第二章工程材料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ),體心立方結晶的金屬即具有轉換溫度。 衝擊試驗適用於求材料之轉換溫度值。 金屬材料大都有高衝擊抵抗值，也就是靭性高，通常表示也具有高強度和高延性。 陶瓷和許多複合材料具有高強度，但是幾乎沒有延性，靭性。,?,2.1 金屬材料之性質(續),?,2.1 金屬材料之性質(續),5.破壞靭性 (Fracture toughness) 當材料在凝固成形或加工的過程中，內部或表面產生裂縫或其他微小缺陷時，抵抗裂縫成長的能力以破壞靭性表示。 一般工程材料都多少含有某些缺陷，在外力作用下裂縫是否會出現不穩定的成長，導致材料破壞是以所謂的應力強度因子(Stress intensity factor)是否達到臨界值為判斷依據。 應力強度因子是結合外力換算的應力值、工件幾何形狀和原有裂縫長度計算而得。,?,2.1 金屬材料之性質(續),臨界值即為所稱的破裂靭性，是材料的一個定量的性質，其值由相關的試驗得到。 相同類型的材料，破裂靭性較大者，其降伏強度較小，在設計產品使用條件、壽命及檢驗標準時，要特別注意需同時考慮材料這兩項性質。,?,2.1 金屬材料之性質(續),6.疲勞 (Fatigue) 機械零件經常用在承受變動負荷的場合，雖然此種反覆作用的應力小於材料的降伏強度，但材料也會發生破壞，稱此現象為疲勞。 疲勞破壞進行的模式是材料原有之微小裂縫在循環應力的反覆作用下，裂縫穩定地逐漸延伸，最後當裂縫長度超過某一極限值時即發生不可停止的不穩定成長致使工件斷裂。 疲勞試驗(Fatigue test)是求取疲勞強度(Fatigue strength，F.S.)的方法。,?,2.1 金屬材料之性質(續),將不同應力振幅值(S)及使工件破壞的應力反覆作用次數(N)繪製成所謂的SN曲線，如圖2.7所示。 曲線出現水平部份時，其對應的應力值即稱為疲勞強度,?,2.1 金屬材料之性質(完),7.潛變 (Creep) 金屬材料在高溫的環境中，受一固定大小的應力作用時，其長度會隨著時間而增加，最後終至斷裂。 固定應力及溫度(高溫)所得到的材料伸長率(應變)與時間的關係叫潛變曲線，如圖2.8所示。,?,2.2 鐵系金屬材料,工程上使用的金屬材料絕大多數是以合金而非以元素的形式出現。 合金：是指以某金屬為主要成分，再加入其它金屬或非金屬形成仍具有主要成分金屬特性的材料。 常用的金屬材料分為鐵系金屬(Ferrous metals)和非鐵系金屬(Nonferrous metals)兩類。 鐵系金屬(Ferrous metals) ：以鐵元素(Fe)為主要成分，包括鐵和碳鋼、合金鋼及鑄鐵。 非鐵系金屬(Nonferrous metals) ：指鐵元素以外的金屬為主要成分的材料，例如鋁、鎂、銅、鎳、鈦及其合金等。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),常見的材料規格標準有UNS、ASTM、AISI、SAE、JIS、DIN、BS、CNS及鋁合金之AA等。 2.2.1 鐵和碳鋼 純鐵(Pure iron) 精煉的代價很高 事實上仍含有微量的雜質 本身很軟，不適合於有強度需求的結構體之應用 通常做為合金鋼之原料或電器材料等用途。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),碳鋼(Carbon steel) 是鐵和碳的合金。 含碳量在0.02%~2%之間 。 碳鋼的機械性質決定於其含碳量和顯微組織。 抗拉強度、降伏強度和硬度等隨著含碳量的增加而增加，但是延性和靭性則剛好相反 。 目前使用量最多，用途也是最廣的工程材料，其中又以含碳量0.05%~1.5%為主。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，各有其適合的應用場合，詳如表2.1所示。 低碳鋼 稱為軟鋼(Mild steel)，含碳量低於0.3%。 含碳量在0.2%左右之低碳鋼為一般主要之構造用鋼，如建築、橋樑、車輪等使用之鋼條或鋼板。 通常不需熱處理，經滾軋或鍛造後即直接使用。 低碳鋼因含碳量低，不論是鑄造、鍛造、切削或銲接加工都非常容易,?,2.2 鐵系金屬材料(續),中碳鋼 通常使用在強度要求比低碳鋼高的場合。 高碳剛 用於需要高強度、硬度和耐磨性的零件。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),2.2.2 合金鋼 合金鋼 (Alloy steel) 是指在碳鋼中添加一種或一種以上之特殊元素，用以增進或改善某些機械性質，做為特定用途之材料。 用途可分為構造用合金鋼和特殊用途合金鋼，如表2.2所示。 機械性質比碳鋼優越許多，並且在鑄造、鍛造、切削及熔接等之加工性也都較好 。 廣泛地用於建築、運輸工業和各類機械之重要零件 。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),?,2.2 鐵系金屬材料(續),特殊用途合金鋼較重要的有下類四類 1.工具鋼 (Tool steel) 用做為刀具、工具或模具之材料，乃機械製造之切削加工或塑性成形不可或缺的重要輔助材料。 在常溫或高溫時都具有高強度、高硬度、高靭性、耐磨耗和抗氧化熔合性優良等。 依化學成分不同有碳工具鋼、合金工具鋼和高速鋼等三種。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),碳工具鋼(Carbon tool steel) 含碳量為0.6%~1.5%，亦即是高碳鋼。 容易加工，淬火回火後硬度甚高，但其缺點為硬化深度淺，高溫時硬度變低，切削耐久性差，故只適用於做木材及輕合金之切削工具。 合金工具鋼(Alloy tool steel) 在碳工具鋼中添加鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鎳(Ni)等元素，增加其硬化深度、耐磨耗性和抵抗高溫軟化等性質。 主要用途有切削工具、耐衝擊工具、耐磨耗工具和熱加工模具等。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),高速鋼 (High speed steel) 所含的特殊元素有鎢、鉻、釩、鉬、鈷(Co)等，可大幅改善高溫回火軟化的現象，使之在紅熱溫度時仍保有足夠的切削硬度，故多用於高速切削刀具。 2.不銹鋼 (Stainless steel) 要特性為耐蝕性優良，應用的範圍非常廣泛，如石化、航太、交通、機械零件和民生工業等，為高合金鋼中產量最多者。,?,2.2 鐵系金屬材料(續),根據組成成分有鉻系和鉻鎳系兩種主要類型。 鉻系 不銹鋼的主要添加元素為鉻 鉻和氧結合在鋼的表面形成具保護作用之氧化膜，可防止氧或水分等的侵蝕。 使用上又將不銹鋼分為五個主要類型，即肥粒鐵型、麻田散鐵型、沃斯田鐵型、析出硬化型和雙相型。,?,