材料性质和特性

四、材料性質和特性

4.1工程材料性質：

4.1.1抗拉強度(Tensile strength)

˙Tension test是最常用於決定材料機械性質的一種測試.

該試驗需要一測試試樣(test specimen)大都為實心且為圓形.

Gage length l0＝50mm (usually)

A →D0＝12.5mm

Engineering stress＝σ＝P/A0

Engineering strain＝e＝(l－l0)∕l2

Modulus of elastistic，E =σ/e (表示材料的剛性).

4.1.2材料可分類為：

A.金屬：（非鐵：1.強度不高但抗蝕性好 2.貴）

1.鐵：灰鑄鐵、展性鑄鐵、steel、白鑄鐵、熟鐵。

2.非鐵：Al、Copper、Mn鎂、Ni、Ti、Zin鋅。

B.非金屬：（difference：有機通常可溶解於有機液中，ex：乙醇、四氯化碳、

But waker.無機則可溶於水）

1.有機：塑膠、石油產品、木材、紙、橡膠、皮革。

2.無機：礦物、水泥、陶瓷、玻璃、石墨。

˙非鐵金屬強度大都不高，但抗蝕性較鐵材好，but大都較貴。

˙當其他元素加入金屬中，以加強他的特性時，此種組合體稱為合金（Alloy）ex：黃銅＝純銅＋鋅，青銅＝純銅＋錫，鋼＝純鐵＋碳。

˙純金屬會在恆溫下凝固，但合金則否。

ex：1.鐵→礦物在鼓風爐中產生。

2.鋁→鋁礬土礦→氧化物→電解法產生高熱→還原成鋁。

4.2 Structure of Alloy

˙不定形or非晶體(amorphous)：材料由液體固化，但沒有明確的原子晶格結

構，如液體一樣，以隨機排列。(ex：玻璃)

˙結晶性(crystalline)：即材料在凝固時，原子會自動排列成幾何模型，此原子

模型會順應材料的空晶格子(space lattice)

ex:體心立方格子(bcc)body centered cubic.

面心立方格子(fcc)face centered cubic.

面密方格子hexagonal close paclced.

（延展性差）

（鈹，鎘，鎂，鈦）

→彎曲或加工時會變得更脆。

˙若干固體金屬如鐵，當溫度達到臨界溫度，就會改變其晶子結構的型式，這種改變稱為”同素異形”(allotropic)，（每種格子結構有不同的特性）。

ex: 鐵→體心立方→稱α鐵（鉻、鉬、釩、鎢，have the same structure）→室溫極高於1394℃(2541℉)

鐵→面心立方→γ鐵（鋁、銀、銅、金、鎳、鉛、鉑）

→910℃～1394℃(1679℉)

˙純金屬的性質可藉由晶格型式來判斷，but合金的晶格結構則不易估定。

˙Substitutional Solid Solution（置換型固溶體）：

任純金屬加入元素會改變其晶格大小，形成合金不同，晶格的型式亦不同，所加入元素的原子可代替溶劑or金屬中的某些原子的原來位置，此合金則called substitutional solid solution.

Add solute to solvent→合金alloy

ex: Zinc→Lattice of copper，改變Zinc的含量可改變黃銅合金的性質。

Principles for complete form the substitutional solid solution.

2 metals must have similar caystal structure difference in their atomic radii should be less than 15%.

˙Inserstitial solid solution（插入固溶體）：所加元素的原子插入溶劑原子的空間（空隙），此合金稱之。(Solute atom size is much smaller than that of solrent atom )

ex:鐵（Iron）中的碳（Carbon）即屬此種→鋼

☆Principles for the complete interstitial solid solution.

1. Solvent atom has more than one valence(原子價)

2. atomic radius of the solute atom is less than 59% of the solvent atom.

˙Intermetallic compounds金屬間化合物：(solute atoms are present among soluvent atom in certain proportion)其結晶結構非常複雜，溶解溫度一定，強度、硬度較bcc、fcc、hcp大，但傳導性，延性低。（ex:鋁銅合金，錫-銻）

4.2.2延性ductility

a. percent elongation

Elongation = (l f－l0)∕l0 ×100

b. reduction of Area

reduction of Area = (A0－A f)∕A0×100

4.2.3 True stress and true strain

True stress,σ= P/A (A: instantaneous area)

True strain,ε= ln(l∕l0)

當e很小時，engineering and true strain are approximately equal.但當e↗，difference between then is getting largen true strain is more real to the physical phenomena.(example in textbook)

4.2.4 Construction of stress-strain curues.

4.2.5 Strain at necking in a tension.

4.2.6 Compression

Many manufacturing processes are doing under pressure, thus

compression test is very important.

通常取抗拉強度的50%,對脆性材料而言係將其壓至破裂.For延性材料, 則壓至某個變形程度為準。

4.2.7 Torsion

shear stress，τ＝T∕2πr2 t

shear strain，γ＝rψ∕l

4.2.8 Hardness

resistance to pormanent indentalion .

測試試樣抵抗小球體，角錐體，圓錐體等壓痕器壓入的能力。

1.硬度和抗拉強度成正比。

2.硬度和磨耗成反比。