金属材料的物理性质与化学性质.doc

7.1金屬材料的物理性質1 比重(specific gravity) 某一物體的重量和同體積的4的水之重量比叫做比重。2 比熱(specific heat) 把1克的物質加熱使它升溫1時所需要的熱量(以calorie表示)叫做比熱。比熱較大的Mg，A1等。 金屬的比熱通常隨溫度上升而增加。3 膨脹系數(coefficient of expansion) 各種金屬受熱而溫度上升時會膨脹。冷卻而溫度降低時會收縮。體積的增加率叫做體積膨脹系數(coefficient of bulk expansion)，其長度的增加率叫做線膨脹系數(coefficient of linear expansion)。比重增加時，膨脹系數也會增加。4 導熱度(thermal conductivity) 1cm立方體的相對丙面間，假定有1的溫度差時，在1秒內由高溫面移動到低溫面的熱量(以calorie表示)叫做導熱度。金屬都是熱的良導體。銀的導熱度最大，其次是Cu及AI。金屬的純粹度愈高，其導熱度愈好。5 比電阻(specific resistance) 某金屬線的長度為，斷面積為s時，其電阻R可以用下式表示 R=(/s) 式中為比電阻。斷面積1cm2，長1cm的材料之電阻以ohm()表示，叫做比電阻。銅和鋁的電阻很小，所以容易導電。電阻隨溫度增加而增大。Rt=R0(1+t) 式中叫做電阻的溫度系數(temperature coefficient of electric resistance),因金屬之不同而異。7.2金屬材料的化學性質 1 金屬的離子化(ionization) 金屬的離子化之容易度依其大小排列時可得下面所示的次序：K Ca Na AI Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb (H) Cu Hg Pt Au 2 腐蝕(corrosion) 金屬表面受化學或電化學的作用，在表面生成非金屬化合物而補侵蝕漸漸會消耗的現象，叫做腐蝕。a 電化學腐蝕b 由環境所引起的金屬腐蝕c 高溫氣化 氣化把金屬加熱到高溫時受氧的化學腐蝕起氧化，而在表面生成氧化物。離子化序列愈上位的金屬愈容易被氧化。比A1上位的金屬，在空氣中生成氧化物而起燃燒。Na ，K等在空氣中會自然發火，Mg在空氣中加熱時會激烈燃燒。金屬的氧化，則溫度愈高，愈迅速度進行。7.3金屬材料的機械性質7.3.1機械性質的概念 就下圖所示的由拉力所引起的機械反應而言，抗拉應力超過某一數值時吊桿會被拉斷。這性質可以用來表示。當材料被拉斷時，材料的長度增加可以用來表示。例如彈性系數，抗拉強度，硬度，伸長率及沖擊值等是表示這些反應的具體性質之例。這些性質叫做金屬材料的機械性質。 機械性質可以分做強度和延性兩方面來說明。強度是表示材料對外力抵抗能力，延性是表示在不破壞的范圍之內，材料能發生永久變形的能力。機械性質是由強度(strength)和延性(ductility)的兩種因素支配的。 7.3.3材料試驗的目的 制造各種材料或者利用這些材料來制造某種機械零件時，品質控制是很重要的，因此必須采用適當的材料試驗來控制材料的品質。所采用的試驗務必簡單、方便。材料試驗的另外一種重要的目的是檢查材料在使用中發生破損的原因。7.4.1拉伸試驗(或抗拉試驗) 拉伸試驗(tensile sest)的目的是要測定材料的強度和延性。 上圖曲線1是低碳鋼的拉伸試驗結果。曲線2上非鐵金屬，例如銅，鋁等的荷重伸長曲線。1、彈性限(elastic limit) 假如荷重不超過某一限度(圖中E點)，則除去荷重，伸長就會變為零。E點以下的荷重時所發生的變形叫做彈性變形。彈性限=PE/A0 (kgf/mm2) 2、比例限(proportional limit) 范圍內荷重和伸長會依照虎克定律(Hookes law)而變化。