者，稱為輕金屬，例如：鋁、鎂、鈹等。 6.除了鈹、鋁、鉻等三種元素為兩性元素，即溶於水中會呈酸鹼兩性反應者外，一般氧化物或氫氧化物材料若能溶於水中多呈鹼性反應。

13. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 1.熔點降低 絕大部分合金熔點均較原組成金屬的熔點為低，例如：純鐵的熔點為1539℃，而含碳量4.3%C 的共晶鑄鐵熔點則為1147℃。所以，合金比較容易熔化，可在較低溫的狀態下進行各項不同加工。

14. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 2.延展性降低 合金的延展性亦會降低，例如：純鋁的伸長率約為40%，而鋁銅合金的伸長率則降為30%以下。合金的延展性降低，相對的其強度與硬度增加，例如：純鋁的降伏強度約為20MPa或20N/mm2，而鋁銅合金之降伏強度則增加為70MPa或70N/mm2。所以，合金能承受較大的外力而不易變形。

15. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 3.導熱度降低 例如：純銅的導熱度為0.93 cal/cm sec ℃，而銅鋅合金的導熱度則為0.30 cal /cm sec ℃。 4.電阻增大，導電性降低 例如：純銅的電阻係數為1.6×10 6 ohm-cm，而銅鋅合金的電阻係數則為6.2×10 6 ohm-cm。

16. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 5.熱處理性能增加 熱處理是改變材料性質的重要方法，惟並非每一種材料均可實施熱處理。例如：純鐵無法熱處理，但碳鋼（鐵碳合金）則可以進行熱處理，此點是合金最重要之特性。 6.耐蝕性較佳 大部分使用中合金之耐蝕性均較其純金屬為佳。

17. 1-1 金屬及合金的通性 1-1 金屬及合金的通性 綜合以上所述，我們可以知道合金無論在需求與功能上，均較純金屬多樣且多變，同時可以熱處理方法改善合金的機械、物理及化學性質，提供純金屬無法滿足的需求。其中，尤以強度及硬度最為重要，所以，一般合金的強度與硬度均比原金屬為高。此外，合金的成分及性質可視所需依照比例加以研究製造，得到所期望之性質與結構，更增加合金使用的範圍及彈性。

18. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 金屬是由原子所構成的，原子本身的構造可以決定金屬的各項性質；而金屬製品從外觀上看不出真正的內部原子排列方式，所以必需藉由電子顯微鏡或X線繞射儀等儀器之輔助，以瞭解其內部之結晶構造。由原子本身的構造及存在狀態，可推斷金屬的若干性質。

19. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 結晶粒的粗細、形狀、方向及結合狀態稱為組織。金屬材料經切開後，截面上經以顯微放大鏡觀測後，可看到許多微小的粒子，這些微小粒子就是金屬的晶粒（Grain）。這些晶粒的大小約為0.01～ 0.1mm，每個晶粒內均包含著為數不等的原子。現在我們截取出一個晶粒並且模擬X線繞射法所測出之結晶構造繪製示意圖，如圖1-1 所示。由圖可知晶粒內之原子是依照一定的規則排列的。

20. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 圖中的小圓球代表原子，原子是以一個正立方體的形式排列，在每個原子的上下前後左右皆有原子以相同的形式排列。

21. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 若把每個原子中心以假想線串連，則在空間中可得到一個立體格子，稱為空間格子（Space lattice）或結晶格子（Crystal lattice）。它是一個假想的格子，可表示晶體內原子在空間的配置情形。若將結晶格子細分至最小程度而 仍能代表整個結晶格子之特質者稱為單位格子（Unit lattice）或單位晶胞（Unit cell），如圖1-2 所示。

22. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 沿空間格子同一結晶方向任何相鄰二原子間之距離稱為格子常數（Lattice constant），以（埃）表示其單位（1 =10 8cm）。隨著結晶格子型式的不同，其格子常數也不同。 金屬的種類雖多，其結晶格子依單位晶胞的型式計有十四種之多，可分為斜方體、正方體、六方體及立方體等。

23. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 其中，最常見而且最重要的金屬結晶格子主要有三種即為體心立方格子（BCC）、面心立方格子（FCC）及六方密格子（HCP）等，如表1-3 所示。茲分述如下：

24. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 1.體心立方格子 體心立方格子（Body-centered cubic iattices）簡稱為BCC，如表1-3(a)所示。體心係指各邊長相等且均為一個格子常數的立方體。立方體的各頂點上有一個原子且每個原子均有1/8 個原子在晶胞內。立方體內部中心有一個完整的原子並不與其它晶胞共用。所以一個BCC 單位晶胞所含之原子數為8 ×1/8 + 1 = 2（個）。屬於體心立方格子之金屬有-Fe（肥粒鐵）、-Fe（變形肥粒鐵）、Ba、W、Mo、Nb、Ta、K、Na、V、Cr、Li、Rb、Cs 等，其性質為強度高而延性差。

25. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 2.面心立方格子 面心立方格子（Face-centered cubic lattice）簡稱為FCC，如表1-3(b)所示。立方體頂點上有一個原子且為八個單位晶胞所用，故每個晶胞內均有1/8 個原子。立方體六個面上均有一個原子，每個原子為二個晶胞所共用，故每一晶胞擁有1/2個原子。所以，一個FCC 單位晶胞所含之原子數為8 ×1/8+ 6 ×1/2 = 4（個）。屬於面心立方格子的金屬有-Fe（沃斯田鐵）、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni、Ca、Sr、Ir、Th、Rh、Rd、-La、-Ce、Pt等。面心立方格子性質富延展性，易於加工。

26. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織

27. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 3.六方密格子 六方密格子（Close-packed hexagonal lattice）簡稱為HCP，如表1-3(c)所示。在六方體中原子排列成六方柱體，十二個頂點位置各有一個原子，上下面中心各有一個原子，柱體內部有三個原子。在頂點上任一個原子皆由鄰近六個單位晶胞所共用，故每一個晶胞均擁有1/6 個原子。

28. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 上下面之原子是由二個單位晶胞所共用，所以每一個晶胞擁有1/2個原子。柱體內三個原子為晶體本身所擁有，不與其它晶胞所共用。故每一個HCP 單位晶胞所包含之原子總數為12 ×1/6 + 2 ×1/2+ 3 = 6（個）。屬於HCP 的金屬元素有Mg、Be、Hf、Os、Er、Nd、Re、-Ti、-Zr、-Ce、-La、Cd等。六方密格子的性質硬且脆，不易加工，須加溫後稍具延性方可加工。

29. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織

30. 1-2 金屬的結晶構造與組織 1-2 金屬的結晶構造與組織 通常要表示某種金屬的結晶構造時，只要列出單位格子的型式及格子常數即可。一般格子常數有a、b、c 三邊長度及夾角，a 表示長度，b 表示寬度，c 表示高度；在BCC 與FCC 中，其邊長關係為a = b = c。相關的邊長關係可參考表1-3 所示。另外，隨溫度與外力等的變化，各晶粒的格子常數亦將隨之而變化。

31. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 金屬材料能夠廣泛的被使用於日常生活中各式器具之原料，除了前述重要特性外，容易被加工成各種形狀且仍保有原有性質之能力，也是重要因 素。這個能力稱為變形能力。 而非金屬材料雖然亦被使用很多，然因其被改變形狀的能力不若金屬材料強，所以，使用範圍就不像金屬那樣的廣泛。例如大理石材，其形狀均較規則而且脆性很大，一旦施以加工時，極容易產生斷裂現象，其變形能力較金屬為差。

32. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 金屬的變形可分為兩種，一種稱為彈性變形，另一種稱為塑性變形；分述如下： 1.彈性變形：當物體承受一定外力時，物體將產生一定之變形量，當外力除去後，物體會恢復原來形狀且不殘留任何之變形量。 2.塑性變形：當外力除去後，物體的變形量有部分會恢復，但有部分會殘留於材料內，形成永久變形且無法恢復原來之形狀。

33. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 彈性變形與塑性變形間的區分在於物體受力後其內部所誘生的應力值是否超過其彈性限度而定。當應力超過彈性限度時，物體產生塑性變形，且無法完全恢復原形，反之則否。所以，金屬可以實施各種塑性加工，製成各種不同的形狀，以滿足人類生活器物之供應，而非金屬則較受限制。

34. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形

35. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 生永久變形而成為所需形狀或尺寸的加工方法，稱為塑性加工（Plastic work機械材料- ing）。金屬材料的變形能力常隨溫度的上升而增加，也就是說將材料加溫後，材料將比較容易加工。所以，一般在施行塑性加工時，均將材料加熱至一定溫度後，再以各種不同的外力直接或間接施於材料上，使之成形。

36. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 1.熱作加工 凡是將金屬材料加熱至材料本身的再結晶溫度（Recrystallization temperature）以上施以塑性加工者稱為熱作加工或高溫加工（Hot working）。常見金屬的再結晶溫度，如表1-4 所示。較為常用的熱作加工合金材料成分有鋁、鎂、銅等。

37. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形

38. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 1.熱作的優點 (1)可大量消除金屬內部的孔隙。 (2)金屬內部的雜質，經加工而破碎，均勻分布於金屬內部。 (3)粗晶粒經加工後而細化，材料的強度、韌性微幅增加。 (4)改變材料形狀所需的加工能量較冷作為低。

39. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 2.熱作的缺點 (1)高溫加工時，金屬易氧化而產生鏽皮脫落，材料表面光度差。 (2)因熱脹冷縮的現象發生，加工精度較冷作不易控制。 (3)高溫加工所需的設備費用及維護費用較高。 (4)高溫操作危險性較高。

40. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 一般純金屬的再結晶溫度約為其熔點的0.4 倍左右。所謂再結晶就是可使材料內部結晶粒細化的作用。若將金屬材料予以加熱，隨著溫度升高與外力的增加，結晶粒逐漸成長、碎斷再重新融合變成新的細小之多角形晶粒，此種現象稱為再結晶，如圖1-3(a)所示為熱作加工時晶粒的再結晶過程。在合金中，最常用的合金為碳鋼，其為鐵與碳之合金，再結晶溫度為510～700℃。

41. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形

42. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 冷作加工 將金屬材料加熱至材料本身的再結晶溫度以下的溫度施以塑性加工者稱為冷作加工、常溫加工或低溫加工（Cold working）。常用於冷作加工材料有鉛、錫、鋅等，如圖1-3(b)所示。 1.冷作的優點 (1)金屬表面不易產生氧化層。 (2)材料的強度及硬度增加。 (3)材料的再結晶溫度提高（不一定會產生再結晶現象），當下一次再施以冷作處理時，加熱溫度必須提高。

43. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 冷作的缺點 (1)金屬內部產生殘留應力，必須以熱處理方式消除之，常以弛力退火方式處理。 (2)冷作所須之加工能量較熱作為大。 (3)冷作後，材料的延展性降低。 (4)冷作後，材料的精度較熱作為高。

44. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形

45. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 塑性加工的方法很多，主要方法有下列幾種： 1.壓縮變形加工：藉由壓力使得材料直接或間接產生變形的加工方式，其常用加工類型分述如下：

46. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 (1)軋延加工（Rolling）：如圖1-4 所示，將金屬材料加熱至再結晶溫度以上，並放在兩個驅動迴轉的滾輪間前進，可製出截面相同且厚度一致之鋼料。滾軋加工速度是所有加工方法中最快的，一般可分熱作軋延與冷作軋延兩種。熱作軋延是將材料加熱至再結晶溫度以上進行加工，有再結晶的作用，可使晶粒細化。而冷作軋延則是將材料在常溫或加熱至再結晶溫度以下施以加工。

47. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形

48. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 (2)鍛造加工（Forging）：鍛造是金屬加工中的塑性加工法，以外力加於金屬之上，讓金屬內部分子之間的空隙更加緻密、結晶更加細微，不僅達到強化金屬組織之目的，同時也將被加工的金屬成形，使其獲得具有一定機械性能、形狀和尺寸的鍛件，鍛件的機械性能優於同樣材料卻尚未經鍛造的鑄件。

49. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形 鍛造按照原金屬胚料在進行加工時的溫度可分為熱鍛（Hot forging）、溫鍛（Warm forging）和冷鍛（Cold forging），熱鍛造是在高於胚料金屬再結晶溫度之上的高溫加工，冷鍛一般是在室溫下加工，溫鍛係指鍛造素材有加熱，但在低於胚料金屬再結晶溫度之下鍛造。

50. 1-3 金屬的塑性變形 1-3 金屬的塑性變形