1、第第 1 章章緒緒 論論1-1 金屬及合金的通性金屬及合金的通性1-2 金屬的結晶構造與組織金屬的結晶構造與組織1-3 金屬的塑性變形金屬的塑性變形1-4 金屬的凝固與變態金屬的凝固與變態總目錄總目錄機械材料可分為機械材料可分為金屬金屬材料和材料和非金屬非金屬材料，材料，如表如表1-1所示。所示。節目錄節目錄表表1-1 機械材料的分類機械材料的分類機機械械材材料料金屬材料金屬材料鐵類金屬材料鐵類金屬材料鐵、鑄鐵、鋼、合金鋼鐵、鑄鐵、鋼、合金鋼.等。等。非鐵類金屬材料非鐵類金屬材料鋁、銅、鉻、鉛、鎂、鎳、鋁、銅、鉻、鉛、鎂、鎳、鈦、鎢鈦、鎢.等。等。非金屬材料非金屬材料有機質材料有機質材料塑膠、
2、木材、瀝青塑膠、木材、瀝青.等。等。無機質材料無機質材料陶瓷、水泥、玻璃、塗料陶瓷、水泥、玻璃、塗料.等。等。金屬包含金屬包含純金屬與合金純金屬與合金1.純金屬純金屬：具有特殊物理性質及機械性質的結晶性物質。具有特殊物理性質及機械性質的結晶性物質。2.合金合金：一種金屬和另一種或者一種以上的金屬或非一種金屬和另一種或者一種以上的金屬或非金屬相互融合，具有金屬的各種性質的物質。金屬相互融合，具有金屬的各種性質的物質。圖圖1-1為元素週期表，工業常用金為元素週期表，工業常用金屬有屬有20多多種，種，例例如金、銀、銅、鐵、鎳、鉻、鋁、如金、銀、銅、鐵、鎳、鉻、鋁、鎂鎂等。等。上一頁上一頁節目錄節目錄
3、上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-1 週期表週期表金屬一般皆金屬一般皆製成合金製成合金使用，例如：使用，例如：1.鋼鋼：鐵：鐵碳合金碳合金2.黃銅黃銅：銅：銅鋅合金鋅合金3.青銅青銅：銅：銅錫合金錫合金4.不鏽鋼不鏽鋼：鐵：鐵碳鎳碳鎳鉻合金鉻合金5.高速鋼高速鋼：鐵：鐵碳鎢鉻釩合金碳鎢鉻釩合金上一頁上一頁節目錄節目錄一、（純）金屬特性一、（純）金屬特性1.在常溫多為固態結晶體在常溫多為固態結晶體。2.電與熱的良導體。電與熱的良導體。導電率：導電率：銀銀銅銅鋁鋁。3.有固定熔點，例如鎢有固定熔點，例如鎢3410、錫、錫232。4.比重多大於比重多大於1（鋰、鈉、鉀比重小於鋰、鈉、鉀比重小於1）。）
4、。比比重重4稱重金屬稱重金屬；比重；比重介於介於1 4之間稱輕金之間稱輕金屬屬。5.不透明、具金屬光澤。不透明、具金屬光澤。6.具塑性變形（延展性）的能力具塑性變形（延展性）的能力。上一頁上一頁節目錄節目錄二、合金特性二、合金特性由二種成分金屬所製成的合金稱為二元合由二種成分金屬所製成的合金稱為二元合金；由三種成分金屬製成稱為三元，依此類推。金；由三種成分金屬製成稱為三元，依此類推。1.導電率導電率與與導熱率導熱率常較成分金屬低。常較成分金屬低。2.合金熔化時，體積通常會增加，銻合金例外。合金熔化時，體積通常會增加，銻合金例外。3.熔點溫度為一段區間且較其主要成分金屬低熔點溫度為一段區間且較其
5、主要成分金屬低。銅鎳合金熔點比銅高例外。銅鎳合金熔點比銅高例外。4.特殊合金可使光澤持久、耐蝕性提高、不容特殊合金可使光澤持久、耐蝕性提高、不容易氧化。易氧化。5.合金延展性常較成分金屬小，但強度及硬度合金延展性常較成分金屬小，但強度及硬度較高。較高。上一頁上一頁節目錄節目錄三、機械工業常用合金三、機械工業常用合金1.鋼鐵類鋼鐵類(1)碳鋼碳鋼和和鑄鐵鑄鐵：以鐵、碳為主的合金。：以鐵、碳為主的合金。(2)合金鋼合金鋼：除鐵碳外，還有鎳、鉻、錳、鎢、：除鐵碳外，還有鎳、鉻、錳、鎢、鈷、鉬、銻、釩、鈦等元素。鈷、鉬、銻、釩、鈦等元素。2.其他合金其他合金(1)輕合金輕合金：鋁合金、鎂合金：鋁合金、
6、鎂合金等。等。(2)銅合金：黃銅、青銅及特殊黃銅銅合金：黃銅、青銅及特殊黃銅等。等。(3)鎳合金：白銅鎳合金：白銅等。等。(4)鋅、鉛、錫合金：軸承合金、壓鑄合金、易鋅、鉛、錫合金：軸承合金、壓鑄合金、易熔合金、鉛字合金熔合金、鉛字合金等。等。上一頁上一頁節目錄節目錄1.金屬在常溫時為固態結晶體，結晶體內金屬在常溫時為固態結晶體，結晶體內原子原子或分子的排列狀態稱為結晶構造或分子的排列狀態稱為結晶構造。2.金屬表面經研磨、腐蝕，再以金相顯微鏡觀金屬表面經研磨、腐蝕，再以金相顯微鏡觀察，可觀察察，可觀察金屬組織（晶粒成分、粗細、形金屬組織（晶粒成分、粗細、形狀、方向等）狀、方向等），如圖，如圖1
7、-2所示。所示。3.金屬的結晶構造可使用金屬的結晶構造可使用 X光繞射法光繞射法分析。分析。4.在同一晶粒中，原子前後、左右、上下都依在同一晶粒中，原子前後、左右、上下都依一定的規則排列，稱為一定的規則排列，稱為結晶格子結晶格子或空間格子，或空間格子，如圖如圖1-3所示。所示。節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-2 金屬表面研磨拋光腐蝕後的金屬顯微組織金屬表面研磨拋光腐蝕後的金屬顯微組織上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-3 原子規格排列結晶格子示意圖原子規格排列結晶格子示意圖結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。上一頁上一頁節目錄
