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第1章 緒
論
1-1 金屬及合金的通性
1-2 金屬的結晶構造與組織
1-3 金屬的塑性變形
1-4 金屬的凝固與變態
1-1 金屬及合金的通性
日常生活中，我們所使用的任何東西都是由各
種不同的材料所製造出來的，而這些材料可能
是鐵基材料，也可能是塑膠或大理石之類的材
料等，種類與樣式之多，不勝枚舉。為了有系
統的講解與說明，一般大致上可把材料分為金
屬材料與非金屬材料兩大類。若要更詳細的分
類則可將材料歸納成四大主要類別，如表1-1
所示。
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1-1 金屬及合金的通性
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1-1 金屬及合金的通性
由表中可以知道常用的材料大致可以分為：
(1)鐵金屬材料（如不鏽鋼門）、(2)非鐵金屬
材料、(3)有機質材料（如儲櫃）、(4)無機質
材料（如大理石牆板）等四類，如圖1-1 所
示。其中以金屬材料用途最廣，因為它最能
滿足一般工業界的需求。其它三種類別材料
則為現代科技材料開發的重心。本章先就金
屬材料部分作詳細的探討與瞭解。
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1-1 金屬及合金的通性
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1-1 金屬及合金的通性
現代工業界應用較廣泛之金屬材料可分為鐵金屬
材料及非鐵金屬材料兩大類。此兩大類材料可依
所含的純金屬元素與合金成分來說明個別的性質，
兩者的區分如下：
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1-1 金屬及合金的通性
純金屬
純金屬的組織成分是由單一種元素組成，且此種
元素單獨存在自然界中。目前自然界發現之元素
計有118 種之多且正陸續的發現中，其中111 種
已有中文命名，純金屬元素數量最多，較常用的
有：鐵、銅、鋁、錫、鉛、鋅、鎢、鎂等，如表
1-2 所示。
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1-1 金屬及合金的通性
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1-1 金屬及合金的通性
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1-2 金屬的結晶構造與組織
合金
合金是一種金屬和另一種或一種以上的金屬或非
金屬互相溶合而成，例如：黃銅為銅元素與鋅元
素之組成；青銅為銅元素與錫元素之組成；高速
鋼為鐵內含有鎢元素、鉻元素與釩元素三種純金
屬所組成。由兩種成分金屬元素所組成之合金稱
為二元合金，而三種成分金屬元素組成之合金稱
為三元合金，其餘依此類推。一般機械工業所使
用的金屬材料均以合金狀態使用，主要是合金能
增加各種不同的機械性質，發揮金屬的優良性質，
以滿足工程上日益要求嚴格與精密的條件。
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1-1 金屬及合金的通性
1.各種材料表面具有不同的光澤且不透明。
2.在常溫時，除了汞（液態）以外，一般金屬均
為固體且為結晶體之形態存在。
3.具有優良的導電性及導熱性。
4.延展性佳，適合塑性變形加工。
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1-1 金屬及合金的通性
5.除鋰、鈉、鉀等三種元素比重小於1 之外，其
餘比重均大於1；另外比重大於4 者稱為重金屬，
例如：鐵、銅、鎳等；比重小於4 者，稱為輕金
屬，例如：鋁、鎂、鈹等。
6.除了鈹、鋁、鉻等三種元素為兩性元素，即溶
於水中會呈酸鹼兩性反應者外，一般氧化物或氫
氧化物材料若能溶於水中多呈鹼性反應。
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1-1 金屬及合金的通性
1.熔點降低
絕大部分合金熔點均較原組成金屬的熔點為低，
例如：純鐵的熔點為1539℃，而含碳量4.3%C 的
共晶鑄鐵熔點則為1147℃。所以，合金比較容易
熔化，可在較低溫的狀態下進行各項不同加工。
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1-1 金屬及合金的通性
2.延展性降低
合金的延展性亦會降低，例如：純鋁的伸長率約
