第二章工程材料

第二章工程材料 • 前言 • 2.1 金屬材料之性質 • 2.2 鐵系金屬材料 • 2.3 非鐵系金屬材料 • 2.4 非金屬材料

前言 • 材料應用的演變是人類文明發展的里程碑。 • 石器、陶器、銅器和鐵器時代，即是以當時的人製造工具和日用品的材料做為區分基準。 • 近年來塑膠，半導體和複合材料等的發明和應用，更是導致加工技術的突飛猛進，生產出各種大量或更高精度的產品。

前言(續) • 材料的進步主導著人類科技文明的發展和生活品質的提升。 • 材料是製造系統的關鍵因素之一，故了解工程材料本身的組成和特性已成為從事製造相關研究或產業之人員所必備的知識。 • 材料在設計階段被選用的主要考量是它所具備的性質(Properties)可以符合產品的功能要求。

前言(續) • 對工程材料言，材料性質中的機械性質是最主要的評估因素，其次是物理性質及化學性質。 • 材料性質是由組成的成分(元素或化合物)和其組織所決定，並且會影響材料的加工性和使用特性。 • 材料的組織有結晶和非結晶兩種形式。

前言(續) • 結晶 • 原子在晶粒內有一定規則的週期性排列，並由許多晶粒構成所謂的結晶組織材料，例如金屬和陶瓷。 • 晶粒內原子的排列方式，例如金屬結晶中常見的體心立方，面心立方和六方最密的排列，以及晶粒本身的形狀和大小，都會造成材料性質的不同。 • 非結晶 • 材料的組成原子無一定規則排列的特性者稱之為非結晶組織材料，例如玻璃和塑膠。

前言(續) • 一般可將工程材料分為金屬材料和非金屬材料兩大類。 • 金屬材料又分為鐵系金屬(Ferrous metals)和非鐵系金屬(Nonferrous metals)。 • 非金屬材料則分為有機材料和無機材料，詳如圖2.1所示。 • 有機材：由動植物細胞轉變而成，為碳化合物，可溶於有機液(如酒精)但不溶於水。 • 無機材：指可以溶於水的礦物，一般言其抗熱能力優於有機材料。

前言(續)

前言(續) • 材料組成之原子間的鍵結方式 • 離子鍵(Ionic bond)、共價鍵(Covalent bond)、金屬鍵(Metallic bond)和凡得瓦爾鍵(van der Walls bond)。 • 可分為金屬材料(Metals)、陶瓷(Ceramics)和玻璃(Glasses)材料、聚合體材料(Polymers)(又稱高分子材料，或塑膠材料)，複合材料(Composite Materials)和電子材料(Electronic Materials)等五大類。

前言(續) • 金屬材料之優點 • 目前用量最多的工程材料 • 扮演承載負荷及耐熱結構的重要角色 • 種類及產量很多，具有許多優良的性質，人類對其特性也較了解 • 較易於加工或成形，並且價格方面相對於同等級的其他材料較為便宜

前言(續) • 隨著能源或環保問題的日益受到重視非金屬材料的重要性及使用量則是與日俱增 • 陶瓷材料：耐高溫的性質，被應用到工業級的高溫爐或高速切削的刀具上。 • 聚合體材料：人造材料，因為具有容易成形、重量輕及抗腐蝕的特性，如水桶、碗盤、玩具等，工程方面的機械零件、襯墊、外殼構件等都可見到。

前言(續) • 新材料的研發及應用 • 複合材料 • 由金屬、陶瓷或聚合體材料所組成。 • 利用不同材料的特性，截長補短以滿足對此新材料須具備之特定性質的要求。 • 重量輕又具高強度。 • 應用範圍廣泛涵蓋從休閒器材、釣竿，到尖端科技的飛機、太空梭等。

前言(完) • 奈米材料的生產與應用 • 許多國家早已投入龐大的研發人力與資金。 • 可預期地奈米材料的開發，未來將影響人類生活至鉅。 • 半導體材料 • 電腦工業發展的主角。 • 電腦對機械製造的重要性極為顯著，惟電子材料無法被加工成結構體來使用。

