【大學(xué)課件】工程材料PPT

1、第二章 工程材料前言2.1 金屬材料之性質(zhì)2.2 鐵系金屬材料2.3 非鐵系金屬材料2.4 非金屬材料ppt課件1前言材料應(yīng)用的演變是人類文明發(fā)展的里程碑。石器、陶器、銅器和鐵器時代，即是以當(dāng)時的人制造工具和日用品的材料做為區(qū)分基準(zhǔn)。近年來塑料，半導(dǎo)體和復(fù)合材料等的發(fā)明和應(yīng)用，更是導(dǎo)致加工技術(shù)的突飛猛進(jìn)，生產(chǎn)出各種大量或更高精度的產(chǎn)品。ppt課件2前言(續(xù))材料的進(jìn)步主導(dǎo)著人類科技文明的發(fā)展和生活質(zhì)量的提升。 材料是制造系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一，故了解工程材料本身的組成和特性已成為從事制造相關(guān)研究或產(chǎn)業(yè)之人員所必備的知識。 材料在設(shè)計時間被選用的主要考慮是它所具備的性質(zhì)(Properties)可以符

2、合產(chǎn)品的功能要求。 ppt課件3前言(續(xù))對工程材料言，材料性質(zhì)中的機(jī)械性質(zhì)是最主要的評估因素，其次是物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)。材料性質(zhì)是由組成的成分(元素或化合物)和其組織所決定，并且會影響材料的加工性和使用特性。材料的組織有結(jié)晶和非結(jié)晶兩種形式。 ppt課件4前言(續(xù))結(jié)晶原子在晶粒內(nèi)有一定規(guī)則的周期性排列，并由許多晶粒構(gòu)成所謂的結(jié)晶組織材料，例如金屬和陶瓷。 晶粒內(nèi)原子的排列方式，例如金屬結(jié)晶中常見的體心立方，面心立方和六方最密的排列，以及晶粒本身的形狀和大小，都會造成材料性質(zhì)的不同。非結(jié)晶材料的組成原子無一定規(guī)則排列的特性者稱之為非結(jié)晶組織材料，例如玻璃和塑料。 ppt課件5前言(續(xù))一般可

3、將工程材料分為金屬材料和非金屬材料兩大類。 金屬材料又分為鐵系金屬(Ferrous metals)和非鐵系金屬(Nonferrous metals)。非金屬材料則分為有機(jī)材料和無機(jī)材料，詳如圖2.1所示。有機(jī)材：由動植物細(xì)胞轉(zhuǎn)變而成，為碳化合 物，可溶于有機(jī)液(如酒精)但不溶于水 。無機(jī)材：指可以溶于水的礦物，一般言其抗熱能力優(yōu)于有機(jī)材料。 ppt課件6前言(續(xù))ppt課件7前言(續(xù))材料組成之原子間的鍵結(jié)方式 離子鍵(Ionic bond)、共價鍵(Covalent bond)、金屬鍵(Metallic bond)和凡得瓦爾鍵(van der Walls bond)。 可分為金屬材料(Met

4、als)、陶瓷(Ceramics)和玻璃(Glasses)材料、聚合體材料(Polymers)(又稱高分子材料，或塑料材料)，復(fù)合材料(Composite Materials)和電子材料(Electronic Materials)等五大類。 ppt課件8前言(續(xù))金屬材料之優(yōu)點目前用量最多的工程材料 扮演承載負(fù)荷及耐熱結(jié)構(gòu)的重要角色種類及產(chǎn)量很多，具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，人類對其特性也較了解 較易于加工或成形，并且價格方面相對于同等級的其他材料較為便宜ppt課件9前言(續(xù))隨著能源或環(huán)保問題的日益受到重視非金屬材料的重要性及使用量則是與日俱增 陶瓷材料：耐高溫的性質(zhì)，被應(yīng)用到工業(yè)級的高溫爐或高速切

5、削的刀具上。聚合體材料：人造材料，因為具有容易成形、重量輕及抗腐蝕的特性 ，如水桶、碗盤、玩具等，工程方面的機(jī)械零件、襯墊、外殼構(gòu)件等都可見到。ppt課件10前言(續(xù))新材料的研發(fā)及應(yīng)用 復(fù)合材料 由金屬、陶瓷或聚合體材料所組成。 利用不同材料的特性，截長補(bǔ)短以滿足對此新材料須具備之特定性質(zhì)的要求。 重量輕又具高強(qiáng)度。 應(yīng)用范圍廣泛涵蓋從休閑器材 、釣竿，到尖端科技的飛機(jī)、航天飛機(jī)等。 ppt課件11前言(完)奈米材料的生產(chǎn)與應(yīng)用 許多國家早已投入龐大的研發(fā)人力與資金。 可預(yù)期地奈米材料的開發(fā)，未來將影響人類生活至巨。 半導(dǎo)體材料 電腦工業(yè)發(fā)展的主角。計算機(jī)對機(jī)械制造的重要性極為顯著，惟電子材