為40%，而鋁銅合金的伸長率則降為30%以下。
合金的延展性降低，相對的其強度與硬度增加，
例如：純鋁的降伏強度約為20MPa或20N/mm2，
而鋁銅合金之降伏強度則增加為70MPa或
70N/mm2。所以，合金能承受較大的外力而不易
變形。
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1-1 金屬及合金的通性
3.導熱度降低
例如：純銅的導熱度為0.93 cal/cm sec ℃，而銅
鋅合金的導熱度則為0.30 cal /cm sec ℃。
4.電阻增大，導電性降低
例如：純銅的電阻係數為1.6×10 6 ohm-cm，而
銅鋅合金的電阻係數則為6.2×10 6 ohm-cm。
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1-1 金屬及合金的通性
5.熱處理性能增加
熱處理是改變材料性質的重要方法，惟並非每
一種材料均可實施熱處理。例如：純鐵無法熱
處理，但碳鋼（鐵碳合金）則可以進行熱處理，
此點是合金最重要之特性。
6.耐蝕性較佳
大部分使用中合金之耐蝕性均較其純金屬為佳。
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1-1 金屬及合金的通性
綜合以上所述，我們可以知道合金無論在需求
與功能上，均較純金屬多樣且多變，同時可以
熱處理方法改善合金的機械、物理及化學性質，
提供純金屬無法滿足的需求。其中，尤以強度
及硬度最為重要，所以，一般合金的強度與硬
度均比原金屬為高。此外，合金的成分及性質
可視所需依照比例加以研究製造，得到所期望
之性質與結構，更增加合金使用的範圍及彈性。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
金屬是由原子所構成的，原子本身的構造可以
決定金屬的各項性質；而金屬製品從外觀上看
不出真正的內部原子排列方式，所以必需藉由
電子顯微鏡或X線繞射儀等儀器之輔助，以瞭
解其內部之結晶構造。由原子本身的構造及存
在狀態，可推斷金屬的若干性質。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
結晶粒的粗細、形狀、方向及結合狀態稱為組
織。金屬材料經切開後，截面上經以顯微放大
鏡觀測後，可看到許多微小的粒子，這些微小
粒子就是金屬的晶粒（Grain）。這些晶粒的大
小約為0.01～ 0.1mm，每個晶粒內均包含著為數
不等的原子。現在我們截取出一個晶粒並且模
擬X線繞射法所測出之結晶構造繪製示意圖，如
圖1-1 所示。由圖可知晶粒內之原子是依照一定
的規則排列的。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
圖中的小圓球代表原子，原子是以一個正立方
體的形式排列，在每個原子的上下前後左右皆
有原子以相同的形式排列。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
若把每個原子中心以假想線串連，則在空間中
可得到一個立體格子，稱為空間格子（Space
lattice）或結晶格子（Crystal lattice）。它是一
個假想的格子，可表示晶體內原子在空間的配
置情形。若將結晶格子細分至最小程度而
仍能代表整個結晶格子之特質者稱為單位格子
（Unit lattice）或單位晶胞（Unit cell），如圖12 所示。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
沿空間格子同一結晶方向任何相鄰二原子間之
距離稱為格子常數（Lattice constant），以（埃）
表示其單位（1 =10 8cm）。隨著結晶格子型式
的不同，其格子常數也不同。
金屬的種類雖多，其結晶格子依單位晶胞的型
式計有十四種之多，可分為斜方體、正方體、
六方體及立方體等。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
其中，最常見而且最重要的金屬結晶格子主要
有三種即為體心立方格子（BCC）、面心立方
格子（FCC）及六方密格子（HCP）等，如表13 所示。茲分述如下：
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1-2 金屬的結晶構造與組織
1.體心立方格子
體心立方格子（Body-centered cubic iattices）簡稱
為BCC，如表1-3(a)所示。體心係指各邊長相等且
均為一個格子常數的立方體。立方體的各頂點上
有一個原子且每個原子均有1/8 個原子在晶胞內。
