1、機械材料學一、 金屬材料之分類與性質二、 鋼鐵材料之熱處理三、 非鐵金屬材料四、 非金屬材料介紹五、 材料之選用及辨識六、 材料試驗1. 金屬材料之分類與性質1.1. 金屬材料的物理性質1.1.1. 比重(specific gravity)某一物體的重量和同體積的 4的水之重量比叫做比重。1.1.2. 比熱(specific heat)把 1 克的物質加熱使它升溫 1時所需要的熱量(以 calorie 表示)叫做比熱。比熱較大的 Mg，A1 等。 金屬的比熱通常隨溫度上升而增加。1.1.3. 膨脹係數(coefficient of expansion)各種金屬受熱而溫度上升時會膨脹。冷卻而溫度
2、降低時會收縮。體積的增加率叫做體積膨脹系數(coefficient of bulk expansion)，其長度的增加率叫做線膨脹系數(coefficient of linear expansion)。比重增加時，膨脹系數也會增加。1.1.4. 導熱度(thermal conductivity)1cm 立方體的相對丙面間，假定有 1的溫度差時，在 1 秒內由高溫面移動到低溫面的熱量(以 calorie 表示) 叫做導熱度。金屬都是熱的良導體。銀的導熱度最大，其次是 Cu 及 AI。金屬的純粹度愈高，其導熱度愈好。1.1.5. 比電阻(specific resistance)某金屬線的長度為 ，
3、斷面積為 s 時，其電阻 R 可以用下式表示 R=(/s) 式中 為比電阻。斷面積 1cm2，長 1cm 的材料之電阻以 ohm() 表示，叫做比電阻。銅和鋁的電阻很小，所以容易導電。電阻隨溫度增加而增大。R t=R0(1+t) 式中 叫做電阻的溫度系數(temperature coefficient of electric resistance),因金屬之不同而異。1.2. 金屬材料的化學性質1.2.1. 金屬離子化(ionization)金屬的離子化(ionization) 金屬的離子化之容易度依其大小排列時可得下面所示的次序：K Ca Na AI Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb
4、 (H) Cu Hg Pt Au1.2.2. 腐蝕(corrosion)金屬表面受化學或電化學的作用，在表面生成非金屬化合物而補侵蝕漸漸會消耗的現象，叫做腐蝕。a 電化學腐蝕b 由環境所引起的金屬腐蝕c 高溫氣化 1.2.3. 高溫氧化氣化把金屬加熱到高溫時受氧的化學腐蝕起氧化，而在表面生成氧化物。離子化序列愈上位的金屬愈容易被氧化。比 A1 上位的金屬，在空氣中生成氧化物而起燃燒。Na ，K 等在空氣中會自然發火，Mg 在空氣中加熱時會激烈燃燒。金屬的氧化，則溫度愈高，愈迅速度進行。1.3. 金屬材料的機械性質7.3.1 機械性質的概念就下圖所示的由拉力所引起的機械反應而言，抗拉應力超過某一
5、數值時吊桿會被拉斷。這性質可以用 來表示。當材料被拉斷時，材料的長度增加可以用來表示。例如彈性系數，抗拉強度，硬度，伸長率及沖擊值等是表示這些反應的具體性質之例。這些性質叫做金屬材料的機械性質。機械性質可以分做強度和延性兩方面來說明。強度是表示材料對外力抵抗能力，延性是表示在不破壞的范圍之內，材料能發生永久變形的能力。機械性質是由強度(strength)和延性 (ductility)的兩種因素支配的。1.4. 鋼鐵材料的分類1.4.1. 碳鋼鋼為碳和鐵合金又叫碳鋼，鋼鐵中碳 C 是最重要元素之一。鋼的強度亦以碳的影響為最大。無含碳的純鐵只有約 7kg/mm2 的抗拉強度，但含碳量稍加至 0.1
