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1、7.1金屬材料的物理性質1 比重(specific gravity) 某一物體的重量和同體積的4的水之重量比叫做比重。2 比熱(specific heat) 把1克的物質加熱使它升溫1時所需要的熱量(以calorie表达)叫做比熱。比熱較大的Mg，A1等。 金屬的比熱一般隨溫度上升而增长。3 膨脹系數(coefficient of expansion) 各種金屬受熱而溫度上升時會膨脹。冷卻而溫度减少時會收縮。體積的增长率叫做體積膨脹系數(coefficient of bulk expansion)，其長度的增长率叫做線膨脹系數(coefficient of linear expansion)。
2、比重增长時，膨脹系數也會增长。4 導熱度(thermal conductivity) 1cm立方體的相對丙面間，假定有1的溫度差時，在1秒內由高溫面移動到低溫面的熱量(以calorie表达)叫做導熱度。金屬都是熱的良導體。銀的導熱度最大，另一方面是Cu及AI。金屬的純粹度愈高，其導熱度愈好。5 比電阻(specific resistance) 某金屬線的長度為，斷面積為s時，其電阻R可以用下式表达 R=(/s) 式中為比電阻。斷面積1cm2，長1cm的材料之電阻以ohm()表达，叫做比電阻。銅和鋁的電阻很小，因此容易導電。電阻隨溫度增长而增大。Rt=R0(1+t) 式中叫做電阻的溫度系數(te
3、mperature coefficient of electric resistance),因金屬之不同而異。7.2金屬材料的化學性質 1 金屬的離子化(ionization) 金屬的離子化之容易度依其大小排列時可得下面所示的顺序：K Ca Na AI Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb (H) Cu Hg Pt Au 2 腐蝕(corrosion) 金屬表面受化學或電化學的作用，在表面生成非金屬化合物而補侵蝕漸漸會消耗的現象，叫做腐蝕。a 電化學腐蝕b 由環境所引起的金屬腐蝕c 高溫氣化 氣化把金屬加熱到高溫時受氧的化學腐蝕起氧化，而在表面生成氧化物。離子化序列愈上位的金屬愈容易被氧化
4、。比A1上位的金屬，在空氣中生成氧化物而起燃燒。Na ，K等在空氣中會自然發火，Mg在空氣中加熱時會剧烈燃燒。金屬的氧化，則溫度愈高，愈迅速度進行。7.3金屬材料的機械性質7.3.1機械性質的概念 就下圖所示的由拉力所引起的機械反應而言，抗拉應力超過某一數值時吊桿會被拉斷。這性質可以用來表达。當材料被拉斷時，材料的長度增长可以用來表达。例如彈性系數，抗拉強度，硬度，伸長率及沖擊值等是表达這些反應的具體性質之例。這些性質叫做金屬材料的機械性質。 機械性質可以分做強度和延性兩方面來說明。強度是表达材料對外力抵御能力，延性是表达在不破壞的范圍之內，材料能發生永久變形的能力。機械性質是由強度(stre
5、ngth)和延性(ductility)的兩種因素支配的。 7.3.3材料試驗的目的 制造各種材料或者运用這些材料來制造某種機械零件時，品質控制是很重要的，因此必須采用適當的材料試驗來控制材料的品質。所采用的試驗務必簡單、以便。材料試驗的此外一種重要的目的是檢查材料在使用中發生破損的因素。7.4.1拉伸試驗(或抗拉試驗) 拉伸試驗(tensile sest)的目的是要測定材料的強度和延性。 上圖曲線1是低碳鋼的拉伸試驗結果。曲線2上非鐵金屬，例如銅，鋁等的荷重伸長曲線。1、彈性限(elastic limit) 如果荷重不超過某一限度(圖中E點)，則除去荷重，伸長就會變為零。E點如下的荷重時所發生
6、的變形叫做彈性變形。彈性限=PE/A0 (kgf/mm2) 2、比例限(proportional limit) 范圍內荷重和伸長會根据虎克定律(Hookes law)而變化。比例限=PP/A0 (kgf/mm2)彈性限和比例限的數值是很接近，彈性限是除去荷重以後，所產生的變形与否會完全消減的一個臨界點。而比例限是荷 重的伸長的關係与否會根据虎克定律變化的一個臨界點。3、彈性系數(modulus of elasticity,Youngs modulus) 在比例限內可以求出彈性系數。彈性系數是表达材料受到比例限以內的荷重時，在材料內部所產生的應力和應變的比。 彈性系數E=應力/應變=(Pe/A0
7、)/(L/L0)4、降伏點(yield point) 荷 重超過比例限P點時，荷重伸長曲線不再成正比，這個現象叫做降伏(yielding)。5、降伏強度(yield strength) 降伏強度=P/A0(kgf/mm2) 材料受到外力而產生相當於降伏強度的應力時，則會發生0.2%的永久變形。6、抗拉強度(tensile strength) 降伏完了以後，荷重再繼續增长時，伸長的增加率比荷重的增长率大。荷重超過M點時一般在試驗片的中央部分會發生局部變形(local deformation) 。 抗拉強度=Pu/A0 (kgf/mm2)7、伸長率(percentage of elongation