立方體內部中心有一個完整的原子並不與其它晶
胞共用。所以一個BCC 單位晶胞所含之原子數為
8 ×1/8 + 1 = 2（個）。屬於體心立方格子之金屬
有-Fe（肥粒鐵）、-Fe（變形肥粒鐵）、Ba、W、
Mo、Nb、Ta、K、Na、V、Cr、Li、Rb、Cs 等，
其性質為強度高而延性差。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
2.面心立方格子
面心立方格子（Face-centered cubic lattice）簡稱為
FCC，如表1-3(b)所示。立方體頂點上有一個原子
且為八個單位晶胞所用，故每個晶胞內均有1/8 個
原子。立方體六個面上均有一個原子，每個原子為
二個晶胞所共用，故每一晶胞擁有1/2個原子。所
以，一個FCC 單位晶胞所含之原子數為8 ×1/8+ 6
×1/2 = 4（個）。屬於面心立方格子的金屬有-Fe
（沃斯田鐵）、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni、Ca、
Sr、Ir、Th、Rh、Rd、-La、-Ce、Pt等。面心立方
格子性質富延展性，易於加工。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
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1-2 金屬的結晶構造與組織
3.六方密格子
六方密格子（Close-packed hexagonal lattice）簡
稱為HCP，如表1-3(c)所示。在六方體中原子排列
成六方柱體，十二個頂點位置各有一個原子，上
下面中心各有一個原子，柱體內部有三個原子。
在頂點上任一個原子皆由鄰近六個單位晶胞所共
用，故每一個晶胞均擁有1/6 個原子。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
上下面之原子是由二個單位晶胞所共用，所以每
一個晶胞擁有1/2個原子。柱體內三個原子為晶體
本身所擁有，不與其它晶胞所共用。故每一個
HCP 單位晶胞所包含之原子總數為12 ×1/6 + 2
×1/2+ 3 = 6（個）。屬於HCP 的金屬元素有Mg、
Be、Hf、Os、Er、Nd、Re、-Ti、-Zr、-Ce、-La、
Cd等。六方密格子的性質硬且脆，不易加工，須
加溫後稍具延性方可加工。
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1-2 金屬的結晶構造與組織
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1-2 金屬的結晶構造與組織
通常要表示某種金屬的結晶構造時，只要列出單
位格子的型式及格子常數即可。一般格子常數有
a、b、c 三邊長度及夾角，a 表示長度，b 表示
寬度，c 表示高度；在BCC 與FCC 中，其邊長
關係為a = b = c。相關的邊長關係可參考表1-3
所示。另外，隨溫度與外力等的變化，各晶粒的
格子常數亦將隨之而變化。
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1-3 金屬的塑性變形
金屬材料能夠廣泛的被使用於日常生活中各式器
具之原料，除了前述重要特性外，容易被加工成
各種形狀且仍保有原有性質之能力，也是重要因
素。這個能力稱為變形能力。
而非金屬材料雖然亦被使用很多，然因其被改變
形狀的能力不若金屬材料強，所以，使用範圍就
不像金屬那樣的廣泛。例如大理石材，其形狀均
較規則而且脆性很大，一旦施以加工時，極容易
產生斷裂現象，其變形能力較金屬為差。
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1-3 金屬的塑性變形
金屬的變形可分為兩種，一種稱為彈性變形，另
一種稱為塑性變形；分述如下：
1.彈性變形：當物體承受一定外力時，物體將產
生一定之變形量，當外力除去後，物體會恢復原
來形狀且不殘留任何之變形量。
2.塑性變形：當外力除去後，物體的變形量有部
分會恢復，但有部分會殘留於材料內，形成永久
變形且無法恢復原來之形狀。
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1-3 金屬的塑性變形
彈性變形與塑性變形間的區分在於物體受力後其
內部所誘生的應力值是否超過其彈性限度而定。
當應力超過彈性限度時，物體產生塑性變形，且
無法完全恢復原形，反之則否。所以，金屬可以
實施各種塑性加工，製成各種不同的形狀，以滿
足人類生活器物之供應，而非金屬則較受限制。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