比例限=PP/A0 (kgf/mm2)彈性限和比例限的數值是很接近，彈性限是除去荷重以後，所產生的變形是否會完全消減的一個臨界點。而比例限是荷 重的伸長的關係是否會依照虎克定律變化的一個臨界點。3、彈性系數(modulus of elasticity,Youngs modulus) 在比例限內可以求出彈性系數。彈性系數是表示材料受到比例限以內的荷重時，在材料內部所產生的應力和應變的比。 彈性系數E=應力/應變=(Pe/A0)/(L/L0)4、降伏點(yield point) 荷 重超過比例限P點時，荷重伸長曲線不再成正比，這個現象叫做降伏(yielding)。5、降伏強度(yield strength) 降伏強度=P/A0(kgf/mm2) 材料受到外力而產生相當於降伏強度的應力時，則會發生0.2%的永久變形。6、抗拉強度(tensile strength) 降伏完了以後，荷重再繼續增加時，伸長的增加率比荷重的增加率大。荷重超過M點時通常在試驗片的中央部分會發生局部變形(local deformation) 。 抗拉強度=Pu/A0 (kgf/mm2)7、伸長率(percentage of elongation) 在Z點試驗片被拉斷之後，從試驗機取下試驗片，把兩個斷口接緊。 伸長率=(L-L0)/L0*100(%) 8、斷面縮率(percentage of area reduction) 試驗片的拉斷部分之最小斷面積A和原來的斷面積A0的差數A0- A，以原來的斷面積A0 斷面縮率=( A0- A)/ A0*100(%) 7.4.2硬度試驗 金屬材料的機械性質當中硬度(hardness)是很重要的一種性質。從硬度大概可以推想其他的機械性質。通常所采用的有勃氏(Brinell)，洛式(Rockwell)，維克氏(Vickers)和蕭氏(Shore)。 1、勃氏硬度(Brinell hardness) 把很硬的標准鋼球用一定的荷重壓入試驗片的表面，使試驗片發生球面的壓痕叫做勃氏硬度。通常用HB來代表。P=加壓在標准鋼球上的荷重 (kgf)D=標准鋼球的直徑 (mm)A=壓痕的球面表面積 (mm2)d=壓痕的最大直徑 (mm)t=壓痕的最大深度 (mm) 2、洛氏硬度(Rockwell hardness) 淬火鋼等的硬質材料所用的壓痕器(penetrator)是頂角120，半徑0.2mm的金鋼石圓錐體，荷 重為150kgf。洛氏C硬度，對退火鋼和其他軟質材料所用的壓痕器是直徑1/16in鋼球，所加荷重為100kg。所得的硬度叫做洛氏B硬度，用HRB之記號來表示。 兩種硬度HRC，HRB時都要先加小荷重(minor load) 10kgf，壓入深入做基准，其次再加大荷重(major load) 140kgf(加上小荷重共為150kgf)或者90kgf(加上小荷重共為100kgf)。3、維克氏硬度 把對面角136的金鋼石方錐體，以一定的荷重壓入試驗片的表面，使試驗片發生方錐形壓痕。假設P=荷重(kgf) S=壓痕的表積(mm2) d=壓痕在試驗片表面的對角線長度(mm)則HV = P / S = 2 sin68P / d2 = 1.8544 P / d24、蕭氏硬度 蕭氏硬度試驗機是把尖端裝有金剛石的小錘掛在垂直玻璃管內一定高度。從這高度使小錘自由落下，當小錘打擊試驗片時試驗片表面會產生很小的壓痕。因為試驗片的硬度不同 ，小錘的反跳高度也不同。通常用HS記號來表示。非鐵金屬材料 一般的構造用或機械用金材料的主體為碳鋼、合金鋼、鑄鐵等鋼鐵材料。但是鋼鐵材料在特性上有各種應用方面的缺點，例如它的耐蝕性比鎳、銅等差很多，又注重比重、導熱度方面的應用時，也無法和鋁相比較。這些鋼鐵以外的金屬材料，叫做非金屬材料(nonferrous metals)。 非金屬材料常用的有(1)銅和銅合金，(2)鋁和鋁合金，(3)鎂和鎂合金，(4)鋅和鋅合金，(5)軸承合金等。