大学工程材料课件.pptx

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1、前言,材料应用的演变是人类文明发展的里程碑。石器、陶器、铜器和铁器时代，即是以当时的人制造工具和日用品的材料做为区分基准。近年来塑料，半导体和复合材料等的发明和应用，更是导致加工技术的突飞猛进，生产出各种大量或更高精度的产品。,http:/,前言(续),材料的进步主导着人类科技文明的发展和生活质量的提升。材料是制造系统的关键因素之一，故了解工程材料本身的组成和特性已成为从事制造相关研究或产业之人员所必备的知识。材料在设计时间被选用的主要考虑是它所具备的性质(Properties)可以符合产品的功能要求。,http:/,前言(续),对工程材料言，材料性质中的机械性质是最主要的评估因素，其次是物理

2、性质及化学性质。材料性质是由组成的成分(元素或化合物)和其组织所决定，并且会影响材料的加工性和使用特性。材料的组织有结晶和非结晶两种形式。,http:/,前言(续),结晶原子在晶粒内有一定规则的周期性排列，并由许多晶粒构成所谓的结晶组织材料，例如金属和陶瓷。晶粒内原子的排列方式，例如金属结晶中常见的体心立方，面心立方和六方最密的排列，以及晶粒本身的形状和大小，都会造成材料性质的不同。非结晶材料的组成原子无一定规则排列的特性者称之为非结晶组织材料，例如玻璃和塑料。,http:/,前言(续),一般可将工程材料分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料又分为铁系金属(Ferrous metals)和非

3、铁系金属(Nonferrous metals)。非金属材料则分为有机材料和无机材料，详如图2.1所示。有机材：由动植物细胞转变而成，为碳化合 物，可溶于有机液(如酒精)但不溶于水。无机材：指可以溶于水的矿物，一般言其抗热能力优于有机材料。,http:/,前言(续),http:/,前言(续),材料组成之原子间的键结方式 离子键(Ionic bond)、共价键(Covalent bond)、金属键(Metallic bond)和凡得瓦尔键(van der Walls bond)。可分为金属材料(Metals)、陶瓷(Ceramics)和玻璃(Glasses)材料、聚合体材料(Polymers)(又

4、称高分子材料，或塑料材料)，复合材料(Composite Materials)和电子材料(Electronic Materials)等五大类。,http:/,前言(续),金属材料之优点目前用量最多的工程材料 扮演承载负荷及耐热结构的重要角色种类及产量很多，具有许多优良的性质，人类对其特性也较了解 较易于加工或成形，并且价格方面相对于同等级的其他材料较为便宜,http:/,前言(续),随着能源或环保问题的日益受到重视非金属材料的重要性及使用量则是与日俱增 陶瓷材料：耐高温的性质，被应用到工业级的高温炉或高速切削的刀具上。聚合体材料：人造材料，因为具有容易成形、重量轻及抗腐蚀的特性，如水桶、碗盘、

5、玩具等，工程方面的机械零件、衬垫、外壳构件等都可见到。,http:/,前言(续),新材料的研发及应用 复合材料 由金属、陶瓷或聚合体材料所组成。利用不同材料的特性，截长补短以满足对此新材料须具备之特定性质的要求。重量轻又具高强度。应用范围广泛涵盖从休闲器材、钓竿，到尖端科技的飞机、航天飞机等。,http:/,前言(完),奈米材料的生产与应用 许多国家早已投入庞大的研发人力与资金。可预期地奈米材料的开发，未来将影响人类生活至巨。半导体材料 电脑工业发展的主角。计算机对机械制造的重要性极为显著，惟电子材料无法被加工成结构体来使用。,http:/,2.1 金属材料之性质,2.1.1 化学性质在大气环

6、境中，金属的表面会生成非金属化合物而被逐渐侵蚀消耗，称此现象为腐蚀(Corrosion)。腐蚀的发生是金属材料本身的化学性质所导致，随材料的不同而有很大的差异。金属腐蚀发生的状态可分为没有水分的化学腐蚀和有水分的电化学腐蚀两种。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),氧化(Oxidation)作用最常见的化学腐蚀，可发生在常温或高温的状态金属元素在化学反应上具有较活泼的特性容易和氧产生反应形成氧化物薄膜。氧化作用会随着时间的经过步不断地进行，如铁系材料的氧化物薄膜又称铁锈，在表层形成后会自母材剥落而不能隔绝氧继续和内部材料的接触。有些氧化物比原材料的硬度更高，例如铝的氧化物，可增加零件抗

