第 2 章材料的本質與特性

機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第2章材料的本質與特性

目錄 2.1 材料的分類 2.2 材料結構 2.3 金屬及合金的凝固 2.4 材料的物理性質 2.5 材料的工程性質 2.6 材料其它的評估方法 2.7 衝擊及持久試驗 2.8 複合材料及新材料

概論 • 材料是製造系統的關鍵要素之一 • 複合材枓、聚合物與塑膠廣泛地被使用在製造程序裡，其範圍函蓋汽車、航太到醫學與電氣的應用上 • 普遍應用到的金屬仍將繼續扮演著承載負荷(load-carrying) 以及耐熱結構的要角 016

2.1 材料的分類 • 一般而言，材料可分類如下： • 金屬 • 鐵 • 非鐵 • 非金屬 • 有機 • 無機 016

2.1 材料的分類 017

2.1 材料的分類 • 有機與無機材料之主要區別，在於有機材料通常可以溶解於有機液體中，如乙醇( 酒精) 或四氯化碳，但不溶於水。無機材料則有可溶於水的趨勢 017

2.1 材料的分類 018

2.2 材料結構 • 材料均由質子、中子和電子所組成，它們的性質── 導電性、化學性、導熱性和機械性質、與原子結構和能階或原子間相互吸引力緊緊相關 • 能階、被溫度和壓力驅動，決定材料是氣體、液體或固體 019

2.2 材料結構 • 晶粒的形成 019

2.2 材料結構 • 當金屬凝固時，原子會自行排列成幾何形狀。在凝固液體中，最初形成的晶格成為晶體核心，並且循序成長；亦即保持其晶格模型，使新形成的晶格與先前的晶格排成一線 019

2.2 材料結構 • 當一晶體與另一方向不同的晶體接觸時，兩晶體的成長即停止，而形成不規則接觸面，成為晶界(grain boundary) 的一部份 • 當晶體成長前進時，晶體前端分支成樹枝狀。這種成長稱為樹枝式，而所形成之晶體為樹枝狀結晶(dendrite crystals) 019

2.2 材料結構 • 晶粒的大小，視冷卻速度和熱作或冷作過程的加工程度而定 • 晶粒較大的材料特別容易切削，經過熱處理後，硬化能力較佳，並且有較高導電性和導熱性 • 硬度以及晶粒的大小，受溫度之影響甚多。將熱金屬自高溫急速冷卻，可使其硬度增加，如緩慢冷卻，則可達到它的最大軟度。這種自高溫慢冷處理稱之為退火(annealing)，可用來軟化金屬，增加韌性，消除殘留應力和增加延性 020

2.2 材料結構 • 顯微鏡檢驗 • 使用金相顯微鏡檢驗磨光試樣，可觀察出某些金屬成份和表面的變化情形。磨光工件以產生和鏡般的明亮表面時，有一種稱為抹金屬(smear metal) 的薄金屬層會遺留在試片上。若以一種合適的化學溶液腐蝕之，則該抹金屬表面會變得較暗，溶解晶粒的部分邊界，故合適的腐蝕溶液可清楚地顯現出某些組成，以利分析 020

2.2 材料結構 021

2.3 金屬及合金的凝固 • 在商業上，以純金屬狀態使用的機會甚少，只有如純銅用作電線，純鋅用作鍍鋅法(galvanizing) 等少數幾種金屬而已。當其它元素加入金屬中以加強它的特性時，此種組合體稱為合金(alloys) • 平衡圖(equilibrium diagram) 表示合金形成固溶體(solid solution) 的方式，固溶體亦即固體，實際上是兩種或兩種以上材料的溶體 021

2.3 金屬及合金的凝固 022

2.3 金屬及合金的凝固 • 蒙納合金(Monel metal) • 是一種含鎳67% 和銅33% 的金屬 • 具有抵抗鹽水腐蝕能力及常作為包裝飲料和食物的金屬材料 • 工作溫度範圍是-100 ℉至400 ℉(-75 ℃ ~205 ℃) 022

2.3 金屬及合金的凝固 例如，67% 的鎳和33% 的銅之合金和線相配合，大約在 2455 ℉時，S可寫成上式中代表水平線的長度，則令和 (2.1) 023

2.3 金屬及合金的凝固 因此，固體的百分比為同樣的，液體(L)的百分比亦可如此算之： (2.2) (2.3) 023

2.3 金屬及合金的凝固 • 熟鐵、鋼和鑄鐵之區別是根據含碳量的多少而定，其範圍如下： 023

2.3 金屬及合金的凝固 023

2.4 材料的物理性質 • 比重(specific gravity) (2.4) (2.5) 024

2.4 材料的物理性質 • 比熱(specific heat) 比熱係1克的物質升溫 1℃所需熱量，以卡(calorie) 表示之值。一般金屬的比熱較小，且隨溫度上升而增加 024