6、5%的鋼，其抗拉強度則增至約 387kg/mm2。 再增加含碳量至 1%時其抗拉強度為 70kg/mm2。 因此含碳量大致可決定鋼的性質。一般碳鋼三種分類是低碳鋼(軟鋼)，中碳鋼和高碳鋼(工具鋼)。鋼中的碳量又可左右鋼的硬度和脆性。 低碳鋼的含碳量約 0.100.30%，因碳量少有淬火硬化效果，故用於無須淬火機件，低碳鋼的延展性良好，可用於塑性加工，塑性加工系利用其變形能力(延展性)滾展性)滾或抽拉等無切屑加工。 中碳鋼的碳量約在 0.300.60%，抗拉強度最大，又可淬火硬化，用於鍛造板手，鋼錘等工具或須淬火硬化機件。 高碳鋼的碳量為 0.601.5%，可有良好淬火效果，可作工具或刀具材料。
7、1.4.2. 合金鋼合金鋼是碳鋼中加入其他合金元素的合金，藉以獲得碳鋼沒有的品質。加入合金元素的目的是要達成下列一項或數項結果。(1) 增加抗拉強度；(2)增加硬度；(3) 增加韌性；(4) 變化變態溫度；(5) 增加耐磨能力等。下表所示是合金元素對鋼合金的效果。1.4.3. 鑄鐵鑄鋼的含碳量在 2%4.5%之間，視內部碳量的存在狀態和晶粒組織有許多種類。灰生鐵約在 1200融化，緩慢冷卻凝結時碳形成片狀石墨獨立存在於組織中。因獨立片狀石墨的存在使灰生鐵很脆，重擊時自石墨片處分裂。灰生鐵用於鑄造機座或機架和不受重力的機件。灰生鐵是容易切削，但鑄件表皮含有砂粒或氧化物易損傷刀具，宜深切削。白生鐵
8、，鑄鐵在金屬模鑄造或凝結時冷卻使碳化鐵沒有分解出碳時產生白生鐵。白生鐵的主要成份為碳化鐵(Fe 3C)故非常硬而耐磨，用高速度鋼刀具不能切削，用於鑄造碎石錘頭等或作展性鑄件原料。2. 鋼鐵材料之熱處理前言: 剛從市面上購買的高碳鋼，如沒經加高熱和急冷卻的熱處理，仍然是軟不能作刀具。鋼料經滾壓等冷作加工而變硬的，或經鍛造等加工而組織結晶產生變化，如經加高熱和緩慢冷卻，可恢復原先的平衡狀態。熱處理是加熱生冷卻的操作以改善金屬材料性質的工作。其工作包括淬火、回火、退火、正化、球粒化、表皮硬化和表層淬火等。熱處理時加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度、冷卻劑、工作物大小形狀等都必須考慮。目前各大五金
9、材料行對各鋼鐵材料熱處理方法均有說明，宜參考工作。2.1. 退火退火是將工作物加熱至變態能線上再緩慢冷卻，藉以軟化組織，增加切削性的操作。2.2. 淬火淬火是加熱至變態溫度後急冷卻以達至硬化機件的工作。碳鋼的加熱溫度視含碳量，少於 0.83%C 的在 A3 變態線上， 0.83%以上的在A1 變態線上，如下圖所示。奧斯田鐵( 鐵) 為致密組織，淬火的操作為保存 鐵於平常溫度。俁 0.83%C 以上碳鋼 A1 線上為 鐵和碳化鐵。碳化鐵已夠硬，故其淬火溫度在 A1 線上。淬火溫度不得超出圖中指示范圍，否則過此范圍結晶粒將脹大，如下圖所示：工作物自爐中至冷卻劑要接近且快，在冷卻劑中應如寫 8 字旋
10、轉以防蒸氣包圍工作物使冷卻速度減慢。此過程中的變化是奧期田鐵(鐵)麻田散鐵，麻田散鐵在顯微鏡觀罕為針形組織。這是可能良好淬火的最硬構造。如冷卻速度緩慢將給 鐵充分時間變成波來鐵。2.3. 回火回火是將淬火的鋼或合金鋼，在變態溫度下加熱冷卻於溶劑化物體或空氣中的操作。其目的為消除因淬火產生於工作物內的內力或變形。回火結困可增加韌性但減小硬度和抗拉力。回火工作將麻田散鐵變成回火麻回散鐵。回火麻田散鐵比麻田散鐵軟韌。回火加熱溫度視機件需要的硬度或韌度以及含碳量和各合金元素各有不同。目前各大五金材料行均提供此資料。2.4. 正常化正常化是將工作物加熱至正常化溫度後停留一些時間，然後空氣中冷卻的操作，藉