2.1 金屬材料之性質 • 2.1.1 化學性質 • 在大氣環境中，金屬的表面會生成非金屬化合物而被逐漸侵蝕消耗，稱此現象為腐蝕(Corrosion)。 • 腐蝕的發生是金屬材料本身的化學性質所導致，隨材料的不同而有很大的差異。 • 金屬腐蝕發生的狀態可分為沒有水分的化學腐蝕和有水分的電化學腐蝕兩種。

2.1 金屬材料之性質(續) • 氧化(Oxidation)作用 • 最常見的化學腐蝕，可發生在常溫或高溫的狀態 • 金屬元素在化學反應上具有較活潑的特性 • 容易和氧產生反應形成氧化物薄膜。 • 氧化作用會隨著時間的經過步不斷地進行，如鐵系材料的氧化物薄膜又稱鐵銹，在表層形成後會自母材剝落而不能隔絕氧繼續和內部材料的接觸。 • 有些氧化物比原材料的硬度更高，例如鋁的氧化物，可增加零件抗磨耗的能力，因此發展出使其氧化層增厚的製程。

2.1 金屬材料之性質(續) • 電化學腐蝕 • 指金屬材料受到周圍環境中的水分或化學溶液等介質的作用，產生電子轉移及金屬本身的離子化(Ionization)的現象，並稱此處為陽極。 • 失去電子的金屬以陽離子狀態溶入水中形成電氣回路，在陽極部位的金屬會受到侵蝕而逐漸的減少。 • 金屬的表面若存在不純物、成分偏析、加工畸變、或殘留應力等，即形成不均勻的狀態。 • 電化學腐蝕作用可被應用在非傳統加工的製程上，將工件材料不要的部分侵蝕掉而得到所要的工件形狀和尺寸，例如化學加工和電化學加工。

2.1 金屬材料之性質(續) • 2.1.2 物理性質 • 金屬材料的物理性質，和機械製造關係較密切的有七項，即比重、熔點、比熱、熱膨脹係數、熱傳導性、導電性和磁性等。 • 1.比重 (Specific gravity) • 指某一物體的重量對同體積4°C純水重量之比值。 • 相同金屬材料的比重值會因溫度的變化而改變，也會隨加工程度的不同而有差別。

2.1 金屬材料之性質(續) • 比重一樣可以表示此一性質的是密度。 • 密度(Density)是指每單位體積該材料的質量。 • 密度關係著比強度(Specific strength)和比剛性(Specific stiffness)的大小。 • 就能量消耗或動力限制的觀點言，它是材料選用的重要考慮因素，尤其是航太工業和高速運轉的機具設備等。

2.1 金屬材料之性質(續) • 2.熔點 (Melting point) • 金屬材料的結晶組織狀態受到溫度升高所供給熱能的影響，促使原先固態之規則且緊密排列的原子開始分離而變成鬆散且可自由移動的液態，此時的溫度稱為該材料的熔點。 • 純金屬的熔點為固定值，合金的熔點則因所含的成分而異，且在熔化過程中溫度仍會改變。 • 熔點高的材料適用於高溫作業的環境，例如噴射引擎和鍋爐，或是高速運動會產生大量摩擦熱而導致高溫的機械零件。

2.1 金屬材料之性質(續) • 熔點高的材料對鑄造性或成形加工性等會有不利的影響，增加製造成本。 • 金屬材料的再結晶溫度和熔點有關，故在退火熱處理和熱作加工時需注意此性質的影響。 • 3.比熱 (Specific heat) • 使單位質量材料之溫度升高1°C所需的熱量稱為比熱。 • 金屬的比熱較小，且通常隨溫度上升而增大。

2.1 金屬材料之性質(續) • 4.熱膨脹係數 (Coefficient of thermal expansion) • 物體的溫度上升1°C時，體積的增加率叫體積膨脹係數，長度的增加率叫線膨脹係數。 • 普通金屬中線膨脹係數以鋅為最大，以鎢、鉬為最小。 • 通常熔點愈低其者熱膨脹係數愈大。 • 熱膨脹性質可能導致材料熱應力的產生進而影響產品的功能和壽命。

2.1 金屬材料之性質(續) • 5.熱傳導性 (Thermal conductivity) • 體積為1立方公分的正立方體，當兩對面間的溫度差為1°C時，每秒自高溫面傳送到低溫面的熱量稱為熱傳導性。 • 用以表示熱量流經材料的難易程度。 • 金屬材料都是熱的良導體，銀的熱傳導性最大，銅及鋁次之。