7、磨耗的能力，因此发展出使其氧化层增厚的制程。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),电化学腐蚀 指金属材料受到周围环境中的水分或化学溶液等介质的作用，产生电子转移及金属本身的离子化(Ionization)的现象，并称此处为阳极。失去电子的金属以阳离子状态溶入水中形成电气回路，在阳极部位的金属会受到侵蚀而逐渐的减少。金属的表面若存在不纯物、成分偏析、加工畸变、或残留应力等，即形成不均匀的状态。电化学腐蚀作用可被应用在非传统加工的制程上，将工件材料不要的部分侵蚀掉而得到所要的工件形状和尺寸，例如化学加工和电化学加工。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),2.1.2 物理性质金属材料的

8、物理性质，和机械制造关系较密切的有七项，即比重、熔点、比热、热膨胀系数、热传导性、导电性和磁性等。1.比重(Specific gravity)指某一物体的重量对同体积4C纯水重量之比值。相同金属材料的比重值会因温度的变化而改变，也会随加工程度的不同而有差别。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),比重一样可以表示此一性质的是密度。密度(Density)是指每单位体积该材料的质量。密度关系着比强度(Specific strength)和比刚性(Specific stiffness)的大小。就能量消耗或动力限制的观点言，它是材料选用的重要考虑因素，尤其是航天工业和高速运转的机具设备等。,ht

9、tp:/,2.1 金属材料之性质(续),2.熔点(Melting point)金属材料的结晶组织状态受到温度升高所供给热能的影响，促使原先固态之规则且紧密排列的原子开始分离而变成松散且可自由移动的液态，此时的温度称为该材料的熔点。纯金属的熔点为固定值，合金的熔点则因所含的成分而异，且在熔化过程中温度仍会改变。熔点高的材料适用于高温作业的环境，例如喷射引擎和锅炉，或是高速运动会产生大量摩擦热而导致高温的机械零件。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),熔点高的材料对铸造性或成形加工性等会有不利的影响，增加制造成本。金属材料的再结晶温度和熔点有关，故在退火热处理和热作加工时需注意此性质的影响

10、。3.比热(Specific heat)使单位质量材料之温度升高1C所需的热量称为比热。金属的比热较小，且通常随温度上升而增大。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),4.热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion)物体的温度上升1C时，体积的增加率叫体积膨胀系数，长度的增加率叫线膨胀系数。普通金属中线膨胀系数以锌为最大，以钨、钼为最小。通常熔点愈低其者热膨胀系数愈大。热膨胀性质可能导致材料热应力的产生进而影响产品的功能和寿命。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),5.热传导性(Thermal conductivity)体积为1立方公分的正立方体

11、，当两对面间的温度差为1C时，每秒自高温面传送到低温面的热量称为热传导性。用以表示热量流经材料的难易程度。金属材料都是热的良导体，银的热传导性最大，铜及铝次之。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),6.比电阻(Specific resistance)截面积1平方公分，长度1公分的金属材料之电阻值(单位为奥姆，Ohm)称为比电阻。金属是电的良导体，比电阻相对较低，其中以银为最低，其次为铜、金、铝等。当温度上升时，金属的比电阻随之增加。有些金属或合金材料在某一临界温度以下，会产生电阻趋近于零的状况，称之为超导性(Superconductivity)。,http:/,2.1 金属材料之性质(

12、续),7.磁性(Magnetic property)若金属可被磁石的强大磁场磁化而变成小磁石，并可相互吸引时，即称此金属为铁磁性材料(Ferromagnetic material)，如铁、钴和镍等。大部分的金属被磁化的强度很微弱，不会被磁石吸引，此类金属叫做顺磁性材料(Paramagnetic material)，如铝、铂等。会对磁石产生微弱排斥现象，谓之反磁性材料(Diamagnetic material)，如铜、银等,http:/,2.1 金属材料之性质(续),2.1.3 机械性质 金属材料之所以被广泛应用于制造各种机械零件，最主要的原因在其具有优越的机械性质。较重要的机械性质有：1.强度