11、以消除工作物因滾壓等冷作加工或鍛造所產生的內力及變形。正常化結果可將淬火鋼軟化增加切削性。其操作類似退火工作，但正常化鋼件要比退火鋼硬 ，其操作程度除加熱溫度不同外和退火操作機相同，但正常化工作物是在靜空氣中冷卻。2.5. 球粒化球粒化應用高碳鋼材料，將其加熱至變態線下，並持久一些時間使碳化鐵組織形成球粒狀分布，藉以改善切削性。其操作程序是：1. 爐溫調整略為變態溫度下。2. 工作物在爐中升至爐中溫度後停留此溫度數小時。3. 爐中停火，緩慢冷卻至約 350。4. 自爐中取出工作物在靜空氣中冷卻。2.6. 表皮硬化含碳量 0.2%以下的低碳鋼淬火效果不良，故讓其表皮吸收碳或氮，再淬火以增加表皮硬
12、度。其方法視吸收的元素叫滲碳，氰化和氮化等方法。表皮硬化的厚變和加熱溫度和滲碳或氮時間有密切關係，雖然高溫和長時間可增硬化厚度，但對材料組織容易擴大晶粒，故要盡量低溫短時間達至所需厚度。滲碳法，主要滲碳劑為固體，但液體和氣體的使用也在增加。常用的滲碳劑是1. 固體滲碳劑 木炭 60%+碳酸鋇(BaCOa)40%，或木炭 90%+食鹽 10%，或煤炭 20%+皮屑 20%+食鹽 4%+木屑粉 56%2. 液體滲碳劑 碳酸鈉(Na 2CO3)20%+食鹽 60%+氰化鈉(NaCN)20%3. 氣體滲碳劑 煤氣，天然氣，丙元烷(C 3H8)2.7. 表層淬火表層淬火是對工作物部分表層淬火的工作。使該
13、部分表層增加抗磨損能力而保留內部原組織。表層淬火適用於中高碳鋼。慣用的兩方法是感應硬化和火燄硬化。2.8. 火焰硬化利用火燄淬火表層，廣用於車床等床台表面，或齒輪，曲柄等機件。工作物用乙炔和氧氣等火炬短時間內加熱至變態溫度後繼以噴水或浸於水中，淬火。很多操作是自動化。淬火表層直接再用低溫火炬或其他方法回火。火燄硬化的厚度自 1.5mm 到 6mm 視火炬加熱時間或移動速度變化。如下圖所示：3. 非鐵金屬材料前言一般的構造用或機械用金材料的主體為碳鋼、合金鋼、鑄鐵等鋼鐵材料。但是鋼鐵材料在特性上有各種應用方面的缺點，例如它的耐蝕性比鎳、銅等差很多，又注重比重、導熱度方面的應用時，也無法和鋁相比較
14、。這些鋼鐵以外的金屬材料，叫做非金屬材料(nonferrous metals) 。非金屬材料常用的有(1)銅和銅合金，(2) 鋁和鋁合金，(3)鎂和鎂合金，(4)鋅和鋅合金 ，(5) 軸承合金 等。3.2 銅和銅合金.1.1. 銅 銅的導電度和導熱度高，所以在這方面的用途很廣。但是例如黃銅和青銅，在銅中添加 Zn，Sn 或其他元素時，可以改良它的耐蝕性和機械性質。.1.2. 銅的性質及用途銅的物理性質：銅的特點是導電度和導熱度大，多半用為電氣材料或傳熱用的管、板等。銅的展延性良好，可以作為薄板和細線，但是機械強度小，所以用為構造用材料時，須先加工使它硬化後才使用。經過加工而增加強度的銅可分為軟
15、質、1/4 硬質、1/2 硬質等。.1.3. 黃銅(brass)是銅和鋅的合金。制造和加工都容易，價格又便宜，所以使用量多。含 3040% Zn 者最實用。.1.4. 青銅青銅(bronze)是 錫和銅的合金。青銅的特點是鑄造性和耐蝕性優良，此外機械性質也良好，耐磨耗性也大。優點所以成為鑄造用銅合金中最具代表性者。.1.5. 磷青銅磷青銅(phosphorus bronze)是青銅中添加少量的 P 者。添加 P 時可除去青銅內部的氧化物，P 含量較多者，硬度高，耐磨耗生優良，用為軸承或其他需要機械性能優良的零件。又實施冷溫加工時抗拉強度，彈性限會顯著地增加。在高溫其彈性強，對電流的接觸電阻也低