8、) 在Z點試驗片被拉斷之後，從試驗機取下試驗片，把兩個斷口接緊。 伸長率=(L-L0)/L0*100(%) 8、斷面縮率(percentage of area reduction) 試驗片的拉斷部分之最小斷面積A和原來的斷面積A0的差數A0- A，以原來的斷面積A0 斷面縮率=( A0- A)/ A0*100(%) 7.4.2硬度試驗 金屬材料的機械性質當中硬度(hardness)是很重要的一種性質。從硬度大概可以推想其她的機械性質。一般所采用的有勃氏(Brinell)，洛式(Rockwell)，維克氏(Vickers)和蕭氏(Shore)。 1、勃氏硬度(Brinell hardness)
9、把很硬的標准鋼球用一定的荷重壓入試驗片的表面，使試驗片發生球面的壓痕叫做勃氏硬度。一般用HB來代表。P=加壓在標准鋼球上的荷重 (kgf)D=標准鋼球的直徑 (mm)A=壓痕的球面表面積 (mm2)d=壓痕的最大直徑 (mm)t=壓痕的最大深度 (mm) 2、洛氏硬度(Rockwell hardness) 淬火鋼等的硬質材料所用的壓痕器(penetrator)是頂角120，半徑0.2mm的金鋼石圓錐體，荷 重為150kgf。洛氏C硬度，對退火鋼和其她軟質材料所用的壓痕器是直徑1/16in鋼球，所加荷重為100kg。所得的硬度叫做洛氏B硬度，用HRB之記號來表达。 兩種硬度HRC，HRB時都要先
10、加小荷重(minor load) 10kgf，壓入进一步做基准，另一方面再加大荷重(major load) 140kgf(加上小荷重共為150kgf)或者90kgf(加上小荷重共為100kgf)。3、維克氏硬度 把對面角136的金鋼石方錐體，以一定的荷重壓入試驗片的表面，使試驗片發生方錐形壓痕。假設P=荷重(kgf) S=壓痕的表積(mm2) d=壓痕在試驗片表面的對角線長度(mm)則HV = P / S = 2 sin68P / d2 = 1.8544 P / d24、蕭氏硬度 蕭氏硬度試驗機是把尖端裝有金剛石的小錘掛在垂直玻璃管內一定高度。從這高度使小錘自由落下，當小錘打擊試驗片時試驗片表
11、面會產生很小的壓痕。因為試驗片的硬度不同 ，小錘的反跳高度也不同。一般用HS記號來表达。非鐵金屬材料 一般的構造用或機械用金材料的主體為碳鋼、合金鋼、鑄鐵等鋼鐵材料。但是鋼鐵材料在特性上有各種應用方面的缺點，例如它的耐蝕性比鎳、銅等差诸多，又注重比重、導熱度方面的應用時，也無法和鋁相比較。這些鋼鐵以外的金屬材料，叫做非金屬材料(nonferrous metals)。 非金屬材料常用的有(1)銅和銅合金，(2)鋁和鋁合金，(3)鎂和鎂合金，(4)鋅和鋅合金，(5)軸承合金等。1、銅和銅合金 1.1銅 銅的導電度和導熱度高，因此在這方面的用途很廣。但是例如黃銅和青銅，在銅中添加Zn，Sn或其她元素
12、時，可以改良它的耐蝕性和機械性質。1.1.2銅的性質及用途 銅的物理性質：銅的特點是導電度和導熱度大，多半用為電氣材料或傳熱用的管、板等。銅的展延性良好，可以作為薄板和細線，但是機械強度小，因此用為構造用材料時，須先加工使它硬化後才使用。經過加工而增长強度的銅可分為軟質、1/4硬質、1/2硬質等。1.2.1黃銅 黃銅(brass)是銅和鋅的合金。制造和加工都容易，價格又便宜，因此使用量多。含3040% Zn者最實用。 1.2.3青銅 青銅(bronze)是錫和銅的合金。青銅的特點是鑄造性和耐蝕性優良，此外機械性質也良好，耐磨耗性也大。優點因此成為鑄造用銅合金中最具代表性者。1.2.4磷青銅 磷
13、青銅(phosphorus bronze)是青銅中添加少量的P者。添加P時可除去青銅內部的氧化物，P含量較多者，硬度高，耐磨耗生優良，用為軸承或其她需要機械性能優良的零件。又實施冷溫加工時抗拉強度，彈性限會顯著地增长。在高溫其彈性強，對電流的接觸電阻也低，是重要的電氣通信機器用彈簧材料之一。2、鋁和鋁合金2.1鋁 鋁的特點是重量輕，其比重為2.7。但它的強度低，因此不能以純粹的狀態用為需要強度的構造物。所謂輕合金(light alloy)是鋁中加其她元素而改良這種缺點者。鋁合金抗拉強度、伸長率、彎曲等的機械性質相當優良。2.2鋁合金 由於汽車、飛機的發達，對重量輕，且強度大的材料之需求日漸增长。鋁的特點是輕，但是強度低，因此需在鋁中添加特歹元素，作成各種優良的鋁合金，而適應現代工具的规定。 鋁合金可分為鍛造用和鑄造用兩種。有些未經熱牏就可使用，有些則經熱牏改善機械性質以後才使用。2.2.3