13、(Strength)强度是指材料对外加负荷导致变形的抵抗能力。降伏强度(Yield strength，Y.S.)：材料呈现永久变形所需之最小应力值。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),抗拉强度(Tensile strength，T.S.)：材料断裂前之最大应力值，如图2.2所示。降伏强度通常是机械设计时选择材料之最重要考虑。抗压强度(Compressive strength)、抗剪强度(Shear strength)、抗扭强度(Torsional strength)等，分别为材料抵抗不同形式外力作用时之能力，其值由相关试验求得。金属材料在发生降伏状态(即永久变形)之前的应力应变关系是

14、线性的，其斜率称为弹性模数(Modulus of elasticity)，通常以E为其代号。材料是属于弹性区域，受到外加负荷时变形的反应可用虎克定律(Hookes law)计算。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),E值愈高即直线愈陡，代表材料的刚性(Stiffness)愈大，对负荷引起变形的抵抗能力愈高。当应力状态超过降伏强度以后，材料进入塑性区域，应力与应变之关系曲线不再是线性，而是指数曲线。材料开始发生永久变形，并受到应变硬化(Strain hardening)或称加工硬化(Work hardening)的作用。当应力到达抗拉强度时，材料出现颈缩(Necking)现象直到断裂。,

15、http:/,2.1 金属材料之性质(续),机械制造程序中的塑性加工即是探讨材料在受到降伏强度与抗拉强度之间应力状态所造成的塑性变形。温度高低及材料变形速率会影响以上所述各项性质之值及曲线形式。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),2.延性(Ductility)延性是材料在断裂时，破坏点之塑性变形量。主要的表示法有伸长率(Percentage of elongation)和面积缩减率(Percentage of area reduction)两种，均可由拉伸实验中求得。伸长率：把已断裂试片之两断口接回，量取已变长之标点间的长度并减去标点间之原来长度后，再除以标点间之原来长度所得商之百分

16、率值，如图2.3所示。面积缩减率：是将原来之断面积减去断裂后最小断面积，再除以原来断面积所得商之百分率值。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),伸长率或面积缩减率的大小可用以表示材料塑性加工性之优劣程度。对脆性材料言，两者之值皆趋近于零。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),3.硬度(Hardness)在材料的表面施以外加压力时，材料会产生凹痕变形，抵抗此种受压变形的能力较大者所产生的变形量较小，表示硬度较高。硬度试验法对材料只产生局部性的破坏，且操作比较简单，故应用很广。通常可以硬度值做为材料强度大小的指标。硬度试验法有勃氏(Brinell，HB)、洛氏(Rockwell，H

17、RC,HRB等)、维氏(Vickers，HV)、萧氏(Shore，HS)、努氏(Knoop,HK)和莫氏(Mohs)等。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),材料抵抗压凹能力的大小会随不同试验法之压头的形状和施加负荷的方式而有所不同。图2.4显示勃氏硬度试验的量测及计算方法。图2.5显示洛氏硬度试验中不同压头的形状。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),4.韧性(Toughness)当材料承受一突然施加的撞击外力时其应变率(Strain rate)很大，材料会呈现较脆的特性。通常把这种承受冲击负荷的能力称为材料的韧性。冲击试验(Impact test)有沙丕(Charpy)试验

18、和艾左(Izod)试验两种。利用瞬间冲击力撞断试片时，以能量被吸收的多少来表示韧性的大小，如图2.6显示沙丕试验。转换温度：材料在低于某一温度时，吸收冲击能的能力急剧降低以致破坏的形式会由延性破坏转变成脆性破坏。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),体心立方结晶的金属即具有转换温度。冲击试验适用于求材料之转换温度值。金属材料大都有高冲击抵抗值，也就是韧性高，通常表示也具有高强度和高延性。陶瓷和许多复合材料具有高强度，但是几乎没有延性，韧性。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),http:/,2.1 金属材料之性质(续),5.破坏韧性(Fracture toughness)当材料

19、在凝固成形或加工的过程中，内部或表面产生裂缝或其他微小缺陷时，抵抗裂缝成长的能力以破坏韧性表示。一般工程材料都多少含有某些缺陷，在外力作用下裂缝是否会出现不稳定的成长，导致材料破坏是以所谓的应力强度因子(Stress intensity factor)是否达到临界值为判断依据。应力强度因子是结合外力换算的应力值、工件几何形状和原有裂缝长度计算而得。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),临界值即为所称的破裂韧性，是材料的一个定量的性质，其值由相关的试验得到。相同类型的材料，破裂韧性较大者，其降伏强度较小，在设计产品使用条件、寿命及检验标准时，要特别注意需同时考虑材料这两项性质。,http

