材料性质和特性

1、四、材料性質和特性4.1 工程材料性質：4.1.1抗拉強度 (Tensile strength) Tension test是最常用於決定材料機械性質的一種測試 .該試驗需要一測試試樣 (test specimen)大都為實心且為圓形 . Gage length 0l 50mm (usually)A D012.5mm Engineering stress P/A0Engineering strain e(l l0)l2Modulus of elastistic，E =/e (表示材料的剛性 ).4.1.2材料可分類為：A.金屬：（非鐵： 1.強度不高但抗蝕性好2.貴）1.鐵：灰鑄鐵、展性鑄鐵、s

2、teel、白鑄鐵、熟鐵。2.非鐵： Al 、Copper、Mn 鎂、 Ni、Ti 、Zin 鋅。B.非金屬：（ difference：有機通常可溶解於有機液中， ex：乙醇、四氯化碳、 But waker無.機則可溶於水）1.有機：塑膠、石油產品、木材、紙、橡膠、皮革。2.無機：礦物、水泥、陶瓷、玻璃、石墨。非鐵金屬強度大都不高，但抗蝕性較鐵材好，but 大都較貴。當其他元素加入金屬中，以加強他的特性時，此種組合體稱為合金（ Alloy ）ex：黃銅純銅鋅，青銅純銅錫，鋼純鐵碳。純金屬會在恆溫下凝固，但合金則否。ex：1.鐵礦物在鼓風爐中產生。2.鋁鋁礬土礦氧化物電解法產生高熱還原成鋁。4.2

3、 Structure of Alloy不定形 or 非晶體 (amorphous)：材料由液體固化，但沒有明確的原子晶格結構，如液體一樣，以隨機排列。(ex：玻璃 )結晶性 (crystalline)：即材料在凝固時，原子會自動排列成幾何模型，此原子模型會順應材料的空晶格子 (space lattice)ex:體心立方格子(bcc)body centered cubic.面心立方格子(fcc)face centered cubic.（較佳延展性）have mast density面密方格子hexagonal close paclced.（延展性差）（鈹，鎘，鎂，鈦）彎曲或加工時會變得更脆。若干

4、固體金屬如鐵，當溫度達到臨界溫度，就會改變其晶子結構的型式，這種改變稱為 ”同素異形 ”(allotropic)，（每種格子結構有不同的特性） 。ex: 鐵體心立方稱鐵（鉻、鉬、釩、鎢，have the same structure）室溫極高於 1394(2541)鐵面心立方鐵（鋁、銀、銅、金、鎳、鉛、鉑）910 1394(1679 )純金屬的性質可藉由晶格型式來判斷，but 合金的晶格結構則不易估定。 Substitutional Solid Solution（置換型固溶體）：任純金屬加入元素會改變其晶格大小，形成合金不同，晶格的型式亦不同，所加入元素的原子可代替溶劑 or 金屬中的某些原子

5、的原來位置，此合金則 called substitutional solid solution.Add solute to solvent合金 alloyex: Zinc Lattice of copper，改變 Zinc 的含量可改變黃銅合金的性質。Principles for complete form the substitutional solid solution.2 metals must have similar caystal structure difference in their atomic radii should be less than 15%. Insersti

6、tial solid solution（插入固溶體）：所加元素的原子插入溶劑原子的空間（空隙），此合金稱之。 (Solute atom size is much smaller than that of solrent atom )ex:鐵（ Iron）中的碳（ Carbon）即屬此種鋼 Principles for the complete interstitial solid solution.1. Solvent atom has more than one valence(原子價 )2. atomic radius of the solute atom is less than 59%

7、 of the solvent atom. Intermetallic compounds金屬間化合物： (solute atoms are present among soluventatom in certain proportion)其結晶結構非常複雜，溶解溫度一定，強度、硬度較 bcc、fcc、 hcp 大，但傳導性，延性低。 （ex:鋁銅合金，錫 - 銻）4.2.2延性 ductilitya. percent elongationElongation = (lfl0) l0 100b. reduction of Areareduction of Area = (A0Af)A 0 10

8、04.2.3 True stress and true strainTrue stress, = P/A(A: instantaneous area)True strain, = ln(l l0)當 e 很小時， engineering and true strain are approximately equal但當. e，difference between then is getting largen true strain is more real to the physical phenomena.(example in textbook)4.2.4 Construction of

9、stress-strain curues.4.2.5 Strain at necking in a tension.4.2.6 CompressionMany manufacturing processes are doing under pressure, thus compression test is very important.通常取抗拉強度的 50%, 對脆性材料而言係將其壓至破裂 . For 延性材料 , 則壓至某個變形程度為準。4.2.7 Torsion2shear stress， T 2r t4.2.8 Hardnessresistance to pormanent inde

10、ntalion .測試試樣抵抗小球體，角錐體，圓錐體等壓痕器壓入的能力。1.硬度和抗拉強度成正比。2.硬度和磨耗成反比。Process：壓痕器接觸預加負載的試樣， then adding load to壓痕器，記錄最後負載及預加負載間的壓痕深度差，便換算成硬度讀數。Steelaluminum lead硬度不是基本的 property， the resistance to indentation depends on the shapeof the indenter.A. Brinell test（勃氏硬度）：用 dia 10mm的 steel ball with aload of 500、 1

11、500、3000kg.（軟化高硬度的鋼） HB or BHNPcurred surface area of indentation 通常退火件 annealing metals generally have rounded profile. Cold-worked metals have a shape profile.B. Rockwell test：measures the depth of penstration instead of diameter of indentation.量深度取代直徑。用不同壓痕器：鑽石、 steel ball、Diamond、cone.C. Vickers

12、 test：use diamond pyramid，load： 1kg120kg. unit： HV or DHP.D. Knoop test：diamond pyramid，load：25g 5kg.量測 depth.E. Scleroscope：diamond eipped indenter enclosed in a glass ，tubethen dropped forma castain hight， measure the rebound of the indentor.F. Mohs hardness： one material to scratch another scale

13、form 10 diamond.G. Durometer： for rubbers， plasties， and soft and elastic material.快速以 constant load against surface measure depth after 1 second， hardness is imersaly related to the depth.H. Hot hardness：for cutting took in machining or die in hot working將.( hardness Indentor and sqecimen於 jurnace.

14、4.2.9 Fatigue：（疲勞）由於 repeated loads.The part fails at a stress level below which failure would occur under Static loading mechanical component常發生。Use various states of stress：combination of tension， compression And torsion.試驗 canied out at various stress ainplitnele and No. of cycles.4.2.10 Creep4.2.11 Impact：衝擊，金屬 may have high yield stress and hardness，but not necessary for impact.4.2.11 Residual stresses：當 workpieces被 deformed，但又非均勻的變形，就會產生殘留應力。4.3 Iron-Carbon Systempure iron = 0.008C (up to)steel = 2.11% Ccast iron = 6.67% C (most are less than 4.5%) comm