第第 22 章章材料的本質與特性材料的本質與特性

機械製造Manufacturing Processes and Systems 9E

目錄目錄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

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2.12.1 材料的分類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

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2.12.1 材料的分類材料的分類

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2.12.1 材料的分類材料的分類

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2.12.1 材料的分類材料的分類

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

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2.12.1 材料的分類材料的分類

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2.22.2 材料結構材料結構

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

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2.22.2 材料結構材料結構晶粒的形成

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2.22.2 材料結構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

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2.22.2 材料結構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)

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2.22.2 材料結構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

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2.22.2 材料結構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

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2.22.2 材料結構材料結構

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2.32.3 金屬及合金的凝固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

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2.32.3 金屬及合金的凝固金屬及合金的凝固

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2.32.3 金屬及合金的凝固金屬及合金的凝固

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2.32.3 金屬及合金的凝固金屬及合金的凝固

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 )℃

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2.32.3 金屬及合金的凝固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

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s2 2

s s3 2 2 , 和 s s f s h3 2 2 3 , 2 2 s g

Ss

s

2 3

2 2

100 (2.1)

2.32.3 金屬及合金的凝固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：

Sh

g 100 (2.2)

ls s

s

f

g

3 2

2 2

100 100 (2.3)

023

2.32.3 金屬及合金的凝固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：

熟鐵 C＜ 0.08%+1~3% 的溶渣

鋼 C＞ 0.08% 但＜ 2%

鑄鐵 C＞ 2.0%

023

2.32.3 金屬及合金的凝固金屬及合金的凝固

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2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質.壹 比重 (specific gravity)

024

物體質量物體體積為密度，

m

V

lb / in (g / cm )3 3

g

g

物體重量物體體積稱為重量密度

mg

V

(2.4)

(2.5)

2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質

.貳 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

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2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質.參膨脹係數 (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

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2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質

.肆 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。

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2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質.伍 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)

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RA

1 cm2

R R tt 0 1( ) R R0、 t 0 C t C

2.42.4 材料的物理性質材料的物理性質.陸 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)

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2.52.5 材料的工程性質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

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應力力，面積，

F

A

應變

L L

L1

(2.6)

(2.7)

2.52.5 材料的工程性質材料的工程性質

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2.52.5 材料的工程性質材料的工程性質

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2.52.5 材料的工程性質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

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E / (2.8)

2.52.5 材料的工程性質材料的工程性質

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2.52.5 材料的工程性質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

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側向應變軸向應變

(2.9)

2.52.5 材料的工程性質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)

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2.52.5 材料的工程性質材料的工程性質

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

G (2.10)

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GE

v

2 1( ) (2.11)

2.52.5 材料的工程性質材料的工程性質

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2.52.5 材料的工程性質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

FS 實際

許可

(2.12)

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2.52.5 材料的工程性質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

伸長百分率

L L

Lf 100 (2.13)

L

L

原來量規長度

斷裂試棒再接合後，量規記號間的距離。f

030

2.52.5 材料的工程性質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

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2.62.6 材料其它評估方法材料其它評估方法

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2.62.6 材料其它評估方法材料其它評估方法

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2.72.7 衝擊及持久試驗衝擊及持久試驗

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)

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2.72.7 衝擊及持久試驗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

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2.72.7 衝擊及持久試驗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

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VHkg

mm18544

2 2.

( )

( )

F

對角長 (2.14)

BHF

D D D d

22 2 ( ( ) (2.15)

2.72.7 衝擊及持久試驗衝擊及持久試驗

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

拉伸強度 ( )psi BHC500 (2.16)

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2.72.7 衝擊及持久試驗衝擊及持久試驗

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2.72.7 衝擊及持久試驗衝擊及持久試驗

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2.72.7 衝擊及持久試驗衝擊及持久試驗

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2.82.8 複合材料及新材料複合材料及新材料

薄疊片塑膠 (laminate plastics) 為高分

子基底複合材料之一特別的形式，其包

含了以熱固性樹脂填充補強材料之層，

黏合在一起，並在熱及壓力下硬化處理

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2.82.8 複合材料及新材料複合材料及新材料

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2.82.8 複合材料及新材料複合材料及新材料

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