16、，是重要的電氣通信機器用彈簧材料之一。3.2 鋁和鋁合金鋁鋁的特點是重量輕，其比重為 2.7。但它的強度低，所以不能以純粹的狀態用為需要強度的構造物。所謂輕合金(light alloy)是鋁中加其他元素而改良這種缺點抗拉強度、伸長率、彎曲等的機械性質相當優良。者。鋁合金鋁合金由於汽車、飛機的發達，對重量輕，且強度大的材料之需求日漸增加。鋁的特點是輕，但是強度低，所以需在鋁中添加特歹元素，作成各種優良的鋁合金，而適應現代工具的要求。鋁合金可分為鍛造用和鑄造用兩種。有些未經熱牏就可使用，有些則經熱牏改善機械性質以後才使用。鋁合金的種類3.3 鎂和鎂合金鎂鎂大體存在於菱鎂石(magnesite, M
17、gCO3)等的礦石中。鎂合金鎂合金是鎂中加入 A1，Zn，Mn，Zr，Ce 等元素而改良其機械性質或耐蝕性者。其比重較 A1 合金小，抗拉強度達 1535kgf/mm2。3. 錫、鉛、鋅及其合金Sn、 Pb、Zn、Sb、Bi 等金屬，質軟，熔點低。這些合金雖不能使用於需要強度的構造物，但是適合於軸承用合金、軟焊合金及活字合金等。錫錫在 18有 Sn Sn 的同素變態。 18以上是白色的金屬(白錫，white tin) ，18以下時會變為灰色的粉(灰錫，gray tin)，但是通常容易被過冷，所以在 18以下也不會變為灰錫。白錫質軟，抗拉強度 24 kgf/mm2，伸長率 3540%，富於展性，
18、能做成很薄的箔。又耐蝕性優良，可以鍍在鐵板上而制造白鐵皮。鉛鉛的比重大(11.34)，質軟，延展性大，在常溫容易作成板或箔。因為鉛的再結晶溫度在常溫以下，所以常溫加工時不容易硬化，在空氣中難被腐蝕。鋅鋅的材質很脆，但是溫度在 100150時延展性會增加，可以做成薄板或拉成線。加熱至 200時結晶粒會變粗，而質再變脆。鋅中加少量Cu、Sn 、AI 者可用於壓鑄。4. 非金屬材料介紹4.1. 合成樹脂(塑膠)合成樹脂(synthetics resin) 是用人工以化學方法合成的有機材料，通常叫做塑膠(plastics)。合成樹脂為高分子聚合物，具有優良的可塑性(plasticity)。所謂可塑性是
19、指以外力時可使它自由變形的性質。4.1.1. 熱塑樹脂(1) 聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC) PVC 是由碳化鈣(calcium carbide)所發生的乙炔(或用乙烯)和氯化氫(HCI) 相作用所制造者。(2) 聚醋酸乙烯(poly vinyl acetate) 這是由乙炔和醋酸所合成的無色透明樹脂，軟化點很低，約為 3538，耐弱酸、弱鹼，有相當的耐水性。(3) 聚乙烯(poly ethylene) 這樹脂是把乙烯聚合而得者。利用由石油制造時所產生的廢氣中的成分來合成。聚乙烯比水輕，柔軟，耐藥品性、耐水性、電氣絕緣性都優良，但耐熱性不好，多用為包裝用薄膜，也廣用