20、:/,2.1 金属材料之性质(续),6.疲劳(Fatigue)机械零件经常用在承受变动负荷的场合，虽然此种反复作用的应力小于材料的降伏强度，但材料也会发生破坏，称此现象为疲劳。疲劳破坏进行的模式是材料原有之微小裂缝在循环应力的反复作用下，裂缝稳定地逐渐延伸，最后当裂缝长度超过某一极限值时即发生不可停止的不稳定成长致使工件断裂。疲劳试验(Fatigue test)是求取疲劳强度(Fatigue strength，F.S.)的方法。,http:/,2.1 金属材料之性质(续),将不同应力振幅值(S)及使工件破坏的应力反复作用次数(N)绘制成所谓的S-N曲线，如图2.7所示。曲线出现水平部份时，其对

21、应的应力值即称为疲劳强度,http:/,2.1 金属材料之性质(完),7.潜变(Creep)金属材料在高温的环境中，受一固定大小的应力作用时，其长度会随着时间而增加，最后终至断裂。固定应力及温度(高温)所得到的材料伸长率(应变)与时间的关系叫潜变曲线，如图2.8所示。,http:/,2.2 铁系金属材料,工程上使用的金属材料绝大多数是以合金而非以元素的形式出现。合金：是指以某金属为主要成分，再加入其它金属或非金属形成仍具有主要成分金属特性的材料。常用的金属材料分为铁系金属(Ferrous metals)和非铁系金属(Nonferrous metals)两类。铁系金属(Ferrous metal

22、s)：以铁元素(Fe)为主要成分，包括铁和碳钢、合金钢及铸铁。非铁系金属(Nonferrous metals)：指铁元素以外的金属为主要成分的材料，例如铝、镁、铜、镍、钛及其合金等。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),常见的材料规格标准有UNS、ASTM、AISI、SAE、JIS、DIN、BS、CNS及铝合金之AA等。2.2.1 铁和碳钢纯铁(Pure iron)精炼的代价很高 事实上仍含有微量的杂质 本身很软，不适合于有强度需求的结构体之应用通常做为合金钢之原料或电器材料等用途。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),碳钢(Carbon steel)是铁和碳的合金。含碳量在0.0

23、2%2%之间。碳钢的机械性质决定于其含碳量和显微组织。抗拉强度、降伏强度和硬度等随着含碳量的增加而增加，但是延性和韧性则刚好相反。目前使用量最多，用途也是最广的工程材料，其中又以含碳量0.05%1.5%为主。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，各有其适合的应用场合，详如表2.1所示。低碳钢称为软钢(Mild steel)，含碳量低于0.3%。含碳量在0.2%左右之低碳钢为一般主要之构造用钢，如建筑、桥梁、车轮等使用之钢条或钢板。通常不需热处理，经滚轧或锻造后即直接使用。低碳钢因含碳量低，不论是铸造、锻造、切削或焊接加工都非常容易,http:/,2.2 铁系金

24、属材料(续),中碳钢 通常使用在强度要求比低碳钢高的场合。高碳刚 用于需要高强度、硬度和耐磨性的零件。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),2.2.2 合金钢合金钢(Alloy steel)是指在碳钢中添加一种或一种以上之特殊元素，用以增进或改善某些机械性质，做为特定用途之材料。用途可分为构造用合金钢和特殊用途合金钢，如表2.2所示。机械性质比碳钢优越许多，并且在铸造、锻造、切削及熔接等之加工性也都较好。广泛地用于建筑、运输工业和各类机械之重要零件。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),http:/,2.2 铁系金属材料(续),特殊用途合金钢较重要的有下类四类1.工具钢(Tool

25、steel)用做为刀具、工具或模具之材料，乃机械制造之切削加工或塑性成形不可或缺的重要辅助材料。在常温或高温时都具有高强度、高硬度、高韧性、耐磨耗和抗氧化熔合性优良等。依化学成分不同有碳工具钢、合金工具钢和高速钢等三种。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),碳工具钢(Carbon tool steel)含碳量为0.6%1.5%，亦即是高碳钢。容易加工，淬火回火后硬度甚高，但其缺点为硬化深度浅，高温时硬度变低，切削耐久性差，故只适用于做木材及轻合金之切削工具。合金工具钢(Alloy tool steel)在碳工具钢中添加铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、镍(Ni)等元素，增加其硬

