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日常生活的金屬 |
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我們日場所見的或者所有的金屬製品很多。在家裡有餐具、各種鍋、水龍頭、鎖、小刀、中、腳踏車、縫衣機、電器器具等。在外面所看到的汽車、火車、各種機械以及飛機、船舶、軌道、建築物等的很多部分也是用金屬材料製造的。由此可見，金屬材料是現代文明社會的各種部門，例如機械、運輸、交通、建築、土木等的基本材料。
為何金屬材料能成為工程上的基本材料？考其原因，因為金屬材料的特性，例如強度、耐久性、安全性等比其他的材料優良，所以使用較少量的金屬材料可以做成強度大而且耐用的物品。金屬的產量又多，其加工性也良好，因此可以大量生產各種形狀的儀器和機械。此外金屬還有各種優秀的性質，所以用途很廣。
然而用於工程部門的不同，對於材料的要求也不一樣。為要適合各種要求，需要各種各樣的材料。現時工業上所用金屬材料種類很多，其中最重要的是鐵和鐵的合金。此外還有銅和銅合金，鋁和鋁合金，鋅、錫、鉛和其合金等等。
這些金屬因種類不同，具有各種各樣的性質，但是基本上有下列的共同特性： (1)
固體狀態時，通常構成節晶體。 (2)
復於展性和和性。 (3)
電和熱的良導體 (4)
具有特殊的金屬光澤。 關於這些特性在後面再加以說明。根據研究得知，金屬的各種特性和它的原子構造，原子的結合型式及結晶構造有密切的關係。 |
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金屬和合金介紹 |
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週期表中所列舉的金屬再化學上市以一種原子所構成的純元素，但是工業上所用的金屬材料很少是純粹的金屬而大部分是合金。在電機工程上用量很多的銅線，通常雖叫純銅，但是裡面還是包含少量的其他各種元素，所以嚴格講也是合金的一種。因此要研究金屬材料時，必須以合金的立場來了解才能得到全盤得概念。
所謂合金是指「一種金屬和另一種或者一種以上的金屬或非金屬互相融合，而具有金屬的各種性質的物質」而言。例如銅和鋅在高溫互相融合後，可得黃童。這黃童外觀上雖然和銅，鋅不相同，但是同樣具有前面所提的金屬之各種特性。就是說黃同事銅和鋅的合金。由兩種成分製成的合金分別叫做三元，四元，五元，……合金。 因為改變合金的成分及配合的比例時，可以改良純金屬的性質，或者可獲得純金屬所未具有的各種優良性質，所以工業上大部分的金屬，並未以純粹的狀態單獨使用，而是製成合金後才使用。
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塑性加工 |
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塑性加工的意義及目的 所謂塑性加工係利用工具、模具，施加外利於胚料上，使胚料產生塑性變形成吾人希望形狀，此種加工為塑性加工。 塑性加工除可改變外，另以大的外力施壓於胚料上，胚料因受極大壓力，而使結晶組織得以改善，因此成品的機械性質提昇。亦即塑性加工的目的，除了將胚料加工成所需要的形狀外，對於加工成行品的機械性質有所改善。 2
塑性加工的種類 塑性加工如以作用例來區分有： 1. 直接壓力型：如鍛造 2. 間接壓力型：如拉線、擠型，拉管、引伸 3. 拉力型：如伸延 4. 彎力型：如彎片、彎管 5. 剪力型：如衝胚料或衝孔 以加工後為成品或半成品可分為： 1. 成品加工：此為經塑性加工後，不需要再經其他的加工即為成品，此類有版金或衝壓成型，拉線及拉管加工等，以及其他不需要再加工者。 2. 半成品加工：此類為屬第一次塑性加工，將金屬錠或胚料加工成簡單的初級品，如金屬片、板、或棒材等。 3
影響塑性加工的因素 要成功的完成塑性加工，必須了解塑性加工工程中，影響塑性加工的因素，這些因素有溫度、加工速率、材料特性、摩擦、潤滑及加工應力等。 1.