6、料無法被加工成結(jié)構(gòu)體來使用。 ppt課件122.1 金屬材料之性質(zhì)2.1.1 化學(xué)性質(zhì)在大氣環(huán)境中，金屬的表面會生成非金屬化合物而被逐漸侵蝕消耗，稱此現(xiàn)象為腐蝕(Corrosion)。 腐蝕的發(fā)生是金屬材料本身的化學(xué)性質(zhì)所導(dǎo)致，隨材料的不同而有很大的差異。 金屬腐蝕發(fā)生的狀態(tài)可分為沒有水分的化學(xué)腐蝕和有水分的電化學(xué)腐蝕兩種。ppt課件132.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))氧化(Oxidation)作用最常見的化學(xué)腐蝕，可發(fā)生在常溫或高溫的狀態(tài)金屬元素在化學(xué)反應(yīng)上具有較活潑的特性容易和氧產(chǎn)生反應(yīng)形成氧化物薄膜。氧化作用會隨著時間的經(jīng)過步不斷地進(jìn)行，如鐵系材料的氧化物薄膜又稱鐵銹，在表層形成后會自母材剝

7、落而不能隔絕氧繼續(xù)和內(nèi)部材料的接觸。有些氧化物比原材料的硬度更高，例如鋁的氧化物，可增加零件抗磨耗的能力，因此發(fā)展出使其氧化層增厚的制程。 ppt課件142.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))電化學(xué)腐蝕 指金屬材料受到周圍環(huán)境中的水分或化學(xué)溶液等介質(zhì)的作用，產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移及金屬本身的離子化(Ionization)的現(xiàn)象，并稱此處為陽極。 失去電子的金屬以陽離子狀態(tài)溶入水中形成電氣回路，在陽極部位的金屬會受到侵蝕而逐漸的減少。 金屬的表面若存在不純物、成分偏析、加工畸變、或殘留應(yīng)力等，即形成不均勻的狀態(tài)。電化學(xué)腐蝕作用可被應(yīng)用在非傳統(tǒng)加工的制程上，將工件材料不要的部分侵蝕掉而得到所要的工件形狀和尺寸，例如化

8、學(xué)加工和電化學(xué)加工。 ppt課件152.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))2.1.2 物理性質(zhì)金屬材料的物理性質(zhì)，和機(jī)械制造關(guān)系較密切的有七項，即比重、熔點、比熱、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性和磁性等。1.比重 (Specific gravity)指某一物體的重量對同體積4C純水重量之比值。 相同金屬材料的比重值會因溫度的變化而改變，也會隨加工程度的不同而有差別。ppt課件162.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))比重一樣可以表示此一性質(zhì)的是密度。密度(Density)是指每單位體積該材料的質(zhì)量。密度關(guān)系著比強(qiáng)度(Specific strength)和比剛性(Specific stiffness)的大小。 就能量

9、消耗或動力限制的觀點言，它是材料選用的重要考慮因素，尤其是航天工業(yè)和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)具設(shè)備等。ppt課件172.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))2.熔點 (Melting point)金屬材料的結(jié)晶組織狀態(tài)受到溫度升高所供給熱能的影響，促使原先固態(tài)之規(guī)則且緊密排列的原子開始分離而變成松散且可自由移動的液態(tài)，此時的溫度稱為該材料的熔點。 純金屬的熔點為固定值，合金的熔點則因所含的成分而異，且在熔化過程中溫度仍會改變。熔點高的材料適用于高溫作業(yè)的環(huán)境，例如噴射引擎和鍋爐，或是高速運(yùn)動會產(chǎn)生大量摩擦熱而導(dǎo)致高溫的機(jī)械零件。 ppt課件182.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))熔點高的材料對鑄造性或成形加工性等會有不利的影