8、節目錄圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子立方體（立方體（Cubie）1.晶格形態如左下圖所示，三軸相等，三角相互垂直；晶格形態如左下圖所示，三軸相等，三角相互垂直；a b c；90。2.有有 3 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄正方體（正方體（Tetragonal）結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，兩軸相等，三角相互垂直；晶格形態如左下圖所示，兩軸相等，三角相互垂
9、直；a b c；90。2.有有 2 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄斜方體（斜方體（Orthorhombic）結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，三角相互晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，三角相互垂直；垂直；a b c；90。2.有有 4 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄單斜體（單斜體（Monoclinic）結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下
10、列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，兩角晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，兩角 90；a b c；90 。2.有有 2 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄三斜體（三斜體（Triclinic）結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，三角不相晶格形態如左下圖所示，三軸互不相等，
11、三角不相等；等；a b c；90。2.只有只有 1 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄六方體（六方體（Hexagonal）結晶體之結晶格子，可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，兩軸相等，相互晶格形態如左下圖所示，兩軸相等，相互120，第三，第三軸垂直；軸垂直；a b c；90；120。2.只有只有 1 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。上一頁上一頁節目錄節目錄菱形體（菱形體（Rhombohedral）結晶體之結晶格子，
12、可分下列結晶體之結晶格子，可分下列7大晶系，如圖大晶系，如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 主要的主要的7大晶系及大晶系及14種主要結晶格子種主要結晶格子1.晶格形態如左下圖所示，三軸相等，三角相等；晶格形態如左下圖所示，三軸相等，三角相等；a b c；90。2.只有只有 1 種晶格如右下圖所示。種晶格如右下圖所示。結晶格子內結晶格子內能代表排列特性的最小單位，稱為能代表排列特性的最小單位，稱為單位格子單位格子或單位晶胞。或單位晶胞。上一頁上一頁節目錄節目錄三種常見之金屬結晶格子三種常見之金屬結晶格子體心立方格子體心立方格子(Body-Centered Cubic)面心立方格子面心立方格子(Fa
13、ce-Centered Cubic)六方密格子六方密格子(Close-Packed Hexagonal)1.簡稱簡稱 BCC2.原子數原子數 23.強度較佳強度較佳4.-Fe、鉻、鎢、鉬、鉻、鎢、鉬、釩等。釩等。1.簡稱簡稱 FCC2.原子數原子數 43.延展性佳延展性佳4.-Fe、鋁、銅、金、鋁、銅、金、銀等銀等。1.簡稱簡稱 HCP2.原子數原子數 63.質脆質脆4.鎂、鈦、鋅、鈷、鎂、鈦、鋅、鈷、鎘等鎘等。幾種常見的加工方式，如圖幾種常見的加工方式，如圖1-6所示。所示。節目錄節目錄金屬受外力而變形的方式，有彈性變形金屬受外力而變形的方式，有彈性變形及塑性變形二種。及塑性變形二種。1.彈