生永久變形而成為所需形狀或尺寸的加工方法，
稱為塑性加工（Plastic work機械材料ing）。金屬材料的變形能力常隨溫度的上升而
增加，也就是說將材料加溫後，材料將比較容易
加工。所以，一般在施行塑性加工時，均將材料
加熱至一定溫度後，再以各種不同的外力直接或
間接施於材料上，使之成形。
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1-3 金屬的塑性變形
1.熱作加工
凡是將金屬材料加熱至材料本身的再結晶溫度
（Recrystallization temperature）以上施以塑性加
工者稱為熱作加工或高溫加工（Hot working）。
常見金屬的再結晶溫度，如表1-4 所示。較為常
用的熱作加工合金材料成分有鋁、鎂、銅等。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
1.熱作的優點
(1)可大量消除金屬內部的孔隙。
(2)金屬內部的雜質，經加工而破碎，均勻分布於
金屬內部。
(3)粗晶粒經加工後而細化，材料的強度、韌性微
幅增加。
(4)改變材料形狀所需的加工能量較冷作為低。
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1-3 金屬的塑性變形
2.熱作的缺點
(1)高溫加工時，金屬易氧化而產生鏽皮脫落，
材料表面光度差。
(2)因熱脹冷縮的現象發生，加工精度較冷作不
易控制。
(3)高溫加工所需的設備費用及維護費用較高。
(4)高溫操作危險性較高。
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1-3 金屬的塑性變形
一般純金屬的再結晶溫度約為其熔點的0.4 倍左右。
所謂再結晶就是可使材料內部結晶粒細化的作用。
若將金屬材料予以加熱，隨著溫度升高與外力的
增加，結晶粒逐漸成長、碎斷再重新融合變成新
的細小之多角形晶粒，此種現象稱為再結晶，如
圖1-3(a)所示為熱作加工時晶粒的再結晶過程。在
合金中，最常用的合金為碳鋼，其為鐵與碳之合
金，再結晶溫度為510～700℃。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
冷作加工
將金屬材料加熱至材料本身的再結晶溫度以下的
溫度施以塑性加工者稱為冷作加工、常溫加工或
低溫加工（Cold working）。常用於冷作加工材
料有鉛、錫、鋅等，如圖1-3(b)所示。
1.冷作的優點
(1)金屬表面不易產生氧化層。
(2)材料的強度及硬度增加。
(3)材料的再結晶溫度提高（不一定會產生再結晶
現象），當下一次再施以冷作處理時，加熱溫度
必須提高。
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1-3 金屬的塑性變形
冷作的缺點
(1)金屬內部產生殘留應力，必須以熱處理方式消
除之，常以弛力退火方式處理。
(2)冷作所須之加工能量較熱作為大。
(3)冷作後，材料的延展性降低。
(4)冷作後，材料的精度較熱作為高。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
塑性加工的方法很多，主要方法有下列幾種：
1.壓縮變形加工：藉由壓力使得材料直接或間
接產生變形的加工方式，其常用加工類型分述
如下：
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1-3 金屬的塑性變形
(1)軋延加工（Rolling）：如圖1-4 所示，將金屬
材料加熱至再結晶溫度以上，並放在兩個驅動迴
轉的滾輪間前進，可製出截面相同且厚度一致之
鋼料。滾軋加工速度是所有加工方法中最快的，
一般可分熱作軋延與冷作軋延兩種。熱作軋延是
將材料加熱至再結晶溫度以上進行加工，有再結
晶的作用，可使晶粒細化。而冷作軋延則是將材
料在常溫或加熱至再結晶溫度以下施以加工。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
(2)鍛造加工（Forging）：鍛造是金屬加工中的塑
性加工法，以外力加於金屬之上，讓金屬內部分
子之間的空隙更加緻密、結晶更加細微，不僅達
到強化金屬組織之目的，同時也將被加工的金屬
成形，使其獲得具有一定機械性能、形狀和尺寸
的鍛件，鍛件的機械性能優於同樣材料卻尚未經
鍛造的鑄件。
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1-3 金屬的塑性變形
鍛造按照原金屬胚料在進行加工時的溫度可分為
