四、材料性質和特性 4.1 工程材料性質： 4.1.1 抗拉強度 (Tensile strength) ˙ Tension test 是最常用於決定材料機械性質的一種測試 .

1. 四、材料性質和特性 4.1工程材料性質： 4.1.1抗拉強度(Tensile strength) ˙Tension test是最常用於決定材料機械性質的一種測試. 該試驗需要一測試試樣(test specimen)大都為實心且為圓形. Gage length l0＝50mm (usually) A0→D0＝12.5mm Engineering stress＝σ＝P/A0 Engineering strain＝e＝(l－l0)∕l2 Modulus of elastistic，E =σ/e (表示材料的剛性). 4.1.2材料可分類為： A.金屬：（非鐵：1.強度不高但抗蝕性好 2.貴） 1.鐵：灰鑄鐵、展性鑄鐵、steel、白鑄鐵、熟鐵。 2.非鐵：Al、Copper、Mn鎂、Ni、Ti、Zin鋅。 B.非金屬：（difference：有機通常可溶解於有機液中，ex：乙醇、四氯化碳、But waker.無機則可溶於水）

2. 1.有機：塑膠、石油產品、木材、紙、橡膠、皮革。1.有機：塑膠、石油產品、木材、紙、橡膠、皮革。 2.無機：礦物、水泥、陶瓷、玻璃、石墨。 ˙非鐵金屬強度大都不高，但抗蝕性較鐵材好，but大都較貴。 ˙當其他元素加入金屬中，以加強他的特性時，此種組合體稱為合金（Alloy） ex：黃銅＝純銅＋鋅，青銅＝純銅＋錫，鋼＝純鐵＋碳。 ˙純金屬會在恆溫下凝固，但合金則否。 ex：1.鐵→礦物在鼓風爐中產生。 2.鋁→鋁礬土礦→氧化物→電解法產生高熱→還原成鋁。 4.2 Structure of Alloy ˙不定形or非晶體(amorphous)：材料由液體固化，但沒有明確的原子晶格結構，如液體一樣，以隨機排列。(ex：玻璃) ˙結晶性(crystalline)：即材料在凝固時，原子會自動排列成幾何模型，此原子模型會順應材料的空晶格子(space lattice)

3. Principles for complete form the substitutional solid solution. 2 metals must have similar caystal structure difference in their atomic radii should be less than 15%. ˙Inserstitial solid solution（插入固溶體）：所加元素的原子插入溶劑原子的空間（空隙），此合金稱之。(Solute atom size is much smaller than that of solrent atom ) ex:鐵（Iron）中的碳（Carbon）即屬此種→鋼 ☆Principles for the complete interstitial solid solution. 1. Solvent atom has more than one valence(原子價) 2. atomic radius of the solute atom is less than 59% of the solvent atom. ˙Intermetallic compounds金屬間化合物：(solute atoms are present among soluvent atom in certain proportion)其結晶結構非常複雜，溶解溫度一定，強度、硬度較bcc、fcc、hcp大，但傳導性，延性低。（ex:鋁銅合金，錫-銻）

4. 4.2.2延性ductility a. percent elongation Elongation = (lf－l0)∕l0 ×100 b. reduction of Area reduction of Area = (A0－Af)∕A0×100 4.2.3 True stress and true strain True stress,σ= P/A (A: instantaneous area) True strain,ε= ln(l∕l0) 當e很小時，engineering and true strain are approximately equal.但當e↗，difference between then is getting largen true strain is more real to the physical phenomena.(example in textbook) 4.2.4 Construction of stress-strain curues. 4.2.5 Strain at necking in a tension. 4.2.6 Compression Many manufacturing processes are doing under pressure, thus compression test is very important. 通常取抗拉強度的50%,對脆性材料而言係將其壓至破裂.For延性材料,則壓至某個變形程度為準。