10、響，增加制造成本。 金屬材料的再結(jié)晶溫度和熔點有關(guān)，故在退火熱處理和熱作加工時需注意此性質(zhì)的影響。3.比熱 (Specific heat)使單位質(zhì)量材料之溫度升高1C所需的熱量稱為比熱。 金屬的比熱較小，且通常隨溫度上升而增大。ppt課件192.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))4.熱膨脹系數(shù) (Coefficient of thermal expansion)物體的溫度上升1C時，體積的增加率叫體積膨脹系數(shù)，長度的增加率叫線膨脹系數(shù) 。普通金屬中線膨脹系數(shù)以鋅為最大，以鎢、鉬為最小。 通常熔點愈低其者熱膨脹系數(shù)愈大。熱膨脹性質(zhì)可能導(dǎo)致材料熱應(yīng)力的產(chǎn)生進(jìn)而影響產(chǎn)品的功能和壽命。 ppt課件202.1 金

11、屬材料之性質(zhì)(續(xù))5.熱傳導(dǎo)性 (Thermal conductivity)體積為1立方公分的正立方體，當(dāng)兩對面間的溫度差為1C時，每秒自高溫面?zhèn)魉偷降蜏孛娴臒崃糠Q為熱傳導(dǎo)性。用以表示熱量流經(jīng)材料的難易程度。 金屬材料都是熱的良導(dǎo)體，銀的熱傳導(dǎo)性最大，銅及鋁次之。 ppt課件212.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))6.比電阻 (Specific resistance)截面積1平方公分，長度1公分的金屬材料之電阻值(單位為奧姆，Ohm)稱為比電阻。金屬是電的良導(dǎo)體，比電阻相對較低，其中以銀為最低，其次為銅、金、鋁等。當(dāng)溫度上升時，金屬的比電阻隨之增加。有些金屬或合金材料在某一臨界溫度以下，會產(chǎn)生電阻趨近

12、于零的狀況，稱之為超導(dǎo)性(Superconductivity)。 ppt課件222.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))7.磁性 (Magnetic property)若金屬可被磁石的強(qiáng)大磁場磁化而變成小磁石，并可相互吸引時，即稱此金屬為鐵磁性材料(Ferromagnetic material) ，如鐵、鈷和鎳等。大部分的金屬被磁化的強(qiáng)度很微弱，不會被磁石吸引，此類金屬叫做順磁性材料 (Paramagnetic material)，如鋁、鉑等。 會對磁石產(chǎn)生微弱排斥現(xiàn)象，謂之反磁性材料(Diamagnetic material)，如銅、銀等 ppt課件232.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))2.1.3 機(jī)械性質(zhì)

13、金屬材料之所以被廣泛應(yīng)用于制造各種機(jī)械零件，最主要的原因在其具有優(yōu)越的機(jī)械性質(zhì)。較重要的機(jī)械性質(zhì)有：1.強(qiáng)度 (Strength)強(qiáng)度是指材料對外加負(fù)荷導(dǎo)致變形的抵抗能力。 降伏強(qiáng)度(Yield strength，Y.S.) ：材料呈現(xiàn)永久變形所需之最小應(yīng)力值 。ppt課件242.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))抗拉強(qiáng)度(Tensile strength，T.S.)：材料斷裂前之最大應(yīng)力值 ，如圖2.2所示 。降伏強(qiáng)度通常是機(jī)械設(shè)計時選擇材料之最重要考慮。 抗壓強(qiáng)度(Compressive strength)、抗剪強(qiáng)度(Shear strength)、抗扭強(qiáng)度(Torsional strength)等

14、，分別為材料抵抗不同形式外力作用時之能力，其值由相關(guān)試驗求得。金屬材料在發(fā)生降伏狀態(tài)(即永久變形)之前的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的，其斜率稱為彈性模數(shù)(Modulus of elasticity)，通常以E為其代號。 材料是屬于彈性區(qū)域，受到外加負(fù)荷時變形的反應(yīng)可用虎克定律(Hookes law)計算。 ppt課件252.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))E值愈高即直線愈陡，代表材料的剛性(Stiffness)愈大，對負(fù)荷引起變形的抵抗能力愈高。 當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)超過降伏強(qiáng)度以后，材料進(jìn)入塑性區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變之關(guān)系曲線不再是線性，而是指數(shù)曲線。材料開始發(fā)生永久變形，并受到應(yīng)變硬化(Strain hardening)

