機械材料Ⅰ教師手冊第1章(張版)
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第 1章 緒 論 1
第1 章 緒 論
一 相關知識補充
1. 金屬與合金比較表
項目 金屬(純金屬) 合金
形態 常溫固態結晶體(汞除外) 同金屬
比重 均大於 1(鋰、鈉、鉀<1) 同金屬
熔點 固定 一溫度區間,隨成分金屬含量改變
導電、導熱性 電、熱良導體 較成分金屬差
機械性質 強度、硬度、韌性較弱、延
展性佳
強度、硬度、韌性、耐磨耗較佳,但
延展性較成分金屬差
化學性質 抗腐蝕性較弱 改善抗腐蝕性
加工性 具塑性變形易加工 較成分金屬不易加工
2. 常見 7 種晶系與 14 種 Bravais 晶格
晶系 晶軸及夾角 Bravais 晶格 形狀模擬
立方(Cubic)
(1)三軸相等,三夾角
相互垂直。
(2)軸:a=b=c
(3)夾角:α=β=γ=90°
(1)簡單立方
(2)面心立方
(3)體心立方
六 方
(Hexagonal)
(1)兩軸相等呈 120°,皆
與第三軸垂直。
(2)軸:a=b≠c
(3)夾角:α=β=90°、
γ=120°
簡單六方
2 第 1章 緒 論
晶系 晶軸及夾角 Bravais 晶格 形狀模擬
正 方
(Trtragonal)
(1)兩軸相等,三夾角
相互垂直。
(2)軸:a=b≠c
(3)夾角:α=β=γ=90°
(1)簡單正方
(2)體心正方
斜 方
(Orthorhombic)
(1)三軸皆不相等,三
夾角相互垂直。
(2)軸:a≠b≠c
(3)夾角:α=β=γ=90°
(1)簡單斜方
(2)斜方
(3)面心斜方
(4)體心斜方
基本面心
三 方 或 菱 形
( Trigonal or
Rhombohedral)
(1)三軸相等,三夾角
相等,皆非 90°。
(2)軸:a=b=c
(3)夾角:α=β=γ≠90°
簡單三斜
單 斜
(Monoclinic)
(1)三軸皆不相等,僅
兩夾角相互垂直。
(2)軸:a≠b≠c
(3)夾角:α=γ=90°≠β
(1)簡單單斜
基本面心
(2)單斜
三斜(Triclinic)
(1)三軸皆不相等,三
夾角皆非 90°。
(2)軸:a≠b≠c
(3)夾角:α≠β≠γ≠90°
簡單三斜
第 1章 緒 論 3
3. 二元合金平衡圖重要形式
種
類
一
液態完全溶合,固態也完全溶合,形成固溶體狀態。
圖示
合金 Ni-Cu 合金、Au-Ag 合金、Bi-Sb 合金、Ni-Co 合金等。
種
類
二
液態完全溶合,固態完全不溶合,而生成共晶混合物。
圖示
合金 Al-Sn 合金、Bi-Cd 合金、Sn-Zn 合金等。
種
類
三
液態完全溶合,固態時有溶解度,而生成共晶混合物。
圖示
合金 Ni-Cr 合金、Ag-Cu 合金、Al-Si 合金、Pb-Sn 合金等。
4 第 1章 緒 論
種
類
四
液態完全溶合,固態時有溶解度,凝固時發生包晶反應。
圖示
合金 Au-Fe 合金、Cd-Hg 合金等。
種
類
五
液態完全溶合,固態生成金屬間化合物。
圖示
合金 Fe-C 合金(生成 Fe3C)、Mg-Pb 合金(生成 Mg2Pb)、Mg-Sn 合金(生
成 Mg2Sn)、Mg-Ca 合金(生成 Mg2Ca)等。
種
類
六
液態時有部分溶解度,固態時完全不溶合,而發生偏晶反應。
圖示
合金 Cu-Pb 合金、Zn-Pb 合金、Al-Cd 合金等。
第 1章 緒 論 5
二 自 我 評 量
一、選擇題
( B )1. 下列何者金屬組織較軟? (A)結晶易、晶粒細 (B)結晶易、晶粒
粗 (C)結晶不易、結晶細 (D)結晶不易、晶粒粗。
( A )2. 金屬同素變態是因為 (A)結晶格子 (B)物理性質 (C)化學性質
(D)機械性質 發生變化。
( B )3. 常溫鐵的結晶構造為 (A)面心立方格子 (B)體心立方格子 (C)
六方密格子 (D)斜方晶格子。
( B )4. 下列何種結晶構造延展性較佳? (A)體心立方格子 (B)面心立
方格子 (C)六方密格子 (D)斜方晶格子。
( D )5. 下列何種金屬熔點最高? (A)鋁 (B)銅 (C)鐵 (D)鎢。
( D )6. 金屬材料受外力作用時,應變愈小其 (A)延性 (B)展性 (C)韌
性 (D)剛性 愈大。
( B )7. 金屬在液態時,若凝固速度愈慢所獲得的組織為 (A)晶粒微細
(B)晶粒粗大 (C)不一定 (D)與凝固速度無關。
( B )8. 下列何種金屬導電度最高? (A)鋁 (B)銀 (C)銅 (D)鐵。