5. 4.2.7 Torsion shear stress，τ＝T∕2πr2 t shear strain，γ＝rψ∕l 4.2.8 Hardness resistance to pormanent indentalion . 測試試樣抵抗小球體，角錐體，圓錐體等壓痕器壓入的能力。 1.硬度和抗拉強度成正比。 2.硬度和磨耗成反比。 Process： 壓痕器接觸預加負載的試樣，then adding load to壓痕器，記錄最後負載及預加負載間的壓痕深度差，便換算成硬度讀數。 Steel＞aluminum＞lead 硬度不是基本的property，∵ the resistance to indentation depends on the shapeof the indenter. A. Brinell test（勃氏硬度）：用dia＝10mm的steel ball with aload of 500、1500、3000kg. （軟化高硬度的鋼） HB or BHN＝P∕curred surface area of indentation

6. ˙通常退火件annealing metals generally have rounded profile. ˙Cold-worked metals have a shape profile. B. Rockwell test：measures the depth of penstration instead of diameter of indentation. 量深度取代直徑。 用不同壓痕器：鑽石、steel ball、Diamond、cone. C. Vickers test：use diamond pyramid，load：1kg～120kg. unit：HV or DHP. D. Knoop test：diamond pyramid，load：25g～5kg.量測depth. E. Scleroscope：diamond eipped indenter enclosed in a glass tube，then dropped forma castain hight，measure the rebound of the indentor. F. Mohs hardness：one material to scratch another scale form 1～10 diamond. G. Durometer：for rubbers，plasties，and soft and elastic material. 快速以constant load against surface → measure depth after 1 second，hardness is imersaly related to the depth. H. Hot hardness：for cutting took in machining or die in hot working. (將hardness Indentor and sqecimen於jurnace.

7. 4.2.9 Fatigue：（疲勞）由於repeated loads. ˙The part fails at a stress level below which failure would occur under Static loading mechanical component常發生。 ˙Use various states of stress：combination of tension，compression And torsion. ˙試驗canied out at various stress ainplitnele and No. of cycles. 4.2.10 Creep 4.2.11 Impact：衝擊，金屬may have high yield stress and hardness，but not necessaryfor impact. 4.2.11 Residual stresses：當workpieces被deformed，但又非均勻的變形，就會產生殘留應力。 4.3 Iron-Carbon System pure iron = 0.008﹪C (up to) steel = 2.11% C cast iron = 6.67% C (most are less than 4.5%) → commescially雖可增加至100%成graphit（石墨） 鐵-碳平衡圖:提供information how to modofy and evaluate the properties of these important material for specific application. ˙Ferrite(Alpha Ferrite): relatively soft and ductile，其中含固溶的碳。當temp.於室溫至768℃間時具磁性。

8. ex:體心立方格子 (bcc)body centered cubic. 面心立方格子 (fcc)face centered cubic. （較佳延展性） have mast density 面密方格子 hexagonal close paclced. （延展性差） （鈹，鎘，鎂，鈦） →彎曲或加工時會變得更脆。 ˙若干固體金屬如鐵，當溫度達到臨界溫度，就會改變其晶子結構的型式，這種改變稱為”同素異形”(allotropic)，（每種格子結構有不同的特性）。 ex: 鐵→體心立方→稱α鐵（鉻、鉬、釩、鎢，have the same structure） →室溫極高於1394℃(2541℉) 鐵→面心立方→γ鐵（鋁、銀、銅、金、鎳、鉛、鉑） →910℃～1394℃(1679℉) ˙純金屬的性質可藉由晶格型式來判斷，but合金的晶格結構則不易估定。 ˙Substitutional Solid Solution（置換型固溶體）： 任純金屬加入元素會改變其晶格大小，形成合金不同，晶格的型式亦不同，所加入元素的原子可代替溶劑or金屬中的某些原子的原來位置，此合金則called substitutional solid solution. Add solute to solvent→合金alloy ex: Zinc→Lattice of copper，改變Zinc的含量可改變黃銅合金的性質。