15、或稱加工硬化(Work hardening)的作用。當(dāng)應(yīng)力到達(dá)抗拉強(qiáng)度時，材料出現(xiàn)頸縮(Necking)現(xiàn)象直到斷裂。 ppt課件262.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))機(jī)械制造程序中的塑性加工即是探討材料在受到降伏強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間應(yīng)力狀態(tài)所造成的塑性變形。溫度高低及材料變形速率會影響以上所述各項性質(zhì)之值及曲線形式。ppt課件272.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))2.延性 (Ductility)延性是材料在斷裂時，破壞點之塑性變形量 。主要的表示法有伸長率(Percentage of elongation)和面積縮減率(Percentage of area reduction)兩種，均可由拉伸實驗中求得。

16、伸長率 ：把已斷裂試片之兩斷口接回，量取已變長之標(biāo)點間的長度并減去標(biāo)點間之原來長度后，再除以標(biāo)點間之原來長度所得商之百分率值，如圖2.3所示。面積縮減率 ：是將原來之?dāng)嗝娣e減去斷裂后最小斷面積，再除以原來斷面積所得商之百分率值。ppt課件282.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))伸長率或面積縮減率的大小可用以表示材料塑性加工性之優(yōu)劣程度。對脆性材料言，兩者之值皆趨近于零。ppt課件292.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))3.硬度 (Hardness)在材料的表面施以外加壓力時，材料會產(chǎn)生凹痕變形，抵抗此種受壓變形的能力較大者所產(chǎn)生的變形量較小，表示硬度較高。硬度試驗法對材料只產(chǎn)生局部性的破壞，且操作比較簡單，故

17、應(yīng)用很廣。通?？梢杂捕戎底鰹椴牧蠌?qiáng)度大小的指標(biāo) 。硬度試驗法有勃氏(Brinell，HB)、洛氏(Rockwell，HRC,HRB等)、維氏(Vickers，HV)、蕭氏(Shore，HS)、努氏(Knoop,HK)和莫氏(Mohs)等。 ppt課件302.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))材料抵抗壓凹能力的大小會隨不同試驗法之壓頭的形狀和施加負(fù)荷的方式而有所不同。 圖2.4顯示勃氏硬度試驗的量測及計算方法。圖2.5顯示洛氏硬度試驗中不同壓頭的形狀。ppt課件312.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))4.韌性 (Toughness)當(dāng)材料承受一突然施加的撞擊外力時其應(yīng)變率(Strain rate)很大，材料會呈現(xiàn)

18、較脆的特性。通常把這種承受沖擊負(fù)荷的能力稱為材料的韌性。沖擊試驗(Impact test)有沙丕(Charpy)試驗和艾左(Izod)試驗兩種。 利用瞬間沖擊力撞斷試片時，以能量被吸收的多少來表示韌性的大小，如圖2.6顯示沙丕試驗。轉(zhuǎn)換溫度 ：材料在低于某一溫度時，吸收沖擊能的能力急劇降低以致破壞的形式會由延性破壞轉(zhuǎn)變成脆性破壞。 ppt課件322.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))體心立方結(jié)晶的金屬即具有轉(zhuǎn)換溫度。沖擊試驗適用于求材料之轉(zhuǎn)換溫度值。金屬材料大都有高沖擊抵抗值，也就是韌性高，通常表示也具有高強(qiáng)度和高延性。 陶瓷和許多復(fù)合材料具有高強(qiáng)度，但是幾乎沒有延性，韌性。 ppt課件332.1 金屬

19、材料之性質(zhì)(續(xù))ppt課件342.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))5.破壞韌性 (Fracture toughness)當(dāng)材料在凝固成形或加工的過程中，內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂縫或其他微小缺陷時，抵抗裂縫成長的能力以破壞韌性表示。一般工程材料都多少含有某些缺陷，在外力作用下裂縫是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定的成長，導(dǎo)致材料破壞是以所謂的應(yīng)力強(qiáng)度因子(Stress intensity factor)是否達(dá)到臨界值為判斷依據(jù)。應(yīng)力強(qiáng)度因子是結(jié)合外力換算的應(yīng)力值、工件幾何形狀和原有裂縫長度計算而得。 ppt課件352.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))臨界值即為所稱的破裂韌性，是材料的一個定量的性質(zhì)，其值由相關(guān)的試驗得到。 相同類型的材料

