Transcript 第一章 緒論 １－１金屬及合金的通性 １－２金屬的結金構造與組織 １－３金屬的塑性變型 １－４金屬的凝固與變態 １－１金屬及合金的通性 • 金屬的特性相較於其他的元素，具有以下特性： 1.較高的延展性 2.良好的導電性及導熱性 3.特有的金屬光澤 4.除汞(水銀)之外，常溫下一般為固態 5.除鹼金族中的鋰、鈉、鉀之外，比重均大於1 • 目前發現的111種元素中，具有上述特性的金屬元素有83 種，不具上述特性的非金屬元素有19種，性質介於兩者之 中的半金屬有7種 １－１金屬及合金的通性 • 合金的意義：一種金屬元素加上另一種或一種以上金屬或 非金屬元素所組成的物質，而仍具有金屬特性者。 • 純金屬加入合金元素，性質產生改變，具體變化包括： 1.硬度和強度升高 2.熔點降低 3.磁性變大 4.熱膨脹係數變小 5.電阻增大 6.耐熱性增大 １－１金屬及合金的通性 • 鋅加入銅中形成黃銅，其物理和機械性質均會產生不同程 度的變化。 １－2金屬的結晶構造與組織 • 當材料的斷面經過處理之後，我們可以經由顯微鏡之觀察， 看見如同很多不規則多角型組合而成的情況，這些多角型 的顆粒我們就稱它是晶粒(Grain)，每個晶粒與晶粒的交 界稱為晶粒界面，簡稱晶界(Grain Boundary)，晶粒的基 本構成則是為一定規則排列的原子 １－2金屬的結晶構造與組織 • (一)晶粒 1.原子依照一定的規則排列並且成長成晶粒。 2.

第一章 緒論
１－１金屬及合金的通性
１－２金屬的結金構造與組織
１－３金屬的塑性變型
１－４金屬的凝固與變態
１－１金屬及合金的通性
• 金屬的特性相較於其他的元素，具有以下特性：
1.較高的延展性
2.良好的導電性及導熱性
3.特有的金屬光澤
4.除汞(水銀)之外，常溫下一般為固態
5.除鹼金族中的鋰、鈉、鉀之外，比重均大於1
• 目前發現的111種元素中，具有上述特性的金屬元素有83
種，不具上述特性的非金屬元素有19種，性質介於兩者之
中的半金屬有7種
１－１金屬及合金的通性
• 合金的意義：一種金屬元素加上另一種或一種以上金屬或
非金屬元素所組成的物質，而仍具有金屬特性者。
• 純金屬加入合金元素，性質產生改變，具體變化包括：
1.硬度和強度升高
2.熔點降低
3.磁性變大
4.熱膨脹係數變小
5.電阻增大
6.耐熱性增大
１－１金屬及合金的通性
• 鋅加入銅中形成黃銅，其物理和機械性質均會產生不同程
度的變化。
１－2金屬的結晶構造與組織
• 當材料的斷面經過處理之後，我們可以經由顯微鏡之觀察，
看見如同很多不規則多角型組合而成的情況，這些多角型
的顆粒我們就稱它是晶粒(Grain)，每個晶粒與晶粒的交
界稱為晶粒界面，簡稱晶界(Grain Boundary)，晶粒的基
本構成則是為一定規則排列的原子
１－2金屬的結晶構造與組織
• (一)晶粒
1.原子依照一定的規則排列並且成長成晶粒。
2. 晶粒的大小約在0.001mm~0.1mm之間，形狀多成不規則多
邊形肉眼不易辨識，因此必須以數十倍至數十萬倍之光學
顯微鏡或電子顯微鏡觀察其組織。
１－2金屬的結晶構造與組織
• (二)晶界
1.晶界增加了原子移動的障礙，也就是提高了材料的強度，
晶粒愈小，晶界在總體積的比例也愈多，所以該金屬材料
的強度也就愈大。
2.晶界對材料性質的重要影響有下列幾項：
a. 晶界可以提高材料的強度
b. 晶界較易發生腐蝕
c. 金屬再結晶時，容易在晶界上成核
１－2金屬的結晶構造與組織
• (三)結晶構造
1.不同的金屬其晶粒排列的規則不一定相同，甚至同樣的金
屬在不同溫度時，排列的狀態也會改變。
2.若以X光繞射做分析，可看出晶粒內的原子是成一種規則
排列的情況，並可求得原子半徑及平面間距，到有效數字
四位數以上。
3.規則排列最小單位，稱為單位格子(uni lattice)或單位
晶胞(unit cell)
１－2金屬的結晶構造與組織
• (四)單位晶胞
可將排列方式歸納
為七大晶系：
１－2金屬的結晶構造與組織
• (四)單位晶胞
三種常見單位晶胞排列方式：
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
• 在這種晶胞中，特點是取其單位晶胞時，可以發現它的中
心包含了一整個的原子，「立方」則是晶格的三軸等長且
夾角都相等的意思。
• 每一個角落，各分別含有相鄰格子中各八分之一的原子，