溫度 溫度越高變形量可較大，加工硬化可減少，可消除鐵錠中的氣孔，加工成型容易，但對成型品有產生不良的氧化層，熱帳冷縮關係使成型品尺寸較難控制。常用於第一次加工，加工後需要再經其他方式加工。 加工速率之影響 1. 對冷加工之影響 加工速率增加幾十倍或幾百倍，對於變形只有增加20 %，影響可謂不大，但重要的是加工速率對鋼而言，將造成對其發生延性轉脆的溫度，亦即高變形率很可能導致脆性範圍而使金屬不能加工。 2. 對熱加工的影響 加工速率對熱加工之變形影響很大，由於高速成型，弓箭溫度再加工時停留時間很短，故達到再結晶之最低溫度及最溫度及最低的熱加工溫度需提高。 3.爆炸成型 爆炸成型可造型出高強度的材料而不會有反彈的現象，金屬流變迅速，材料能確實填滿模窩各處，可完成其他方法所不能完成的加工。 材質因素 即材料成分及內部組織對加工的影響。一般而言，烙點愈高的純金屬，愈不易加工成型。如加入其它合金元素，可降低金屬之烙點，熱作溫度可以降低。至於中碳、高碳鋼中若有網狀雪明碳鐵，則會嚴重妨礙變形加工。儒家以球化退火處理，所得球化組織則利用於塑性加工。至於沃斯田鐵系的塑性加工中，也往往由於在加工途中，沃斯田鐵產生肥粒鐵的變態，而增加加工的負荷。 摩擦與潤滑 塑性加工中，工件與模具所發生的摩擦為必須考量的因素。 為了正確處理摩擦所發生的問題，潤滑劑的使用為最佳的解決方法，因其可減少變形的負荷，可控制工作表面品質，減少工件產生黏模現象，緩和模具的摩損，以及適當的冷卻摩具
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主要鋼材介紹 |
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(一) 碳 含碳量高低對碳鋼熱處理性的影響頗大。共析鋼之硬化能最大，亞共析鋼及過共析鋼皆次之。含碳量在0.3%以下之鋼甚難處理硬化，但較軟而易加工，故一班均在軋延後用之。含碳0.3%以上之剛易於熱處理而不易加工，成型之前尚須先行製程退火，加工完畢再行必要之他種熱處理，用於機械零件，兵器零件等。 (二) 錳 錳常與鐵共存，故碳鋼內多少含錳。鋼內之錳易與硫結合，以消除硫之有害影響，此外並能除去鋼中氧化物。低碳鋼中之錳固溶於肥粒鐵內，有使之增強的效果，為Mn量在0.30%以下者，其增強的效果不大。高碳鋼中，錳與碳結合成Mn3C，且與Fe3C相溶合成，更增強其強度及硬度，為延性則降。含碳及錳量低時，錳雖不影響高溫鍛延性，卻有害其常溫之可鍛性。 (三) 矽 矽在鋼內有防止氣孔形成，增進收縮作用，且有助於鋼液流動性等益處。缺點為有降低碳在鋼中溶解的趨勢。矽可促進Fe3C之分解(石墨化)，若含矽量夠高，且經適當處理，鋼內的雪明碳鐵會分解，釋出石墨，成為石墨鋼。普通鋼料含矽量在0.3%以下者居多；變壓器所用之矽鋼片含量高達4.0~4.25%；彈簧鋼含矽1.8~2.2%間；後兩者已屬合金鋼的範圍。矽含量在1.85%以下時可完全固溶於肥粒鐵內。 (四) 磷 磷在鋼內含量很少，普通鋼品之含磷量限於0.05%以下；故磷大多固溶於肥粒鐵，使其晶粒粗大化，降低延、軔性而增高強度、硬度；磷使鋼在低溫時變脆而具有冷脆性，故含帶地方使用之鋼品，含磷量限在0.04%以下。磷有助於鋼之耐大氣腐蝕性，但在鋼中易起偏折，即使高溫加熱亦不擴散而原封留下，於軋延或緞造後成為細長帶狀，在顯微鏡下視之如線，稱為魔線，為鋼材破壞之禍根之一。 (五) 硫 硫有助於鋼的易切性，但含硫量高者含錳須多(錳量宜為硫量之3.8倍)，否則鋼料即有熱脆性，易在熱軋時斷裂。鋼內含硫量之多寡及偏析狀況可用硫印法觀查。
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金屬與合金概述 |
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一 金屬及合金之定義 金屬試紙具有延展性及電、熱傳導性，有光澤之結晶性元素。此一金屬之外在特性為主的定義，在實用上既簡單而合理。較廣義而已金屬之內在本質為主的定義，乃依據其結晶特性及化學鍵性下達： 「金屬是一種結晶性物質，其原子易失去外層電子，行成陽離子及自由電子，陽離子界其周圍之自由電子氣團結合起來；每一陽離子皆儘可能多吸引幾個鄰近離子，造成密排之短鍵結。」由於自由電子不屬於任何特定的離子，可以任意游動，形成一種電子氣團，因此金屬可以傳電、導熱，又具有光澤、不透明之特性。