26、化深度、耐磨耗性和抵抗高温软化等性质。主要用途有切削工具、耐冲击工具、耐磨耗工具和热加工模具等。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),高速钢(High speed steel)所含的特殊元素有钨、铬、钒、钼、钴(Co)等，可大幅改善高温回火软化的现象，使之在红热温度时仍保有足够的切削硬度，故多用于高速切削刀具。2.不锈钢(Stainless steel)要特性为耐蚀性优良，应用的范围非常广泛，如石化、航天、交通、机械零件和民生工业等，为高合金钢中产量最多者。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),根据组成成分有铬系和铬镍系两种主要类型。铬系 不锈钢的主要添加元素为铬 铬和氧结合在钢的

27、表面形成具保护作用之氧化膜，可防止氧或水分等的侵蚀。使用上又将不锈钢分为五个主要类型，即肥粒铁型、麻田散铁型、沃斯田铁型、析出硬化型和双相型。,http:/,2.2 铁系金属材料(续),3.耐热钢(Heat-resisting steel)此类材料在高温时仍保有高强度，并可抵抗各种气体的侵蚀，主要有铬系和镍铬系耐热钢。常被用于制造高温机械之零件。4.磁性用钢(Magnetic steel)有具永久磁性之磁石钢和暂时磁性之磁心材料。磁石钢为钢材加工成形后，在适当的磁场内磁化而具有永久磁性，被用来做耐久磁石。,http:/,2.2 铁系金属材料(完),2.2.3 铸铁(Cast iron)含碳量为

28、2.06.7%(但通常在4.5%以下)的铁碳合金。为铸造加工中使用量最大的金属材料。其铸造性(Castability)良好，耐磨耗性佳，且吸收震动能量之制震能(Damping capacity)高于其他的金属材料。铸铁依其抗拉强度的不同可分为灰铸铁、白铸铁、展性铸铁、延性铸铁(球状石墨铸铁)和高合金铸铁等。,http:/,2.3 非铁系金属材料,2.3.1 铝和铝合金铝(Al)铝(Al)的导电度、热传导性良好，在金属中仅次于银和铜。易加工、外观好看、不具磁性，其中最重要的特点是质轻，可是因强度太低故用途不多。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),铝合金 强度、硬度、伸长率等机械性质则非

29、常优良，又容易铸造或锻造加工。广泛应用于一般要求重量轻而强度大的机械零件和飞机、电气、建筑、车辆、化工等之零件。分为铸造用和锻造用两类。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),2.3.2 镁和镁合金镁(Mg)比重比铝更小，是目前工程用最轻的金属 化学活性很高易燃烧，且常温加工硬化性大 缺延展性；工业上很少使用纯镁材料。镁合金镁合金则是添加特定元素改良其机械性质，大量应用于航天、车辆、运动器材、电子、信息、光学等要求轻量化的机械零件上。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),镁合金分为铸造用和锻造用两类。铸造用铸造用镁合金可用压铸法生产，其中的镁铝系合金最轻且最容易铸造。为提高其耐蚀

30、性，可加入少量的锰(Mn)因镁合金的常温加工性不佳，易形成裂痕。锻造用锻造用镁合金的加工温度常于300C400C时进行加工。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),2.3.3 铜和铜合金铜(Cu)为极优良的导电和导热材料，被大量使用于电气材料或传热用材等。韧性及延展性良好、容易加工，但强度则较差，不适合做结构用途。若添加其他元素形成铜合金，则用途大增，为一重要的工程材料。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),铜合金最常见的铜合金有黄铜和青铜。黄铜(Brass)黄铜为铜和锌(Zn)的合金 机械性质良好，具耐蚀性、色泽优美，且容易铸造及加工，广用于各种机械零件、弹壳、工艺装饰品。若再