20、為電線的被 覆、各種容器。(4) 聚苯乙烯(poly styrene) 這是由苯和乙烯所合成的無色透明樹脂，耐水性、電氣絕緣性非常好，也不會被強酸、酸、鹼侵蝕。(5) 聚醯胺(poly amide) 耐隆(nylon)是聚醯胺織維的商品名。(6) ABS 共聚體(ABS copolymer) 這是丙烯脯(acrylonitrile)，丁二烯(butadiene) 和苯乙烯(styrene) 三成分的共聚體(copolymer) ，硬度大、軟化溫度高 (約 100)、耐蝕性很好。各種熱塑樹脂的名稱、性質和用途例樹脂名稱 性 質 用 途 例聚氯乙烯強度大，電氣絕緣性、耐酸性、耐鹼性、耐水性很好。加
21、工性，著色性也好。薄膜、板、建材、雨衣、自來水配管、玩具、電氣絕緣零件、塑膠布。聚偏二氯乙烯 耐藥品性比聚氯乙烯大，難燃性。帳蓬、防蟲網、漁網、織品、耐藥品用成形品。聚醋酸乙烯無色透明，粘著性大，可溶於各種溶劑。 塗料、粘著劑、維尼龍原料。聚苯乙烯無色透明，電氣絕緣性、耐水性、耐藥品性大。餐器、玩具、廚房用日用品、雜貨。聚醯胺 強韌，耐磨耗性大。 合成織維、電線皮膜、醫療器具、齒輪等的耐磨耗用品。聚乙烯 比水輕，柔軟，電氣絕緣性、耐水性、耐藥品性良好。 包裝用薄膜、電線皮膜、瓶子、容器。壓克力 透明度大，化學性安定，加工性、粘著性良好。 航空機，車輛的有機玻璃、建材、照明器具材料。氟樹脂 在低
22、溫、高 的電氣絕緣性良好，耐藥品性也好，強度很大。 高級電氣絕緣材料、襯墊、襯料、耐藥品零件。織維素樹脂 透明性、可撓性、加工性良好。 難燃性賽璐珞。聚丙烯 相似聚乙烯，透明度大、耐藥品性、加工性優良。 薄膜，其他包裝材料。4.1.2. 熱固樹脂(1) 酚樹脂這樹脂是把酚和甲醛(formaldehyde)相作用而制成者。一般所熟悉的電木 (bakelite)是屬於這類。酚樹脂的電氣絕緣性優良，機械強度也好。(2) 尿素樹脂(3) 三聚氰胺樹脂(melamine resins)4.1.3. 強化塑膠如上所述，樹脂的種類很多，而各具有特殊的性質。然而在這些樹脂內加入適當的填料(fillers)或添
23、加劑(additives)時可改變它的特性，而得到目標性質的材料。或者在樹脂內加入適當的織維，作成復合材料以便增加強度。這些材料一般叫做強化塑膠。填料有木粉、紙漿、石棉、石英粉等。一般加了填料時強度、耐沖擊性、硬度會增加。為了得到特殊的性能，有時加入添加劑，例如加入二硫化鉬、石墨等固體潤滑濟等。加入樹脂內的織維有玻璃織維、碳織維、金屬織維(Mo ，W ，鋼，不銹鋼等)，結晶質織維(氧化鋁、氧化鋯、氮化硼)等。這些織維和樹脂的復合材料叫做織維強化逆膠(fiber reinforced plastics) ，一般簡稱 FRP。FRP 質強韌又輕，容易加工，耐油、耐藥品、耐熱、耐寒性、電氣絕緣性都好
24、。又例如利用碳織維者，其彈性特優，強度也很高。FRP 可用為藥品、燃料的容器，汽車、航空機等構造用材料等。4.1.4. 新陶瓷材料近來陶瓷(ceramics)材料，在種類和用途方面的發展很大。原來 是指陶器、磚、水泥、玻璃等窯業制品。這些新陶瓷(一般叫做 new ceramics)具有各種特定的優秀性質，用在各種工業領域。新陶瓷是采用高純度的 AI2O3 、MgO、 SiC等經過特殊處理的天然原料或人工原料來制造，而具有各種特殊的機能。新陶瓷以成分分類時，可以分為采用高純度天然原料的氧化物系，例如氧化鋁(AI2O3)、氧化矽(SiO 2)、氧化鈦(TiO 2)等。(1)氧化鋁(AI 2O3)