熱鍛（Hot forging）、溫鍛（Warm forging）和
冷鍛（Cold forging），熱鍛造是在高於胚料金屬
再結晶溫度之上的高溫加工，冷鍛一般是在室溫
下加工，溫鍛係指鍛造素材有加熱，但在低於胚
料金屬再結晶溫度之下鍛造。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
鍛造若按成形方法可分為自由鍛造、閉模鍛造、
熱鍛造、冷鍛造、徑向鍛造、擠壓、成形軋製、
輥鍛、輾擴等，如圖1-5 所示為端壓鍛造法，為
冷鍛造的一種。利用鍛錘由材料的頭端沿軸向施
力鍛打，使頭端變粗且與模具內型相同，又稱為
鍛粗，常用來鍛製釘子、鉚釘及小螺栓的頭端等。
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1-3 金屬的塑性變形
(3)擠製加工（Extrusion）：如圖1-6 所示，將金
屬材料加熱至塑性狀態或半固體狀態，置於壓力
室內並以壓力迫使其經過各型模具而得到所需之
形狀者，稱為擠製。
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1-3 金屬的塑性變形
2.拉伸變形加工：藉由拉力使得材料直接或間接
產生變形的加工方式，其常用加工類型分述如下：
(1)抽製加工（Drawing）：如圖1-7 所示，將材料
利用穿孔沖頭在沖床上先衝出一端閉合之空心鍛
件，再將此鍛件利用數個內徑不等之模具，連續
抽製縮減直徑而成製品。例如：各種金屬線及工
業用氧氣瓶等均為此法之應用。一般於抽製前先
將原料加以清理或酸洗處理，再予以塗層以防止
氧化及作為潤滑劑之用。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
(2)伸展加工（Stretching）：如圖1-8 所示，一般
薄且面積大的板材利用此法製造對稱之曲線狀產
品。以兩側滑動之金屬板夾持器，將金屬板兩邊
夾牢，向左右作水平移動，中間的模型則作垂直
運動，並以油壓系統作為其加工的驅動方式。
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1-3 金屬的塑性變形
3.彎曲變形加工：主要藉由拉力或壓力產生彎曲
力矩使材料彎曲變形的加工方式，常用加工類型
敘述如下：
(1)彎曲加工（Bending）：如圖1-9 所示，將金屬
材料在沖床上以定型的模子彎曲成一定形狀。
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1-3 金屬的塑性變形
(2)摺緣加工（Flanging）：如圖1-10 所示，壓平
材料主要面後，以力量將材料外緣反向彎曲再與
材料主要面貼齊成型。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
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1-3 金屬的塑性變形
4.剪斷變形加工：以剪力方式使材料切開或成形
之加工，常用加工方法敘述如下：
(1)沖孔（Punching）：如圖1-11 所示，利用上下
模具上下運動的方式在板料上沖出不同尺寸之孔。
(2)穿刺（Piercing）：如圖1-12 所示，將圓柱形
材料加熱後通過兩個轉向相同的錐形滾子，且在
兩滾子間安置一針狀之心軸，當滾子轉動迫使材
料前進時，心軸便產生穿刺作用，而把實心材料
穿刺成中空圓筒形狀。
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1-3 金屬的塑性變形
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5.高能量變形加工：主要包含下列之加工類型。
(1)爆炸成型（Explosive forming）：如圖1-13 所
示，利用爆炸時所形成之高壓氣體壓力及爆震速
度迫使材料貼合模具而成型。
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1-3 金屬的塑性變形
(2)電力液壓成型（Electrohydraulic forming）：如
圖1-14 所示，先將一電容器充電至高壓，然後浸
入非導電性之液體介質內使兩電極放電，由於電
的作用產生高速的震動波產生壓力迫使工作物貼
合模具成型。
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1-3 金屬的塑性變形
(3)磁力成型（Magnetic forming）：係利用線圈
建立強大的磁場，以此磁力使工作成型之方法。
如圖1-15(a)所示為磁力成型的簡單迴路。將一組