20、，破裂韌性較大者，其降伏強(qiáng)度較小，在設(shè)計產(chǎn)品使用條件、壽命及檢驗標(biāo)準(zhǔn)時，要特別注意需同時考慮材料這兩項性質(zhì)。 ppt課件362.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))6.疲勞 (Fatigue)機(jī)械零件經(jīng)常用在承受變動負(fù)荷的場合，雖然此種反復(fù)作用的應(yīng)力小于材料的降伏強(qiáng)度，但材料也會發(fā)生破壞，稱此現(xiàn)象為疲勞。 疲勞破壞進(jìn)行的模式是材料原有之微小裂縫在循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下，裂縫穩(wěn)定地逐漸延伸，最后當(dāng)裂縫長度超過某一極限值時即發(fā)生不可停止的不穩(wěn)定成長致使工件斷裂。疲勞試驗(Fatigue test)是求取疲勞強(qiáng)度(Fatigue strength，F(xiàn).S.)的方法。 ppt課件372.1 金屬材料之性質(zhì)(續(xù))將不

21、同應(yīng)力振幅值(S)及使工件破壞的應(yīng)力反復(fù)作用次數(shù)(N)繪制成所謂的S-N曲線，如圖2.7所示。曲線出現(xiàn)水平部份時，其對應(yīng)的應(yīng)力值即稱為疲勞強(qiáng)度 ppt課件382.1 金屬材料之性質(zhì)(完)7.潛變 (Creep)金屬材料在高溫的環(huán)境中，受一固定大小的應(yīng)力作用時，其長度會隨著時間而增加，最后終至斷裂。 固定應(yīng)力及溫度(高溫)所得到的材料伸長率(應(yīng)變)與時間的關(guān)系叫潛變曲線，如圖2.8所示。 ppt課件392.2 鐵系金屬材料 工程上使用的金屬材料絕大多數(shù)是以合金而非以元素的形式出現(xiàn)。合金：是指以某金屬為主要成分，再加入其它金屬或非金屬形成仍具有主要成分金屬特性的材料。常用的金屬材料分為鐵系金屬(F

22、errous metals)和非鐵系金屬(Nonferrous metals)兩類。鐵系金屬(Ferrous metals) ：以鐵元素(Fe)為主要成分，包括鐵和碳鋼、合金鋼及鑄鐵。非鐵系金屬(Nonferrous metals) ：指鐵元素以外的金屬為主要成分的材料，例如鋁、鎂、銅、鎳、鈦及其合金等。ppt課件402.2 鐵系金屬材料(續(xù))常見的材料規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)有UNS、ASTM、AISI、SAE、JIS、DIN、BS、CNS及鋁合金之AA等。2.2.1 鐵和碳鋼純鐵(Pure iron) 精煉的代價很高 事實上仍含有微量的雜質(zhì) 本身很軟，不適合于有強(qiáng)度需求的結(jié)構(gòu)體之應(yīng)用通常做為合金鋼之原料或

23、電器材料等用途。ppt課件412.2 鐵系金屬材料(續(xù))碳鋼(Carbon steel) 是鐵和碳的合金。 含碳量在0.02%2%之間 。碳鋼的機(jī)械性質(zhì)決定于其含碳量和顯微組織?？估瓘?qiáng)度、降伏強(qiáng)度和硬度等隨著含碳量的增加而增加，但是延性和韌性則剛好相反 。目前使用量最多，用途也是最廣的工程材料，其中又以含碳量0.05%1.5%為主。 ppt課件422.2 鐵系金屬材料(續(xù))分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，各有其適合的應(yīng)用場合，詳如表2.1所示。低碳鋼稱為軟鋼(Mild steel)，含碳量低于0.3%。 含碳量在0.2%左右之低碳鋼為一般主要之構(gòu)造用鋼，如建筑、橋梁、車輪等使用之鋼條或鋼板。 通常

24、不需熱處理，經(jīng)滾軋或鍛造后即直接使用。低碳鋼因含碳量低，不論是鑄造、鍛造、切削或焊接加工都非常容易 ppt課件432.2 鐵系金屬材料(續(xù))中碳鋼 通常使用在強(qiáng)度要求比低碳鋼高的場合。高碳剛 用于需要高強(qiáng)度、硬度和耐磨性的零件。ppt課件442.2 鐵系金屬材料(續(xù))2.2.2 合金鋼合金鋼 (Alloy steel) 是指在碳鋼中添加一種或一種以上之特殊元素，用以增進(jìn)或改善某些機(jī)械性質(zhì)，做為特定用途之材料。用途可分為構(gòu)造用合金鋼和特殊用途合金鋼，如表2.2所示。機(jī)械性質(zhì)比碳鋼優(yōu)越許多，并且在鑄造、鍛造、切削及熔接等之加工性也都較好 。廣泛地用于建筑、運(yùn)輸工業(yè)和各類機(jī)械之重要零件 。ppt課件