2.4 材料的物理性質 • 膨脹係數(coeffient of expansion) • 材料的溫度上升時，其長度的增加率稱為線膨脹係數(coefficient of linear expansion)，其體積的增加率稱為體膨脹係數(coefficient of bulk expansion) • 金屬中Zn 的線膨脹係數最大，而W、Mo的線膨脹係數最小 024

2.4 材料的物理性質 • 導熱度(thermal conductivity) • 相距1cm之兩平面間，若有1℃的溫度差，在每1cm2之截面積1秒內由高溫面傳至低溫面的熱量，以卡表示，叫做導熱度。 025

2.4 材料的物理性質 • 比電阻(specific resistance) • 金屬的電阻R為( 歐姆，ohm， ) 為，其中為比電阻，係截面積，長1 cm的材料之電阻，以歐姆來表示 • 金屬的電阻隨溫度上升而增大，其關係如下：，式中為在及之電阻，為電阻的溫度係數(temperature coefficient of resistance) 025

2.4 材料的物理性質 • 磁性(magnetic property) • 將金屬接近磁石時，如產生與磁石相反之極性而相互吸引者，稱為強磁性材料或鐵磁性材料(ferromagnetic material) • 若產生與磁石相反之極性，但其磁化強度微弱無法相互吸引者，稱為常磁性材料或順磁性材料(paramagnetic material) • 如產生與磁石相同之極性，但其磁化強度微弱無法相互排斥者，稱為反磁性材料或逆磁性材料(diamagnetic material) 025

2.5 材料的工程性質 • 抗拉強度 • 抗拉強度是由拉伸試樣(tensile specimen) 兩端而決定的一種強度值表示法 • 應力與應變可分別表示為和 (2.6) (2.7) 026

2.5 材料的工程性質 026

2.5 材料的工程性質 • 彈性模數(modulus of elasticity) 表示材料的剛性，而且亦可由應力- 應變曲線的直線部分的斜度來決定之其中為應力，為應變，E為彈性模數或楊氏模數 (2.8) 027

2.5 材料的工程性質 028

2.5 材料的工程性質 • 側向應變與軸向應變的比，常以希臘字母來表示( 無因次的) ，承受拉力的桿件，側向應變代表寬度的減少負應變軸向，應變則代表伸長正應變，對受壓而言，則情況相反 (2.9) 028

2.5 材料的工程性質 • 抗剪、抗壓及抗扭強度 • 材料的剪切強度一般大約為抗拉強度的50%，而抗扭則大約為75% • 剪應力(shear stress)，τ ，由平行力( 或剪負荷)，F，加在材料截面積，A，之上，並與位移角γ成正比，γ亦叫做剪切角或剪應變(shear strain) 028

2.5 材料的工程性質 • 於此G被定義為剪切模數(shear modulus) 或材料的剛性模數(modulus of rigidity) 。對於很多材料G大約為(3/8) E，並可以下式計算 (2.10) (2.11) 029

2.5 材料的工程性質 029

2.5 材料的工程性質 • 為了設計之目的，需要定義安全係數(factor of safety)，FS (2.12) 030

2.5 材料的工程性質 • 延性式中 • 通常以0.05吋/ 吋(mm/mm) 來區分脆性或延性材料 (2.13) 030

2.5 材料的工程性質 • 潛變(creep) 是一種因負荷經長時間所造成之材料永久性的變形 • 缺口敏感度(notch sensitivity)，在另一方面，是裂縫從缺口、裂縫或銳角隅擴展於材料容易度之量度 030

2.6 材料其它評估方法 031

2.7 衝擊及持久試驗 • 最常用來決定金屬的衝擊能力的是夏比試驗(Charpy test) • 金屬的降伏強度可用來設計支持靜態負載的零件，但或是設計承受到週期或反覆性載重的零件，則必須採用疲勞強度(fatigue strength) 033

2.7 衝擊及持久試驗 • 硬度 • 洛氏硬度試驗機(Rockwell hardness tester) 是其中最具變化的一種，變換各種不同型式的壓痕器和負載，就可以測出自薄軟片至最硬鋼料的硬度 • 蕭氏反跳硬度計(Shore scleroscope) 法是測量硬度者，其使用鑽石尖錘，使其以一定高度落在樣本上，其反跳之高度即為硬度的量測 033

2.7 衝擊及持久試驗 • 以下的公式可用為計算維( 克) 氏硬度(VH或HV) • 勃氏(Brinell) 法廣泛地使用於鑄件或鍛造件，BH以如下計算 (2.14) (2.15) 034

2.7 衝擊及持久試驗 • 量測橡毣的硬度的一個方法是國際橡膠硬度(International Rubber Hardness) (IRHD) 法 • 自然材料能用莫氏尺標(Mohs' scale) 來比較。其分為1到10個等級如下：滑石= 1；石膏= 2；方解石= 3；螢石= 4；磷灰石= 5；長石= 6；石英= 7；黃玉= 8；氮化鈦= 9；鑽石= 10 (2.16) 034

2.7 衝擊及持久試驗 032

2.7 衝擊及持久試驗 034

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