電容器C並聯於高壓直流電源E，經充電後，高
壓開關自動通電，強大電流瞬間通過線圈，形成
強大的磁場。此磁場會在工件內誘導出渦電流及
反向且強大的磁場。因而產生極大的作用力，使
工件貼緊模型而成型，如圖1-15(b)所示為其成品
例。
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1-3 金屬的塑性變形
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1-4 金屬的凝固與變態
固體金屬內的原子是以一定的規則排列，原子本
身並非固定在其位置不動的，它是以平衡位置為
中心不停的在作微幅的熱震動。當我們對金屬加
熱時，各原子本身的熱能量慢慢增加，原子震動
的振幅也愈來愈大。等到某一程度時，相鄰之原
子間開始產生碰撞，碰撞的結果使得原子無法再
停留於原來結晶格子之平衡位置上，導致原子會
脫離結晶格子而形成破壞結晶格子的情形，產生
所謂的金屬熔解現象。
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1-4 金屬的凝固與變態
1.金屬凝固現象
液態金屬內的原子是以不規則的聚集方式存在，
原子間因為熱能的存在關係而具有極為自由的運
動能力，所以，相鄰的原子間時時發生碰撞。然
而，當溫度慢慢下降時，原子運動的速度將變慢，
原子間的間隔也愈來愈接近且彼此間吸引力也愈
來愈大，熔液的黏度增加。當溫度降至凝固點時，
原子運動速度漸漸變緩終至停止，原子也將依照
一定的方式排列，並形成某一結晶格子型態之結
晶體，此種現象稱為金屬的凝固現象。
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1-4 金屬的凝固與變態
2.金屬凝固收縮過程
如圖1-16 所示為金屬凝固過
程中，所發生之階段收縮現
象。
(1)液態收縮：高溫金屬熔液
冷卻至凝固點前的收縮。
(2)凝固收縮：由凝固開始至
結束期間的收縮。
(3)固態收縮：凝固結束降至
室溫期間的收縮。
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1-4 金屬的凝固與變態
金屬除了與其他物質一樣具有固體、液體、氣體
三種狀態存在於自然界之外，同時金屬會因為溫
度及壓力之不同使得原子排列發生變化，這種現
象稱之為變態（Transformation）。
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1-4 金屬的凝固與變態
1.相變態
若在某一溫度及壓力之下，金屬以穩定的狀態存
在時，此狀態稱為金屬的「相」。因此，金屬的
相具有固相、液相及氣相等。
「相」亦可說成在一物質系內的一個均質部分，
含有特定的化學組成及結構，並可用物理或機械
方法分離出來的部分。例如鹽水可分離成鹽＋水。
而狀態的改變又稱為相變態。
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1-4 金屬的凝固與變態
2.磁變態
某些金屬並非原子排列發生變化，而是原子本身
內部的能量發生變化，例如：純鐵在常溫時為強
磁性體，但當溫度超過768℃時，強磁性的-鐵會
變成常磁性體，磁性產生變化，此種現象稱之為
磁變態。
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1-4 金屬的凝固與變態
3.同素變態
同一種金屬於變態後，金屬的結晶構造已經不同，
各項性質也發生改變。同一金屬變態前後具有不
同性質之結構體，此種現象稱為同素異形體
（Allotropy）。這種變態現象亦稱為同素變態
（Allotropic transformation）。金屬變態前後之
臨界溫度稱之為變態點（Transformation point）。
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1-4 金屬的凝固與變態
例如：純鐵在常溫時是BCC結構的-Fe，當加熱超
過910℃時，結晶組織會由BCC 的-Fe 變成FCC 的
-Fe，因FCC 的原子堆積密度比BCC為大，所以，
試片長度未再被拉長，而發生收縮現象，當溫度
繼續上升至1400℃以上時，結晶組織會由FCC的Fe變成BCC的-Fe（詳細說明請詳見4-1 節內容）。
所以，純鐵具
有等三種同素異形體，
如圖1-17 所示。
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1-4 金屬的凝固與變態
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