25、452.2 鐵系金屬材料(續(xù))ppt課件462.2 鐵系金屬材料(續(xù))特殊用途合金鋼較重要的有下類四類1.工具鋼 (Tool steel)用做為刀具、工具或模具之材料，乃機(jī)械制造之切削加工或塑性成形不可或缺的重要輔助材料。 在常溫或高溫時都具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐磨耗和抗氧化熔合性優(yōu)良等。依化學(xué)成分不同有碳工具鋼、合金工具鋼和高速鋼等三種。 ppt課件472.2 鐵系金屬材料(續(xù))碳工具鋼(Carbon tool steel) 含碳量為0.6%1.5%，亦即是高碳鋼。 容易加工，淬火回火后硬度甚高，但其缺點為硬化深度淺，高溫時硬度變低，切削耐久性差，故只適用于做木材及輕合金之切削工具。合

26、金工具鋼(Alloy tool steel) 在碳工具鋼中添加鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鎳(Ni)等元素，增加其硬化深度、耐磨耗性和抵抗高溫軟化等性質(zhì)。主要用途有切削工具、耐沖擊工具、耐磨耗工具和熱加工模具等。ppt課件482.2 鐵系金屬材料(續(xù))高速鋼 (High speed steel) 所含的特殊元素有鎢、鉻、釩、鉬、鈷(Co)等，可大幅改善高溫回火軟化的現(xiàn)象，使之在紅熱溫度時仍保有足夠的切削硬度，故多用于高速切削刀具。2.不銹鋼 (Stainless steel)要特性為耐蝕性優(yōu)良，應(yīng)用的范圍非常廣泛，如石化、航天、交通、機(jī)械零件和民生工業(yè)等，為高合金鋼中產(chǎn)量最多者

27、。 ppt課件492.2 鐵系金屬材料(續(xù))根據(jù)組成成分有鉻系和鉻鎳系兩種主要類型。 鉻系 不銹鋼的主要添加元素為鉻 鉻和氧結(jié)合在鋼的表面形成具保護(hù)作用之氧化膜，可防止氧或水分等的侵蝕。使用上又將不銹鋼分為五個主要類型，即肥粒鐵型、麻田散鐵型、沃斯田鐵型、析出硬化型和雙相型。 ppt課件502.2 鐵系金屬材料(續(xù))3.耐熱鋼 (Heat-resisting steel)此類材料在高溫時仍保有高強(qiáng)度，并可抵抗各種氣體的侵蝕，主要有鉻系和鎳鉻系耐熱鋼。 常被用于制造高溫機(jī)械之零件 。4.磁性用鋼 (Magnetic steel)有具永久磁性之磁石鋼和暫時磁性之磁心材料。磁石鋼為鋼材加工成形后，在

28、適當(dāng)?shù)拇艌鰞?nèi)磁化而具有永久磁性，被用來做耐久磁石。 ppt課件512.2 鐵系金屬材料(完)2.2.3 鑄鐵(Cast iron) 含碳量為2.06.7%(但通常在4.5%以下)的鐵碳合金 。為鑄造加工中使用量最大的金屬材料。其鑄造性(Castability)良好，耐磨耗性佳，且吸收震動能量之制震能(Damping capacity)高于其他的金屬材料。 鑄鐵依其抗拉強(qiáng)度的不同可分為灰鑄鐵、白鑄鐵、展性鑄鐵、延性鑄鐵(球狀石墨鑄鐵)和高合金鑄鐵等。 ppt課件522.3 非鐵系金屬材料2.3.1 鋁和鋁合金鋁(Al)鋁(Al)的導(dǎo)電度、熱傳導(dǎo)性良好，在金屬中僅次于銀和銅。 易加工、外觀好看、不

29、具磁性，其中最重要的特點是質(zhì)輕，可是因強(qiáng)度太低故用途不多。 ppt課件532.3 非鐵系金屬材料(續(xù))鋁合金 強(qiáng)度、硬度、伸長率等機(jī)械性質(zhì)則非常優(yōu)良，又容易鑄造或鍛造加工 。廣泛應(yīng)用于一般要求重量輕而強(qiáng)度大的機(jī)械零件和飛機(jī)、電氣、建筑、車輛、化工等之零件。分為鑄造用和鍛造用兩類。 ppt課件542.3 非鐵系金屬材料(續(xù))2.3.2 鎂和鎂合金鎂(Mg) 比重比鋁更小，是目前工程用最輕的金屬 化學(xué)活性很高易燃燒，且常溫加工硬化性大 缺延展性；工業(yè)上很少使用純鎂材料。 鎂合金鎂合金則是添加特定元素改良其機(jī)械性質(zhì)， 大量應(yīng)用于航天、車輛、運(yùn)動器材、電子、信息、光學(xué)等要求輕量化的機(jī)械零件上。ppt課