1、銅和銅合金 1.1銅 銅的導電度和導熱度高，所以在這方面的用途很廣。但是例如黃銅和青銅，在銅中添加Zn，Sn或其他元素時，可以改良它的耐蝕性和機械性質。1.1.2銅的性質及用途 銅的物理性質：銅的特點是導電度和導熱度大，多半用為電氣材料或傳熱用的管、板等。銅的展延性良好，可以作為薄板和細線，但是機械強度小，所以用為構造用材料時，須先加工使它硬化後才使用。經過加工而增加強度的銅可分為軟質、1/4硬質、1/2硬質等。1.2.1黃銅 黃銅(brass)是銅和鋅的合金。制造和加工都容易，價格又便宜，所以使用量多。含3040% Zn者最實用。 1.2.3青銅 青銅(bronze)是錫和銅的合金。青銅的特點是鑄造性和耐蝕性優良，此外機械性質也良好，耐磨耗性也大。優點所以成為鑄造用銅合金中最具代表性者。1.2.4磷青銅 磷青銅(phosphorus bronze)是青銅中添加少量的P者。添加P時可除去青銅內部的氧化物，P含量較多者，硬度高，耐磨耗生優良，用為軸承或其他需要機械性能優良的零件。又實施冷溫加工時抗拉強度，彈性限會顯著地增加。在高溫其彈性強，對電流的接觸電阻也低，是重要的電氣通信機器用彈簧材料之一。2、鋁和鋁合金2.1鋁 鋁的特點是重量輕，其比重為2.7。但它的強度低，所以不能以純粹的狀態用為需要強度的構造物。所謂輕合金(light alloy)是鋁中加其他元素而改良這種缺點者。鋁合金抗拉強度、伸長率、彎曲等的機械性質相當優良。2.2鋁合金 由於汽車、飛機的發達，對重量輕，且強度大的材料之需求日漸增加。鋁的特點是輕，但是強度低，所以需在鋁中添加特歹元素，作成各種優良的鋁合金，而適應現代工具的要求。 鋁合金可分為鍛造用和鑄造用兩種。有些未經熱牏就可使用，有些則經熱牏改善機械性質以後才使用。2.2.3鋁合金的種類3、鎂和鎂合金 3.1鎂 鎂大體存在於菱鎂石(magnesite, MgCO3)等的礦石中。3.2鎂合金 鎂合金是鎂中加入A1，Zn，Mn，Zr，Ce等元素而改良其機械性質或耐蝕性者。其比重較A1合金小，抗拉強度達1535kgf/mm2。4、錫、鉛、鋅及其合金 Sn、Pb、Zn、Sb、Bi等金屬，質軟，熔點低。這些合金雖不能使用於需要強度的構造物，但是適合於軸承用合金、軟焊合金及活字合金等。4.1錫 錫在18有Sn Sn的同素變態。18以上是白色的金屬(白錫，white tin) ，18以下時會變為灰色的粉(灰錫，gray tin)，但是通常容易被過冷，所以在18以下也不會變為灰錫。 白錫質軟，抗拉強度24 kgf/mm2，伸長率3540%，富於展性，能做成很薄的箔。又耐蝕性優良，可以鍍在鐵板上而制造白鐵皮。4.2鉛 鉛的比重大(11.34)，質軟，延展性大，在常溫容易作成板或箔。因為鉛的再結晶溫度在常溫以下，所以常溫加工時不容易硬化，在空氣中難被腐蝕。4.3鋅 鋅的材質很脆，但是溫度在100150時延展性會增加，可以做成薄板或拉成線。加熱至200時結晶粒會變粗，而質再變脆。鋅中加少量Cu、Sn、AI者可用於壓鑄。7、合成樹脂(塑膠) 合成樹脂(synthetics resin)是用人工以化學方法合成的有機材料，通常叫做塑膠(plastics)。合成樹脂為高分子聚合物，具有優良的可塑性(plasticity)。所謂可塑性是指以外力時可使它自由變形的性質。 7.5熱塑樹脂 (1)聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC) PVC 是由碳化鈣(calcium carbide)所發生的乙炔(或用乙烯)和氯化氫(HCI)相作用所制造者。各種熱塑樹脂的名稱、性質和用途例樹脂名稱性 質用 途 例聚氯乙烯強度大，電氣絕緣性、耐酸性、耐鹼性、耐水性很好。加工性，著色性也好。薄膜、板、建材、雨衣、自來水配管、玩具、電氣絕緣零件、塑膠布。聚偏二氯乙烯耐藥品性比聚氯乙烯大，難燃性。