14、性變形彈性變形：當外力除去後金屬變形即消失：當外力除去後金屬變形即消失且恢復原狀。且恢復原狀。2.塑性變形塑性變形：外力超過彈性限度，且外力除：外力超過彈性限度，且外力除去後金屬無法恢復原狀保持變形狀態。去後金屬無法恢復原狀保持變形狀態。塑性變形加工依加工時材料（再結晶）溫塑性變形加工依加工時材料（再結晶）溫度，可分度，可分冷加工冷加工與與熱加工熱加工，如圖，如圖1-7及表及表1-2所所示。示。上一頁上一頁節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-7冷加工、熱加工示意圖冷加工、熱加工示意圖上一頁上一頁節目錄節目錄金屬金屬 再結晶溫度再結晶溫度()金屬金屬 再結晶溫度再結晶溫度()金屬金屬 再
15、結晶溫度再結晶溫度()鋁鋁 Al約約140150鐵鐵 Fe約約490500鉛鉛 Pb約約010銀銀 Ag約約190200鎂鎂 Mg約約140150鉑鉑 Pt約約400450金金 Au約約190200鉬鉬 Mo約約890900錫錫 Sn約約010銅銅 Cu約約190200鎳鎳 Ni約約530600鎢鎢 W約約11001200表表1-2 常用金屬之再結晶溫度常用金屬之再結晶溫度一、冷加工一、冷加工1.優點：優點：(1)材料材料強度及硬度提高強度及硬度提高。(2)獲得獲得較精密較精密的尺寸精度。的尺寸精度。(3)表面光滑，不易生成氧化層。表面光滑，不易生成氧化層。2.缺點：缺點：(1)材料產生加工硬
16、化，延展性降低。材料產生加工硬化，延展性降低。(2)所需變形壓力較熱作大所需變形壓力較熱作大。(3)材料內產生材料內產生殘留應力殘留應力。(4)結晶顆粒變形，電阻增大。結晶顆粒變形，電阻增大。上一頁上一頁節目錄節目錄二、熱加工二、熱加工1.優點：優點：(1)材料於加工變形過程中不發生任何強化材料於加工變形過程中不發生任何強化。(2)適合大物件成形。適合大物件成形。(3)鋼錠中鋼錠中氣孔及缺陷在高溫加工下易消除氣孔及缺陷在高溫加工下易消除。(4)加工變形壓力較冷作低。加工變形壓力較冷作低。(5)材料結晶顆粒成纖維狀分布。材料結晶顆粒成纖維狀分布。上一頁上一頁節目錄節目錄2.缺點：缺點：(1)表面
17、冷速快，材料性質較不均勻。表面冷速快，材料性質較不均勻。(2)材料冷卻會產生收縮，材料冷卻會產生收縮，尺寸精度較差尺寸精度較差。(3)在高溫加工材料在高溫加工材料易生氧化層易生氧化層。(4)高溫操作較具危險性。高溫操作較具危險性。(5)設備及維護費用較高。設備及維護費用較高。上一頁上一頁節目錄節目錄二、熱加工二、熱加工常用塑性加工方法，如圖常用塑性加工方法，如圖1-8所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-8材料塑性加工方式材料塑性加工方式一、金屬的熔解、凝固現象，如圖一、金屬的熔解、凝固現象，如圖1-9。節目錄節目錄圖圖1-9液態金屬凝固過程液態金屬凝固過程註：由液體內的各處所生長的各個
18、結晶，各個結晶的最後接觸面就是晶界。二、金屬的變態二、金屬的變態1.物質的狀態可由外界溫度和壓力的變化而改物質的狀態可由外界溫度和壓力的變化而改變稱為變稱為變態變態。2.物質三態：氣態、液態和固態。物質三態：氣態、液態和固態。3.物質原子或分子的排列改變，稱物質原子或分子的排列改變，稱相變態相變態。4.同一金屬之結晶結構發生改變，稱為同一金屬之結晶結構發生改變，稱為同素同素 變態變態，-Fe（BCC）-Fe（FCC）。）。5.金屬非原子排列和結晶結構發生變化，而金屬非原子排列和結晶結構發生變化，而原原子物理性質發生改變子物理性質發生改變，如常溫純鐵為強磁性，如常溫純鐵為強磁性體，升溫至體，升溫
19、至770時磁性迅速下降，稱為時磁性迅速下降，稱為磁磁變態變態。上一頁上一頁節目錄節目錄三、平衡的意義與平衡圖三、平衡的意義與平衡圖1.在一個金屬（物系）內，在一個金屬（物系）內，若沒有熱量的出入（溫度若沒有熱量的出入（溫度不變），固體、液體、氣不變），固體、液體、氣體等體等各相可以穩定存在的各相可以穩定存在的狀態，稱為平衡狀態狀態，稱為平衡狀態。2.金屬狀態圖上的熔點或沸金屬狀態圖上的熔點或沸點也呈現這種平衡狀態，點也呈現這種平衡狀態，所以狀態圖也稱為平衡圖，所以狀態圖也稱為平衡圖，如圖如圖1-10所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-10純鐵狀態圖純鐵狀態圖1.平衡圖畫製法，如圖平衡圖
20、畫製法，如圖1-11、1-12所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-11熱分析實驗示意圖熱分析實驗示意圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-12平衡圖繪製平衡圖繪製2.二元合金的平衡圖、熔解及凝固現象二元合金的平衡圖、熔解及凝固現象 (1)一般合金在液態時，成分金屬互相融合後變一般合金在液態時，成分金屬互相融合後變為為單一的相單一的相。(2)凝固後依合金的種類不同，會變為凝固後依合金的種類不同，會變為單金屬單金屬、固溶體固溶體和和金屬間化合物金屬間化合物等其中的一種，或數等其中的一種，或數種相的混合物，如圖種相的混合物，如圖1-13、1-14所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄上一頁上一頁節