( A )9. 金屬受熱致使原子振動急速增加,而造成結晶格子崩壞的現象稱
為 (A)熔化 (B)凝固 (C)汽化 (D)蒸發。
( C )10. 純金屬在開始熔化到完全熔化此期間溫度為 (A)上升 (B)下降
(C)不變 (D)不一定。
( D )11. 下列何者為塑性變形加工方法? (A)鍛造 (B)滾軋 (C)壓製
(D)以上皆是。
( A )12. 合金之熔點較其成分金屬為 (A)低 (B)高 (C)不變 (D)不一定。
( D )13. 金屬材料中的晶粒成分、粗細、形狀、方向及組合情形稱為 (A)
晶胞 (B)單位格子 (C)結晶 (D)組織。
6 第 1章 緒 論
( D )14. 金屬間化合物 (A)質軟,熔點低 (B)質軟,熔點高 (C)質硬,
熔點低 (D)質硬,熔點高。
( A )15. 合金中液相和固相均完全融合,其常溫會形成 (A)固溶體 (B)
共晶混合物 (C)共析混合物 (D)金屬間化合物。
( B )16. 熱加工與冷加工的區別為 (A)427℃ (B)再結晶溫度 (C)外加
力量 (D)使用模具。
( C )17. 可製成金屬線的塑性加工方式多用 (A)鍛造 (B)軋延 (C)拉製
(D)擠製。
( A )18. 造成金屬永久塑性變形的原因有 (A)外力超過彈性變形 (B)材
料經冷加工變形 (C)材料經熱加工變形 (D)以上皆是。
( B )19. 下列何者非體心立方格子結晶結構材料? (A)-Fe (B)鋁 (C)
鉻 (D)鎢。
( A )20. 晶界愈多表示 (A)晶粒愈細 (B)晶粒愈粗 (C)冷卻愈慢 (D)強
度愈軟。
二、簡答題
1. 解釋名詞:
(1) 組織。
(2) 結晶格子。
(3) 固溶體。
(4) 高溫加工。
(5) 塑性加工。
(6) 共析反應。
答:(1) 組織(Structure)是指晶粒成分、粗細、形狀及排列方向等。
(2) 在結晶體中的原子前後、左右、上下都依一定的規則排列,這規則排列
稱為結晶格子(Crystal Lattice)或空間格子(Space Lattice)。
第 1章 緒 論 7
(3) 在適當條件下,固態的金屬也能溶入其他固態的金屬,而變為單相的溶
體,這種溶體稱為 固溶體。依溶入的 方式可分為置換式 固溶體
( Substitutional Solid Solution )及插入式固溶體( Interstitial Solid
Solution)。
(4) 是將材料加熱至再結晶溫度以上,施以外力而加工成形,又稱為熱作。
(5) 金屬受外力超過彈性限度時,當外力除去後金屬無法恢復原狀而保持變
形狀態,稱為塑性變形,用於塑性變形的加工稱為塑性加工。
(6) 指由一固體同時析出 2 種不同的固體,例如含碳量 0.8%之碳鋼,在 727℃
時會發生沃斯田體同時析出-Fe 及雪明碳體等 2 種固體(→+Fe3C)。
2. 試比較金屬與合金的通性。
答:(1) 純金屬之特性
○1 在常溫多為固態結晶體,但汞除外。
○2 電與熱的良導體。
○3 有固定熔點。
○4 比重多大於 1。
○5 不透明有特殊金屬光澤。
○6 具塑性變形(延展性)的能力。
(2) 合金之特性
○1 導電率與導熱率常較成分金屬低。
○2 合金熔化時,體積通常會增加。
○3 熔點溫度為一段區間且較其主要成分金屬低。
○4 特殊合金可使光澤持久、耐蝕性提高、不容易氧化。
○5 合金延展性常較成分金屬小,但強度及硬度較高。
3. 一般金屬常見的結晶格子為何?單位格子有幾個原子構成?
答: 常見結晶格子 原子數量 金屬種類
體心立方格子(BCC) 2 -Fe、鉻、鎢、鉬、釩等。
面心立方格子(FCC) 4 -Fe、鋁、銅、金、銀等。
六方密格子(HCP) 6 鎂、鈦、鋅、鈷、鎘等。
8 第 1章 緒 論
4. 塑性加工方式有哪些?
答:塑性變形加工的加工方法很多,其中以鍛造(Forging)、滾軋(Rolling)、
拉製(Drawing)、壓製(Pressing)及擠製(Extrusion)最常使用。
5. 二元合金平衡圖有哪些形式?請列舉四種。
答:(1) 液態及固態完全溶合形成固溶體狀態。
(2) 液態完全溶合,固態完全不溶合,而生成共晶混合物。
(3) 液態完全溶合,固態時有溶解度,而生成共晶混合物。
(4) 液態完全溶合,固態時有溶解度,而凝固時發生包晶反應。
(5) 液態完全溶合,固態時生成金屬間化合物,這化合物在熔點以下不發生
分解。
(6) 液態時有部分溶解度,固態時完全不溶合,而發生偏晶反應。