由於它具有密排的短鏈結，因此具有相當的強度、延展性及高密度。此一定義尚指出金屬原子是電子之授與者，會形成陽離子且在氫、氧結合後易形成鹼性化合物，符合金屬之化學特性。故此定義在學理上較具有一般性且較嚴密。 迄今，為人類所發現的元素計達105種；其中合於上述金屬定義者共計有79種，不合於上述定義之非金屬元素有19種；另有7種元素部分特性合於上述定義，其性質介於金屬與非金屬之間，稱為半金屬。 合金簡單的說係由兩種或兩種以上的金屬組合而成的物質，如黃銅為銅鋅合金、青銅為銅錫合金等是。但更廣義的合金尚包含由金屬與非金屬組合而成者，如鋼為鐵、碳合金。故合金的最適切定義為「在一種金屬裡面，加入他種金屬或非金屬，所形成具有金屬特性的物質。」 在學術上，金屬係指純金屬元素而言；然而，即令科學公藝進步如今日，百分之百純度的元素殆不可得；因此所謂純金屬，實乃一種相對的說法。在純金屬內，那些不請自來的、不受歡迎的元素或化合物即為雜質；反之為了某種目的而加入或特別保留的元素稱為「合金元素」。一般所稱隻純金鼠，只不故意加入合金元素之精鍊金屬。金屬的純度對電性的影響特別大，例如用作導線的純銅需為99.9 % 以上，用於半導體之純度有高達99.999…..9 十二個九者。高純度金屬常以其純度99.9…..9 % 中九的個數稱呼其純度。 合金依期所含合金元素種類，可分為二元合金、三元合金、….等等，分別指分為二種、三種、…之合金。 在不需要作嚴格劃分時，可用「金屬」一詞概括純金屬與合金兩者。 二 金屬與合金之通性 金屬具有下列公通的特性: (1) 常溫時為固體且為晶體(汞除外) (2) 富於延展性(亦即塑形變形性) (3) 為熱,電之良導體 (4) 不透明而具有金屬光澤 (5) 除鋰,鈉,鉀外;比重恆大於一.通常比重大於4者稱為重金屬,如鐵,銅等就是.小於4者稱為輕金屬,如鋁,鎂等是. (6) 氧化物或是輕氧化物若能溶於水,多呈鹼性反應(但有些為例外) 純金屬添加合金元素配置成合金後,會有下數性質發生變化: 1.熔點降低:例如,純鐵熔點為1535度,但含碳3.5%支柱鐵熔點降至1200度附近,此點在工業上甚具意義,因為合金較易融化,可在較低溫度行鑄造作業. 2.強度,硬度升高:以純鋁和鋁銅合金比較,合金的強度會增大兩倍以上 3.延姓降低:以鋁為例子,純鋁的伸長率為45%,合金則降為22% 4.電阻增大:這種元立可以製造高電阻電熱器 5.導熱度降低 6.熱處理性能增進:純金屬皆無法以熱處理改變其機械性能,但某些純金屬配成合金後即可熱處理.最顯著者莫過於碳鋼,合金鋼等可以淬火,回火,退火…..等加以處理而純鐵則否;他如銅合金,鋁合金及鎂合金等可藉析出硬化(時效硬化)改善其強度而純銅,純鋁及純鎂及否.這點在機械上尤為重要,堪稱合金之最重要特性. 7.耐蝕性變化:純鐵及一般碳鋼無耐蝕性,添加多量銘或鎳等金屬配成之不銹鋼即具有非常優良的耐蝕性。但純鋁的耐蝕性極佳，有些機屬的合金耐蝕性反而會變插，這點不可不注意。 8.磁性變化:純鐵圍牆磁性材料，但若配置成沃斯田不秀剛則無磁性；又A1為非磁性體，但若與定量Ni, Co, Fe配成Alnico合金，其磁性可數倍於純鐵者；Cu無磁性，但與Ni及Fe配成Cunife合金後變成強磁性。 由上觀之，純金屬配成合今後，機械及物理、化學性質均獲得改善；吾人可隨機械、器具、裝置等設計之需要，選用適當的合金元素並控制其用量，配置成合用的合金，以此之故，今日所使用的金屬材料多為合金。事實上除了少數一些特殊例子，如純銅、純銀和純鋁只能用作導體，純金用於裝飾、電子工業，純鋁有時用於防蝕，此外純金屬幾乎沒有什麼用途。 三 工業用金屬材料之種類 金屬元素雖多達七十餘種，工業上常用的卻不到六十種，而其中價格低廉、存量較豐的也只限於銅、鐵、鉛、錫及鋁、鎂、鋅、鎳等八種，前四種自古已有，後四種則為相當新的金屬。 按照工業上使用的重要性劃分，金屬有三類： 第一類為最重要的金屬，及上述銅、鐵、鉛、錫、鋁、鎂、鋅、鎳等八者。 第二類為次重要的金屬，至少有十四種，包掛鉻、錳、鎢、鈷、鈦、汞等… 第三類為貴金屬，包掛金、鉑、銀、銥等….. 工業用金屬材料又常以鐵是否回主要成分而區分為鐵類、非鐵類兩大類 鐵類金屬材料泛指以鐵為主成分之合金，如熟鐵、鋼、鑄鐵及合金鋼等是。 非鐵類金屬材料泛指上述除外之金屬材料，如鋁、銅、鎂、鋅、鈦吉他們的合金。 到目前為止，鐵類金屬的使用量大於所有非鐵金屬使用量的總合。
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