2.1 金屬材料之性質(續) • 6.比電阻 (Specific resistance) • 截面積1平方公分，長度1公分的金屬材料之電阻值(單位為歐姆，Ohm)稱為比電阻。 • 金屬是電的良導體，比電阻相對較低，其中以銀為最低，其次為銅、金、鋁等。當溫度上升時，金屬的比電阻隨之增加。 • 有些金屬或合金材料在某一臨界溫度以下，會產生電阻趨近於零的狀況，稱之為超導性(Superconductivity)。

2.1 金屬材料之性質(續) • 7.磁性 (Magnetic property) • 若金屬可被磁石的強大磁場磁化而變成小磁石，並可相互吸引時，即稱此金屬為鐵磁性材料(Ferromagnetic material) ，如鐵、鈷和鎳等。 • 大部分的金屬被磁化的強度很微弱，不會被磁石吸引，此類金屬叫做順磁性材料 (Paramagnetic material)，如鋁、鉑等。 • 會對磁石產生微弱排斥現象，謂之反磁性材料(Diamagnetic material)，如銅、銀等

2.1 金屬材料之性質(續) • 2.1.3 機械性質 • 金屬材料之所以被廣泛應用於製造各種機械零件，最主要的原因在其具有優越的機械性質。 • 較重要的機械性質有： • 1.強度 (Strength) • 強度是指材料對外加負荷導致變形的抵抗能力。 • 降伏強度(Yield strength，Y.S.) ：材料呈現永久變形所需之最小應力值。

2.1 金屬材料之性質(續) • 抗拉強度(Tensile strength，T.S.)：材料斷裂前之最大應力值，如圖2.2所示。 • 降伏強度通常是機械設計時選擇材料之最重要考量。 • 抗壓強度(Compressive strength)、抗剪強度(Shear strength)、抗扭強度(Torsional strength)等，分別為材料抵抗不同形式外力作用時之能力，其值由相關試驗求得。 • 金屬材料在發生降伏狀態(即永久變形)之前的應力應變關係是線性的，其斜率稱為彈性模數(Modulus of elasticity)，通常以E為其代號。 • 材料是屬於彈性區域，受到外加負荷時變形的反應可用虎克定律(Hooke's law)計算。

2.1 金屬材料之性質(續) • E值愈高即直線愈陡，代表材料的剛性(Stiffness)愈大，對負荷引起變形的抵抗能力愈高。 • 當應力狀態超過降伏強度以後，材料進入塑性區域，應力與應變之關係曲線不再是線性，而是指數曲線。 • 材料開始發生永久變形，並受到應變硬化(Strain hardening)或稱加工硬化(Work hardening)的作用。 • 當應力到達抗拉強度時，材料出現頸縮(Necking)現象直到斷裂。

2.1 金屬材料之性質(續) • 機械製造程序中的塑性加工即是探討材料在受到降伏強度與抗拉強度之間應力狀態所造成的塑性變形。 • 溫度高低及材料變形速率會影響以上所述各項性質之值及曲線形式。

2.1 金屬材料之性質(續) • 2.延性 (Ductility) • 延性是材料在斷裂時，破壞點之塑性變形量。 • 主要的表示法有伸長率(Percentage of elongation)和面積縮減率(Percentage of area reduction)兩種，均可由拉伸實驗中求得。 • 伸長率：把已斷裂試片之兩斷口接回，量取已變長之標點間的長度並減去標點間之原來長度後，再除以標點間之原來長度所得商之百分率值，如圖2.3所示。 • 面積縮減率：是將原來之斷面積減去斷裂後最小斷面積，再除以原來斷面積所得商之百分率值。

2.1 金屬材料之性質(續) • 伸長率或面積縮減率的大小可用以表示材料塑性加工性之優劣程度。對脆性材料言，兩者之值皆趨近於零。

2.1 金屬材料之性質(續) • 3.硬度 (Hardness) • 在材料的表面施以外加壓力時，材料會產生凹痕變形，抵抗此種受壓變形的能力較大者所產生的變形量較小，表示硬度較高。 • 硬度試驗法對材料只產生局部性的破壞，且操作比較簡單，故應用很廣。 • 通常可以硬度值做為材料強度大小的指標。 • 硬度試驗法有勃氏(Brinell，HB)、洛氏(Rockwell，HRC,HRB等)、維氏(Vickers，HV)、蕭氏(Shore，HS)、努氏(Knoop,HK)和莫氏(Mohs)等。