帳蓬、防蟲網、漁網、織品、耐藥品用成形品。聚醋酸乙烯無色透明，粘著性大，可溶於各種溶劑。塗料、粘著劑、維尼龍原料。聚苯乙烯無色透明，電氣絕緣性、耐水性、耐藥品性大。餐器、玩具、廚房用日用品、雜貨。聚醯胺強韌，耐磨耗性大。合成織維、電線皮膜、醫療器具、齒輪等的耐磨耗用品。聚乙烯比水輕，柔軟，電氣絕緣性、耐水性、耐藥品性良好。包裝用薄膜、電線皮膜、瓶子、容器。壓克力透明度大，化學性安定，加工性、粘著性良好。航空機，車輛的有機玻璃、建材、照明器具材料。氟樹脂在低溫、高 的電氣絕緣性良好，耐藥品性也好，強度很大。高級電氣絕緣材料、襯墊、襯料、耐藥品零件。織維素樹脂透明性、可撓性、加工性良好。難燃性賽璐珞。聚丙烯相似聚乙烯，透明度大、耐藥品性、加工性優良。薄膜，其他包裝材料。 (2)聚醋酸乙烯(poly vinyl acetate) 這是由乙炔和醋酸所合成的無色透明樹脂，軟化點很低，約為3538，耐弱酸、弱鹼，有相當的耐水性。 (3)聚乙烯(poly ethylene) 這樹脂是把乙烯聚合而得者。利用由石油制造時所產生的廢氣中的成分來合成。聚乙烯比水輕，柔軟，耐藥品性、耐水性、電氣絕緣性都優良，但耐熱性不好，多用為包裝用薄膜，也廣用為電線的被 覆、各種容器。 (4)聚苯乙烯(poly styrene) 這是由苯和乙烯所合成的無色透明樹脂，耐水性、電氣絕緣性非常好，也不會被強酸、酸、鹼侵蝕。 (5)聚醯胺(poly amide) 耐隆(nylon)是聚醯胺織維的商品名。 (6)ABS共聚體(ABS copolymer) 這是丙烯脯(acrylonitrile)，丁二烯(butadiene) 和苯乙烯(styrene)三成分的共聚體(copolymer) ，硬度大、軟化溫度高(約100)、耐蝕性很好。7.6熱固樹脂(1) 酚樹脂這樹脂是把酚和甲醛(formaldehyde)相作用而制成者。一般所熟悉的電木 (bakelite)是屬於這類。酚樹脂的電氣絕緣性優良，機械強度也好。(2) 尿素樹脂(3) 三聚氰胺樹脂(melamine resins) 7.7強化塑膠 如上所述，樹脂的種類很多，而各具有特殊的性質。然而在這些樹脂內加入適當的填料(fillers)或添加劑(additives)時可改變它的特性，而得到目標性質的材料。或者在樹脂內加入適當的織維，作成復合材料以便增加強度。這些材料一般叫做強化塑膠。填料有木粉、紙漿、石棉、石英粉等。一般加了填料時強度、耐沖擊性、硬度會增加。為了得到特殊的性能，有時加入添加劑，例如加入二硫化鉬、石墨等固體潤滑濟等。加入樹脂內的織維有玻璃織維、碳織維、金屬織維(Mo，W，鋼，不銹鋼等)，結晶質織維(氧化鋁、氧化鋯、氮化硼)等。這些織維和樹脂的復合材料叫做織維強化逆膠(fiber reinforced plastics)，一般簡稱FRP。FRP質強韌又輕，容易加工，耐油、耐藥品、耐熱、耐寒性、電氣絕緣性都好。又例如利用碳織維者，其彈性特優，強度也很高。FRP可用為藥品、燃料的容器，汽車、航空機等構造用材料等。10.新陶瓷材料 近來陶瓷(ceramics)材料，在種類和用途方面的發展很大。原來是指陶器、磚、水泥、玻璃等窯業制品。這些新陶瓷(一般叫做new ceramics)具有各種特定的優秀性質，用在各種工業領域。新陶瓷是采用高純度的AI2O3 、MgO、 SiC等經過特殊處理的天然原料或人工原料來制造，而具有各種特殊的機能。新陶瓷以成分分類時，可以分為采用高純度天然原料的氧化物系，例如氧化鋁(AI2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)等。(1)氧化鋁(AI2O3) 氧化物系新陶瓷中最具代表性，使用度也最高。溶點(2050)相當高，硬度(Mohs9)、強度(抗拉強度26505000kgf/cm2，抗壓強度340000kgf/cm2)也較高。(2)氧化鎂(MgO) 氧化