30、件552.3 非鐵系金屬材料(續(xù))鎂合金分為鑄造用和鍛造用兩類。鑄造用鑄造用鎂合金可用壓鑄法生產(chǎn)，其中的鎂鋁系合金最輕且最容易鑄造。為提高其耐蝕性，可加入少量的錳(Mn)因鎂合金的常溫加工性不佳，易形成裂痕。鍛造用鍛造用鎂合金的加工溫度常于300C400C時進(jìn)行加工。ppt課件562.3 非鐵系金屬材料(續(xù))2.3.3 銅和銅合金銅(Cu) 為極優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，被大量使用于電氣材料或傳熱用材等。 韌性及延展性良好、容易加工，但強(qiáng)度則較差，不適合做結(jié)構(gòu)用途。 若添加其他元素形成銅合金，則用途大增，為一重要的工程材料。 ppt課件572.3 非鐵系金屬材料(續(xù))銅合金最常見的銅合金有黃銅和青

31、銅。黃銅(Brass) 黃銅為銅和鋅(Zn)的合金 機(jī)械性質(zhì)良好，具耐蝕性、色澤優(yōu)美，且容易鑄造及加工，廣用于各種機(jī)械零件、彈殼、工藝裝飾品。若再另外添加其它元素，如鉛(Pb)、錫(Sn)、鋁等，則形成特殊黃銅，可改進(jìn)其切削性、耐蝕性等 大量生產(chǎn)如小螺絲之類的產(chǎn)品或抵抗海水侵蝕之船舶零件等。ppt課件582.3 非鐵系金屬材料(續(xù))青銅(Bronze) 青銅為銅和錫的合金。強(qiáng)度大、硬度高、耐磨耗、耐蝕性佳，又有優(yōu)美的色澤。 其鑄造性極佳，用途有機(jī)械零件、鐘表、工藝用品、貨幣等。特殊青銅有磷青銅、添加磷(P)以提高其硬度和耐磨耗性，用于軸承材料；軸承用青銅，添加鉛(Pb)使成為具有工作母機(jī)之高壓

32、軸承的特性需求。鋁青銅，為銅鋁系合金，有良好的機(jī)械性質(zhì)、耐磨耗性、耐蝕性及耐疲勞性都好，惟鑄造、加工和熔接等較不易，適用于化工、車輛、船舶、飛機(jī)等機(jī)器之零件。 ppt課件592.3 非鐵系金屬材料(續(xù))2.3.4 鎳和鎳合金鎳(Ni) 鎳的耐熱及耐蝕性優(yōu)良，延性及韌性均佳，在常溫或高溫都易加工，惟在600C以上時易被含硫氣體侵蝕而脆化。主要是用做合金之添加元素或用于鍍在其他材料的外表層以增加其抗蝕性。ppt課件602.3 非鐵系金屬材料(續(xù))鎳合金鎳合金中的鎳銅合金之加工性及鑄造性良好，機(jī)械性質(zhì)優(yōu)越，尤具高抗蝕性。 其中之蒙納合金(Monel metal)更是被廣用于食品、礦業(yè)、化工機(jī)械、汽輪

33、機(jī)葉片、蒸汽閥等。 鎳鐵合金中當(dāng)組成成分為鐵64%和鎳36%時即形成所謂的不變鋼(Invar)，具有在溫度變化時，熱膨脹系數(shù)幾乎為零的特性，適用于鐘表和精密量具等。ppt課件612.3 非鐵系金屬材料(續(xù))2.3.5 鈦和鈦合金鈦(Ti) 鈦(Ti)的耐蝕性極佳，耐熱性也好。 當(dāng)強(qiáng)度和合金鋼相近時，其重量卻小很多。 地球中之含量在金屬中僅次于鋁、鐵和鎂，居第四位的優(yōu)勢。 ppt課件622.3 非鐵系金屬材料(續(xù))鈦合金目前鈦合金已是重要的工程材料，成為不銹鋼及鎳基合金的理想代替品。用于航天零件、船舶引擎、熱交換器、儲存槽和人體醫(yī)學(xué)零件等。ppt課件632.3 非鐵系金屬材料(續(xù))2.3.6 其