2.1 金屬材料之性質(續) • 材料抵抗壓凹能力的大小會隨不同試驗法之壓頭的形狀和施加負荷的方式而有所不同。 • 圖2.4顯示勃氏硬度試驗的量測及計算方法。圖2.5顯示洛氏硬度試驗中不同壓頭的形狀。

2.1 金屬材料之性質(續) • 4.靭性 (Toughness) • 當材料承受一突然施加的撞擊外力時其應變率(Strain rate)很大，材料會呈現較脆的特性。通常把這種承受衝擊負荷的能力稱為材料的靭性。 • 衝擊試驗(Impact test)有沙丕(Charpy)試驗和艾左(Izod)試驗兩種。 • 利用瞬間衝擊力撞斷試片時，以能量被吸收的多少來表示靭性的大小，如圖2.6顯示沙丕試驗。 • 轉換溫度：材料在低於某一溫度時，吸收衝擊能的能力急劇降低以致破壞的形式會由延性破壞轉變成脆性破壞。

2.1 金屬材料之性質(續) • 體心立方結晶的金屬即具有轉換溫度。 • 衝擊試驗適用於求材料之轉換溫度值。 • 金屬材料大都有高衝擊抵抗值，也就是靭性高，通常表示也具有高強度和高延性。 • 陶瓷和許多複合材料具有高強度，但是幾乎沒有延性，靭性。

2.1 金屬材料之性質(續)

2.1 金屬材料之性質(續) • 5.破壞靭性 (Fracture toughness) • 當材料在凝固成形或加工的過程中，內部或表面產生裂縫或其他微小缺陷時，抵抗裂縫成長的能力以破壞靭性表示。 • 一般工程材料都多少含有某些缺陷，在外力作用下裂縫是否會出現不穩定的成長，導致材料破壞是以所謂的應力強度因子(Stress intensity factor)是否達到臨界值為判斷依據。 • 應力強度因子是結合外力換算的應力值、工件幾何形狀和原有裂縫長度計算而得。

2.1 金屬材料之性質(續) • 臨界值即為所稱的破裂靭性，是材料的一個定量的性質，其值由相關的試驗得到。 • 相同類型的材料，破裂靭性較大者，其降伏強度較小，在設計產品使用條件、壽命及檢驗標準時，要特別注意需同時考慮材料這兩項性質。

2.1 金屬材料之性質(續) • 6.疲勞 (Fatigue) • 機械零件經常用在承受變動負荷的場合，雖然此種反覆作用的應力小於材料的降伏強度，但材料也會發生破壞，稱此現象為疲勞。 • 疲勞破壞進行的模式是材料原有之微小裂縫在循環應力的反覆作用下，裂縫穩定地逐漸延伸，最後當裂縫長度超過某一極限值時即發生不可停止的不穩定成長致使工件斷裂。 • 疲勞試驗(Fatigue test)是求取疲勞強度(Fatigue strength，F.S.)的方法。

2.1 金屬材料之性質(續) • 將不同應力振幅值(S)及使工件破壞的應力反覆作用次數(N)繪製成所謂的S-N曲線，如圖2.7所示。 • 曲線出現水平部份時，其對應的應力值即稱為疲勞強度

2.1 金屬材料之性質(完) • 7.潛變 (Creep) • 金屬材料在高溫的環境中，受一固定大小的應力作用時，其長度會隨著時間而增加，最後終至斷裂。 • 固定應力及溫度(高溫)所得到的材料伸長率(應變)與時間的關係叫潛變曲線，如圖2.8所示。