31、另外添加其它元素，如铅(Pb)、锡(Sn)、铝等，则形成特殊黄铜，可改进其切削性、耐蚀性等 大量生产如小螺丝之类的产品或抵抗海水侵蚀之船舶零件等。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),青铜(Bronze)青铜为铜和锡的合金。强度大、硬度高、耐磨耗、耐蚀性佳，又有优美的色泽。其铸造性极佳，用途有机械零件、钟表、工艺用品、货币等。特殊青铜有磷青铜、添加磷(P)以提高其硬度和耐磨耗性，用于轴承材料；轴承用青铜，添加铅(Pb)使成为具有工作母机之高压轴承的特性需求。铝青铜，为铜铝系合金，有良好的机械性质、耐磨耗性、耐蚀性及耐疲劳性都好，惟铸造、加工和熔接等较不易，适用于化工、车辆、船舶、飞机等

32、机器之零件。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),2.3.4 镍和镍合金镍(Ni)镍的耐热及耐蚀性优良，延性及韧性均佳，在常温或高温都易加工，惟在600C以上时易被含硫气体侵蚀而脆化。主要是用做合金之添加元素或用于镀在其他材料的外表层以增加其抗蚀性。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),镍合金镍合金中的镍铜合金之加工性及铸造性良好，机械性质优越，尤具高抗蚀性。其中之蒙纳合金(Monel metal)更是被广用于食品、矿业、化工机械、汽轮机叶片、蒸汽阀等。镍铁合金中当组成成分为铁64%和镍36%时即形成所谓的不变钢(Invar)，具有在温度变化时，热膨胀系数几乎为零的特性，适用于

33、钟表和精密量具等。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),2.3.5 钛和钛合金钛(Ti)钛(Ti)的耐蚀性极佳，耐热性也好。当强度和合金钢相近时，其重量却小很多。地球中之含量在金属中仅次于铝、铁和镁，居第四位的优势。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),钛合金目前钛合金已是重要的工程材料，成为不锈钢及镍基合金的理想代替品。用于航天零件、船舶引擎、热交换器、储存槽和人体医学零件等。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),2.3.6 其他金属和合金贵重金属：银(Ag)、金(Au)和白金(Pt)银、金和白金等的延展性都很好。银可直接用于电子工业及化学工业。银合金则常用于制成银币

34、、装饰品等。金则是最常见的饰物，金的合金硬度较高些，用在牙科、电子工业，金币、装饰品等。白金具强耐酸性可制成化学用之容器，又因熔点高可与其它合金配制成测量高温用的热电偶。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),钨、钼、铋(Nb)、钽(Ta)等的熔点都很高，称为耐热金属是重要的合金添加元素。用于提高合金的耐热性及高温强度。超合金 以镍、钴、钼、铬和铁为主要成分，在高温下具有高强度、抗腐蚀、耐疲劳、耐冲击及抗潜变等优良特性。应用在引擎、涡轮机、热作工模具、核能及石化工业等。,http:/,2.3 非铁系金属材料(续),锡 质软、熔点低、耐蚀性优良。主要用途为马口铁的镀层、锡箔、锡器等。是一重

35、要的合金添加元素。铅 为质软、延展性大，具有毒性 对放射线的隔绝性良好，为X光等之防护器具及放射性元素之容器用材料。,http:/,2.3 非铁系金属材料(完),锌 质脆，具优良防蚀性，大量用于镀锌钢板之镀层，镀锌钢板是重要之建筑材料。锡、铅和锌三种元素成分，再添加其他元素可配制成轴承合金、焊接用合金、活字合金和易熔合金等，各有其特定而重要之用途。,http:/,2.4 非金属材料,与机械制造程序较有关或可被用来制作成机械零件之陶瓷材料、聚合体材料和复合材料。2.4.1 陶瓷材料陶瓷材料是人类文明史上最早的人造材料。被用来制作陶器、瓷器及砖块等日常用品。为金属元素和非金属元素所组成的化合物或固

36、溶体，具有结晶组织，其特性有高强度、高硬度、脆性、高熔点和化学稳定性等。,http:/,2.4 非金属材料(续),陶瓷材料之物理性质和机械性质1.比重大多在2到4之间，但有少数例外如碳化钨为15.7。2.熔点大多很高，如碳化钨为2775C。3.热膨胀系数一般远低于聚合体材料及金属材料。4.热传导性自很低到很高都有，分别适用于绝热到导热的各种用途。,http:/,2.4 非金属材料(续),5.比电阻范围很广，自超导性到高度绝缘性都有。6.磁性存在具有磁性的陶瓷，广泛应用于电机及机械工业。7.脆性断裂大部分的陶瓷是属脆性材料，当受到外加负荷过大时，会突然断裂，而不会先出现如同金属材料之塑性变形现象