34、他金屬和合金貴重金屬：銀(Ag)、金(Au)和白金(Pt) 銀、金和白金等的延展性都很好。 銀可直接用于電子工業(yè)及化學(xué)工業(yè) 。銀合金則常用于制成銀幣、裝飾品等。 金則是最常見的飾物，金的合金硬度較高些，用在牙科、電子工業(yè)，金幣、裝飾品等。 白金具強(qiáng)耐酸性可制成化學(xué)用之容器，又因熔點高可與其它合金配制成測量高溫用的熱電偶。ppt課件642.3 非鐵系金屬材料(續(xù))鎢、鉬、鉍(Nb)、鉭(Ta)等的熔點都很高，稱為耐熱金屬是重要的合金添加元素。用于提高合金的耐熱性及高溫強(qiáng)度。 超合金 以鎳、鈷、鉬、鉻和鐵為主要成分， 在高溫下具有高強(qiáng)度、抗腐蝕、耐疲勞、耐沖擊及抗?jié)撟兊葍?yōu)良特性。 應(yīng)用在引擎、渦輪

35、機(jī)、熱作工模具、核能及石化工業(yè)等。 ppt課件652.3 非鐵系金屬材料(續(xù))錫 質(zhì)軟、熔點低、耐蝕性優(yōu)良。 主要用途為馬口鐵的鍍層、錫箔、錫器等。 是一重要的合金添加元素。鉛 為質(zhì)軟、延展性大，具有毒性 對放射線的隔絕性良好，為X光等之防護(hù)器具及放射性元素之容器用材料。 ppt課件662.3 非鐵系金屬材料(完)鋅 質(zhì)脆，具優(yōu)良防蝕性， 大量用于鍍鋅鋼板之鍍層，鍍鋅鋼板是重要之建筑材料。錫、鉛和鋅三種元素成分，再添加其他元素可配制成軸承合金、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。ppt課件672.4 非金屬材料與機(jī)械制造程序較有關(guān)或可被用來制作成機(jī)械零件之陶瓷材料、聚合體

36、材料和復(fù)合材料 。2.4.1 陶瓷材料陶瓷材料是人類文明史上最早的人造材料。 被用來制作陶器、瓷器及磚塊等日常用品。為金屬元素和非金屬元素所組成的化合物或固溶體，具有結(jié)晶組織，其特性有高強(qiáng)度、高硬度、脆性、高熔點和化學(xué)穩(wěn)定性等。ppt課件682.4 非金屬材料(續(xù))陶瓷材料之物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)1.比重大多在2到4之間，但有少數(shù)例外如碳化鎢為15.7。2.熔點大多很高，如碳化鎢為2775C。 3.熱膨脹系數(shù)一般遠(yuǎn)低于聚合體材料及金屬材料。4.熱傳導(dǎo)性自很低到很高都有，分別適用于絕熱到導(dǎo)熱的各種用途。 ppt課件692.4 非金屬材料(續(xù))5.比電阻范圍很廣，自超導(dǎo)性到高度絕緣性都有。6.磁性存在

37、具有磁性的陶瓷，廣泛應(yīng)用于電機(jī)及機(jī)械工業(yè)。 7.脆性斷裂大部分的陶瓷是屬脆性材料，當(dāng)受到外加負(fù)荷過大時，會突然斷裂，而不會先出現(xiàn)如同金屬材料之塑性變形現(xiàn)象。8.強(qiáng)度通常只可以量測其抗壓強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度。 ppt課件702.4 非金屬材料(續(xù))陶瓷材料的種類可分為傳統(tǒng)陶瓷和工程陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷包括黏土、水泥和耐火材料等。 黏土可用于衛(wèi)生陶瓷制品、容器、磁磚等。 水泥則廣用于混凝土建筑物。 耐火材料主要用于加熱爐、鍋爐、坩堝及各種窯業(yè)等。 ppt課件712.4 非金屬材料(續(xù))工程陶瓷 為近年來材料科技進(jìn)步所開發(fā)出的細(xì)微粉末材料，具有極佳的機(jī)械、電子和化學(xué)特性。例如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化鈦、碳化鎢、氮化硼 、氮化硅 、氮化鈦 在工業(yè)上皆有不同特殊用途。玻璃(Glass) 和陶瓷的化學(xué)成分相同，但它不具結(jié)晶組織。玻璃的硬度高，導(dǎo)熱及導(dǎo)電性差，具脆性。 工程上主要是利用玻璃對光的特性，用于容器和交通工具及建筑物等的門窗。ppt課件722.4 非金屬材