21、目錄節目錄圖圖1-13置換式固溶體及插入式固溶體置換式固溶體及插入式固溶體上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-14固溶體內的晶格畸變固溶體內的晶格畸變(1)液態及固態完全溶合形成固溶體狀態。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，成共晶混液態完全溶合，固態完全不溶合，成共晶混合物狀態。合物狀態。(3)液態完全溶合，固體時有溶解度，而生成共液態完全溶合，固體時有溶解度，而生成共晶混合物。晶混合物。(4)液態完全溶合，固體時有溶解度，而凝固時液態完全溶合，固體時有溶解度，而凝固時發生包晶反應。發生包晶反應。(5)液態完全溶合，固態時生成金屬間化合物，液態完全溶合，固態時生
22、成金屬間化合物，而這化合物在熔點以下不發生分解。而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，液態時有部分溶解度，固態時完全不溶合，而發生偏晶反應。而發生偏晶反應。3.二元合金平衡圖種類二元合金平衡圖種類上一頁上一頁節目錄節目錄(1)液態及固態完全溶合形成固溶體狀態液態及固態完全溶合形成固溶體狀態例如：例如：Ni-Cu合金、合金、Au-Ag合金、合金、Bi-Sb合金、合金、Ni-Co合金合金等，如圖等，如圖1-15、1-16、1-17所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-15形成固溶體之二元合金的冷卻曲線及平衡圖形成固溶體之二元合金的冷卻曲線及平衡圖上一頁上
23、一頁節目錄節目錄圖圖1-16固溶體合金的平衡圖固溶體合金的平衡圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-17L合金凝固過程之顯微組織示意圖合金凝固過程之顯微組織示意圖(2)液態完全溶合，固態完全不溶合，成共晶混液態完全溶合，固態完全不溶合，成共晶混合物狀態，例如：合物狀態，例如：Al-Sn合金、合金、Bi-Cd合金、合金、Sn-Zn合金合金等，如圖等，如圖1-18所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-18二元共晶型之冷卻二元共晶型之冷卻曲線及平衡圖曲線及平衡圖(3)液態完全溶合，固體時有溶解度，而生成共液態完全溶合，固體時有溶解度，而生成共晶混合物：這種形式的合金，例如：晶混合物：這種形式的合金
24、，例如：Ni-Cr合合金、金、Ag-Cu合金、合金、Al-Si合金和合金和Pb-Sn合金合金等，等，如圖如圖1-19所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-19固體有溶解度的共晶合金冷卻曲線及平衡圖固體有溶解度的共晶合金冷卻曲線及平衡圖(4)液態完全溶合，固體時有溶解度，而凝固時液態完全溶合，固體時有溶解度，而凝固時發生包晶反應，例如：發生包晶反應，例如：Au-Fe合金、合金、Cd-Hg合金合金等，如圖等，如圖1-20、1-21所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-20有包晶反應之合金有包晶反應之合金冷卻曲線及平衡圖冷卻曲線及平衡圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-21合金合金L2的凝
25、固情形顯微組織示意圖的凝固情形顯微組織示意圖(5)液態完全溶合，固態生成金屬間化合物，這液態完全溶合，固態生成金屬間化合物，這化合物在熔點以下不發生分解，例如：化合物在熔點以下不發生分解，例如：Fe-C合金（生成合金（生成Fe3C），如圖，如圖1-22所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-22具金屬間化合物型平衡圖具金屬間化合物型平衡圖(6)液態時有部分溶解度，固態時完全不溶合，液態時有部分溶解度，固態時完全不溶合，而發生偏晶反應，例如：而發生偏晶反應，例如：Cu-Pb合金、合金、Zn-Pb合金、合金、Al-Cd合金合金等，如圖等，如圖1-23、1-24所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-23二元偏晶型平衡圖二元偏晶型平衡圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖1-24 偏晶偏晶L1凝固過程示意圖凝固過程示意圖