37、。8.强度通常只可以量测其抗压强度或弯曲强度。,http:/,2.4 非金属材料(续),陶瓷材料的种类可分为传统陶瓷和工程陶瓷。传统陶瓷传统陶瓷包括黏土、水泥和耐火材料等。黏土可用于卫生陶瓷制品、容器、磁砖等。水泥则广用于混凝土建筑物。耐火材料主要用于加热炉、锅炉、坩埚及各种窑业等。,http:/,2.4 非金属材料(续),工程陶瓷 为近年来材料科技进步所开发出的细微粉末材料，具有极佳的机械、电子和化学特性。例如氧化铝、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钨、氮化硼、氮化硅、氮化钛 在工业上皆有不同特殊用途。玻璃(Glass)和陶瓷的化学成分相同，但它不具结晶组织。玻璃的硬度高，导热及导电性差，具脆性

38、。工程上主要是利用玻璃对光的特性，用于容器和交通工具及建筑物等的门窗。,http:/,2.4 非金属材料(续),2.4.2 聚合体材料聚合体(Polymer)材料又叫做高分子材料，即一般所称之塑料(Plastic)材料，为人工合成的有机材料。特性 容易加工、可塑性大、具耐蚀性、电绝缘体、化学钝性、质量轻、美观，但是强度较小，耐热性差等。大量应用于民生日用品，更在机械、电机、化学、建筑、食品、农业、汽车、航天等工程应用上均占有重要的地位。,http:/,2.4 非金属材料(续),聚合体材料是由许多单体(Monomer)本身或不同种类单体及其它元素、分子等，发生化学反应先聚合而成长条链状的组织。链

39、与链间若是藉由微弱的凡得瓦尔键(van der Walls bond)彼此吸引聚在一起因而形成的材料叫热塑性(Thermoplastic)塑料。链与链间进一步反应产生交链作用(Cross-linking)形成立体的网状结构者叫热固性(Thermosetting)塑料。,http:/,2.4 非金属材料(续),2.4.3 复合材料人造的复合材料也是很早就出现，如建筑用的土砖是由稻草杆混入泥土中所形成，而混拟土则是砂石，水泥和水均匀混合所形成。有系统的对复合材料进行开发研究，并应用于科学工程方面，是自1960年代才开始。复合材料已成为增进产品功能及提升人类生活质量时不可或缺的重要工程材料，广泛的应

40、用于机械、汽车、航空、太空、能源和民生工业等产品。,http:/,2.4 非金属材料(续),复合材料主要分为强化材(Reinforcement)和基材(Matrix)两种。强化材(Reinforcement)用以提供强度，其形式有纤维状、颗粒状或板状。基材(Matrix)基材用以将强化材结合在一起，并提供韧性及保护强化材等功能。,http:/,2.4 非金属材料(续),基材的种类做为复合材料的分类时，可分为塑胶基复合材料(Polymer matrix composite，PMC)金属基复合材料(Metal matrix composite、MMC)陶瓷基复合材料(Ceramic matrix

41、composite，CMC)塑料基复合材料以热固性塑料(如环氧塑脂)或热塑性塑料(如聚碳酸脂)为基材，以玻璃、石墨、硼或亚拉酸等为强化纤维。广泛应用于军事、交通、运动器材和日用品等,http:/,2.4 非金属材料(续),金属基复合材料 以铝、镁、钛等为基材，以石墨、硼、氧化铝、碳化硅、钼、钨等为强化纤维。用于人造卫星、航天飞机、飞弹、直升机之结构件，空压机叶片、结构体支撑架和高温引擎零件等。陶瓷基复合材料 材料的组成和前两者不一样 基材是高强度高刚性、高抗热性，但缺少韧性的陶瓷材料，如碳化硅、氧化铝、氮化硅等。,http:/,2.4 非金属材料(完),添加的补强材则为聚合体材料或金属材料是用来保护基材及提供新材料韧性。应用于切削刀具、模具、喷射引擎、汽车引擎、压力容器、航天飞机绝热陶瓷片和人工牙齿等,http:/,