25、氧化物系新陶瓷中最具代表性，使用度也最高。溶點(2050 )相當高，硬度 (Mohs9)、強度( 抗拉強度 26505000kgf/cm2，抗壓強度340000kgf/cm2)也較高。(2)氧化鎂(MgO) 氧化鎂的導熱度較高(1000，5.4kcal/mh ),比熱大。熔點雖然高(2800) ，但不是經過高溫處理者會被酸溶解，又會和空氣中的 CO2 起反應。強度比 AI2O3，ZrO 3 低( 抗拉強度 9001000kgf/cm2，抗壓強度7000kgf/cm2)。(3)氧化鋇(beryllia,BeO) 氧化鋇和 AI2O3 相似，化學上很安定，能用到相當的高溫，其溶點 2500，低溫的
26、機械強度雖然不高(抗拉強度10002000kgf/cm2，抗壓強度 800014000kgf/cm2)，但是比強度大致可以保持到1600的高溫。(4)碳化矽(SiC) 碳化矽是碳化物系的陶瓷材料，和氧化物系陶瓷比起來，其硬度高(Mohs 9.2)，導熱度大(20420，0.1cal/cm S ),高溫的機械強度也大，但是耐氧化性差。(5)碳化硼(B 4C) 碳化硼比 SiC 硬，知名的研磨材，耐磨耗性優秀，抗壓強度很高(300kgf/cm 2)，密度低(2.52g/cm 2)。(6)碳化鎢(WC)和碳化鈦(TiC) TiC 的耐氧化性很好，溶點很高(3160)，加入 Ni，Co 等金屬燒結成為
27、陶金，用為超硬 切削工具材料或耐熱材料。(7)氮化矽(Si 3N4) 氮化矽的熔點 1900，Mohs 氏硬度 9 以上，抗壓強度 28006300kgf/cm2， 導熱度 0.00170.0037 cal / cms (25250)熱沖擊抵抗性大，機械強度可保持到高溫，具有優良的耐氧化性、耐蝕性。(8)氮化硼(BN)和氮化鋁(AIN) Si3N4 以外的氮化物中 BN，AIN 的燒結體為重要的機械材料。BN，AIN 的硬度很高，耐熱性、電氣絕緣性優良，用為各種耐熱材料、耐熱工模，金屬熔解坩鍋，真空蒸著用坩鍋等。5. 材料之選用及辨識大類 中類 特性 用途基本樹脂IV 值 0.85 0.971
28、.10符合食品衛生(FDA)標準押出，拉絲，厚或 小零件注塑用，色母載體。一般類快速成型，易脫模，表面光澤性佳大，薄零件注塑用，如電!腦按鍵，開關，電熨斗外殼等。玻纖強化級高強度，高抗熱變形，電器性能佳識用於汽車，電子，電氣等產品精密注塑用，如日光燈基座，汽車用之分電盤，車門把手，燈座，風扇外殼，電器零件開關等。阻燃級 UL 94V-0連接器，插座，開關，端子台。PBT強化阻燃級UL 94V-0，高強度，高抗熱變形線圈骨架，插件，開關，插座，繼電器，車燈底座，連接器，OA 風扇葉片，燈具外殼等需要高強度，高電氣條件，抗溫的注塑成品用。玻纖強化級高機械強度，高抗熱變形溫度馬錶外殼，吹風機集風口，
29、腳踏車煞車把手，繼電器，網拍頸箍，農機工具外殼，釣具捲線軸。玻纖強化韌性改良級高剛性，高韌性溜冰鞋底座，腳踏車輪框。礦纖強化級 低翹曲，表面佳 電熱器外殼，風扇外殼。NYLON6 超韌級 高韌性及快速成型踏腳護套，鞋眼扣，行李箱輪子。耐熱級 高剛性，耐熱性，低比重要求符合食品級之小家電外殼，微波爐餐具。玻纖強化級高剛性，低收縮，高機械強度，耐熱性紗管，泵浦外殼，控制器 外殼，家電礦纖強化級高剛性，縱橫收縮均勻，表面佳，耐熱性，尺寸安定性儀表板，內值飾板，排油煙機之邊套板，燈罩，家電產品零件。PP阻燃級UL 94V-0，符合 UL-746C F(1)認證1.汽車及家電產品之阻燃 要求的零件，如電器絕緣 板。 2.聖誕燈飾品。PET 玻纖強化級強度、剛性和耐衝擊強度的平衡良好繼電器基座，真空泵浦外殼，汽車天窗骨架，車窗昇降用骨條，點火零件組件，齒輪，化油器零組件，真空吸塵器零件。