2.2 鐵系金屬材料 • 工程上使用的金屬材料絕大多數是以合金而非以元素的形式出現。 • 合金：是指以某金屬為主要成分，再加入其它金屬或非金屬形成仍具有主要成分金屬特性的材料。 • 常用的金屬材料分為鐵系金屬(Ferrous metals)和非鐵系金屬(Nonferrous metals)兩類。 • 鐵系金屬(Ferrous metals) ：以鐵元素(Fe)為主要成分，包括鐵和碳鋼、合金鋼及鑄鐵。 • 非鐵系金屬(Nonferrous metals) ：指鐵元素以外的金屬為主要成分的材料，例如鋁、鎂、銅、鎳、鈦及其合金等。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 常見的材料規格標準有UNS、ASTM、AISI、SAE、JIS、DIN、BS、CNS及鋁合金之AA等。 • 2.2.1 鐵和碳鋼 • 純鐵(Pure iron) • 精煉的代價很高 • 事實上仍含有微量的雜質 • 本身很軟，不適合於有強度需求的結構體之應用 • 通常做為合金鋼之原料或電器材料等用途。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 碳鋼(Carbon steel) • 是鐵和碳的合金。 • 含碳量在0.02%~2%之間。 • 碳鋼的機械性質決定於其含碳量和顯微組織。 • 抗拉強度、降伏強度和硬度等隨著含碳量的增加而增加，但是延性和靭性則剛好相反。 • 目前使用量最多，用途也是最廣的工程材料，其中又以含碳量0.05%~1.5%為主。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，各有其適合的應用場合，詳如表2.1所示。 • 低碳鋼 • 稱為軟鋼(Mild steel)，含碳量低於0.3%。 • 含碳量在0.2%左右之低碳鋼為一般主要之構造用鋼，如建築、橋樑、車輪等使用之鋼條或鋼板。 • 通常不需熱處理，經滾軋或鍛造後即直接使用。 • 低碳鋼因含碳量低，不論是鑄造、鍛造、切削或銲接加工都非常容易

2.2 鐵系金屬材料(續) • 中碳鋼 • 通常使用在強度要求比低碳鋼高的場合。 • 高碳剛 • 用於需要高強度、硬度和耐磨性的零件。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 2.2.2 合金鋼 • 合金鋼 (Alloy steel) 是指在碳鋼中添加一種或一種以上之特殊元素，用以增進或改善某些機械性質，做為特定用途之材料。 • 用途可分為構造用合金鋼和特殊用途合金鋼，如表2.2所示。 • 機械性質比碳鋼優越許多，並且在鑄造、鍛造、切削及熔接等之加工性也都較好。 • 廣泛地用於建築、運輸工業和各類機械之重要零件。

2.2 鐵系金屬材料(續)

2.2 鐵系金屬材料(續) • 特殊用途合金鋼較重要的有下類四類 • 1.工具鋼 (Tool steel) • 用做為刀具、工具或模具之材料，乃機械製造之切削加工或塑性成形不可或缺的重要輔助材料。 • 在常溫或高溫時都具有高強度、高硬度、高靭性、耐磨耗和抗氧化熔合性優良等。 • 依化學成分不同有碳工具鋼、合金工具鋼和高速鋼等三種。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 碳工具鋼(Carbon tool steel) • 含碳量為0.6%~1.5%，亦即是高碳鋼。 • 容易加工，淬火回火後硬度甚高，但其缺點為硬化深度淺，高溫時硬度變低，切削耐久性差，故只適用於做木材及輕合金之切削工具。 • 合金工具鋼(Alloy tool steel) • 在碳工具鋼中添加鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鎳(Ni)等元素，增加其硬化深度、耐磨耗性和抵抗高溫軟化等性質。 • 主要用途有切削工具、耐衝擊工具、耐磨耗工具和熱加工模具等。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 高速鋼 (High speed steel) • 所含的特殊元素有鎢、鉻、釩、鉬、鈷(Co)等，可大幅改善高溫回火軟化的現象，使之在紅熱溫度時仍保有足夠的切削硬度，故多用於高速切削刀具。 • 2.不銹鋼 (Stainless steel) • 要特性為耐蝕性優良，應用的範圍非常廣泛，如石化、航太、交通、機械零件和民生工業等，為高合金鋼中產量最多者。

2.2 鐵系金屬材料(續) • 根據組成成分有鉻系和鉻鎳系兩種主要類型。 • 鉻系 • 不銹鋼的主要添加元素為鉻 • 鉻和氧結合在鋼的表面形成具保護作用之氧化膜，可防止氧或水分等的侵蝕。 • 使用上又將不銹鋼分為五個主要類型，即肥粒鐵型、麻田散鐵型、沃斯田鐵型、析出硬化型和雙相型。

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