也就是每個角落裡的原子都與空間中相鄰格子分享，因此
單位晶胞裡總共包含了兩個原子：
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
• 面心意思為在立體晶格每一個面的中心，都有原子，而這
個面心的原子，實際上是與相鄰格子共享，因此面心原子
只有一半屬於此單位晶胞。
• 每一個角落，各分別含有相鄰格子中各八分之一的原子，
也就是每個角落裡的原子同樣是與空間中相鄰格子分享，
因此在這單位晶胞裡總共包含了四個原子
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
• 也稱為六方最密格子。
• 在此單位晶胞裡，原子的排列方式，常以六方體表示，其
中央層為三個完整的原子，以及上下層外圍十二個角落共
享有的六分之一的原子，另外上下層中央各有二分之一個
原子，在此單位晶胞裡共含有六個原子：
１－2金屬的結晶構造與組織
• (五)體心立方格子(BODY)
１－2金屬的結晶構造與組織
１－2金屬的結晶構造與組織
• 單晶的製成條件甚為嚴格，因此成本也甚高，只有在電子
及半導體工業上因為特殊需要才製成單晶，其使用材料是
鍺和矽等半導體材料。
• 彈性指物體受到外力後，仍可以回復原來的形狀。
• 當施加的外力不超過某一限度，則將外力除去後，金屬材
料原先受力所產生的變形變會立即消失，此最大應力極限
稱為彈性限。
• 超過這個彈性
限即使外力除
去仍無法回復
原狀，而留下
永久變形，稱
為塑性變型。
• 利用材料塑性變形的特性，將金屬材料加工成為所需要的
器具及成品，這樣的過程稱之為塑性加工。
• 塑性加工所需施加的外力，會隨著金屬材料的加溫而減小，
因此在加工成型的過程中，有時會加溫材料，稱為熱作，
如果在常溫加工就稱為冷作。
• 塑性加工有幾項方式：軋延、鍛造、拉製、擠製、抽製、
引伸、彎曲等。
• 剪力(Shearing Force)是發生永久變形的主要原因。
• 剪力是一種方向相反但作用不在同一線上的力，若剪力施
加在結晶格子時，結晶格子便會沿著某一個滑動面移動，
如果超過彈性限，即使外力除去結晶構造也不會回復。此
時即發生了永久變形。
• 剪力(Shearing Force)是發生永久變形的主要原因。
• 剪力是一種方向相反但作用不在同一線上的力，若剪力施
加在結晶格子時，結晶格子便會沿著某一個滑動面移動，
如果超過彈性限，即使外力除去結晶構造也不會回復。此
時即發生了永久變形。
• 同素異形體指某些金屬在某一狀態下，結晶格子內原子的
排列方式，會有兩種以上。
• 如下表的鐵和鈦。
• 凝固是物質由液態轉變為固態的現象，而變態則是泛指物
質經由外在條件(例如：溫度)而改變其狀態的現象。
• 金屬的變態除了包含固、液、氣三態的變化外，固態內
「同素異形變態」的變化對金屬而言更是重要。
• 相是指物質內均勻(Homogeneous)的部分。
• 固溶體是指金屬在固
態時，若經由適當的
條件，可以溶入另一
種固態金屬或非金屬
，而形成一種單向的
溶體。
• 二元合金相圖依其合金相平衡圖的形式，可分為以下六種：
1.液態時完全互溶，固態時也完全互溶，成為固溶體。
2.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成共晶。
3.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成包晶。
4.液態時不完全互溶，固態時完全不互溶，形成偏晶。
5.液態時完全不互溶，固態時也完全不互溶。
6.液態時完全互溶，固態時生成金屬間化合物。
1.液態時完全互溶，固態時也完全互溶，成為固溶體。
2.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成共晶。
• 共析：
3.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成包晶。
3.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成包晶。
3.液態時完全互溶，固態時完全不互溶，形成包晶。
• 或全反應:
4.液態時不完全互溶，固態時完全不互溶，形成偏晶。
5.液態時完全不互溶，固態時也完全不互溶。
6.液態時完全互溶，固態時生成金屬間化合物。
6.液態時完全互溶，固態時生成金屬間化合物。