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* 工 程 材 料 教學投影片 第三章 金屬材料 92/7/3 §3-0 學習重點 (一)金屬材料之特性 (二)金屬材料之分類→鐵金屬、非鐵金屬 (三)合金之種類→合金鋼、鑄鐵、低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、不銹鋼 (四)非鐵金屬→重要者、次要者、合金元素 (五)金屬之結晶構造→體心方格子、面心立方格子、六方密格子 (六)金屬材料晶體點缺陷→空位缺陷、格隙缺陷、置換型缺陷、Frenkel缺陷、 Schottky缺陷 (七)鋼鐵之製造→煉銑、煉鋼(轉爐煉鋼法、電爐煉鋼法、平爐煉鋼法) (八)金屬材料之加工方法→鍛造、軋壓、拉製、壓製、擠壓 (九)鋼鐵之熱處理→淬火、回火、退火 (十)表面硬化處理→物理性表面硬化法、化學性表面硬化法 (十一)金屬材料之試驗→抗拉試驗、硬度試驗、衝擊試驗 (十二)影響工程材料腐蝕之環境特性 (十三)風化作用→物理性風化與化學性風化 §3-0 學習重點 (十四)腐蝕之種類→均勻、流電、罅隙、挖坑、顆粒間、應力、腐蝕疲勞、沖蝕 、選擇性、高溫、露點 (十五)鋼筋之腐蝕 (十六)鋼筋受腐蝕情形→陽極、陰極、電導通路、電流、電解溶液 (十七)防止鋼筋銹蝕方法→設計階段、施工階段、材料選擇階段 (十八)鋼筋之保護層厚度規定 (十九)防蝕材料→熱浸鍍鋅之特性、製程 (二十)防蝕管理→腐蝕之檢測方法、金屬材料之防蝕方法 §3-1 概述 一般金屬材料的特性： (一)固體狀態時，構成結晶體。 (二)延展性強，具有很大之塑性變形能力。 (三)抗拉、抗壓、抗剪、抗扭強度大。 (四)因比電阻及比熱小，為電和熱的優良導體。 (五)具有相當之硬度，抗壓力大。 (六)雖不透明但具有特殊之金屬光澤。 §3-2 金屬種類 §3-2-1 鐵金屬 鐵金屬→鐵與合金鋼 鐵製品係由鐵礦砂提煉，經由加工過程製成各種所需用途之製品。 鐵金屬中之合金係指兩種以上之金屬或金屬與非金屬互相融合，而具有金屬各種性能之材料。但非金屬元素含量過多時將失去金屬之性質，如此即不為合金。 合金之種類： (一)合金鋼(alloy steel)→係指鋼內除碳(carbon)之外，還混有矽(Si)、錳 (Mn)、磷(P)、硫(S)等元素，而這些元素與碳(C)合稱為鋼之五元素。 (二)鑄鐵→為鐵、碳、矽的合金，其中含碳量2%以上 (三)碳鋼→係鐵與碳之合金，通常碳含量為0.02%～2%範圍之鋼。 (1)低碳鋼→含碳量0.03%～0.3%之碳鐵合金 (2)中碳鋼→含碳量0.35%～0.55%之碳鐵合金 (3)高碳鋼→含碳量0.6%～1.5%之碳鐵合金 (四)不銹鋼→於鋼中加入12%的鉻及8%的鎳，可抵抗腐蝕而不生銹。 §3-2-2 非鐵金屬 (一)重要者→常使用之工程材料，如鋁、銅、鉛、鎂、鎳、錫、鋅等。 (二)次要者→銻、鉍、鎘、汞、鈦等。 (三)合金元素→鉻、鈷、鉬、鎢、釩等。 非鐵合金種類→(1)鋁合金(2)鎂合金 (3)銅合金(4)鈦合金(5)鎳合金(6) 鋅合金 §3-3 金屬結構 金屬材料拉斷後，在其斷面處可發現許許多多之微細顆粒稱為金屬晶粒。一般金屬晶粒大小為0.01～0.1mm，其形狀為不規則之多角形。金屬材料乃由許多微細結晶體集合組成，此種金屬晶粒之集合體稱為結晶體。結晶體中晶粒與晶粒之交界稱為晶界[圖3-3-1]。 §3-3-1 結晶構造 壹、體心方格子 純鐵在常溫下之原子排列呈體心方格子(body-centered cublic lattice，簡稱BCC)[圖3-3-2]狀態，立方格子之每邊均等長，格子之每個角各為一個鐵原子所佔有，立方格之體心位置亦為一個鐵原子所佔有，該格子共有9個原子，體心方格子結晶構造如α-鐵、鉻、釩等均屬之。 貳、面心立方格子 銅在常溫下之原子排列呈面心立方格子(face-centered cublic lattice，FCC)[圖3-3-3]狀態，該格子與體心方格子雖同為等邊長之立方體，但銅原子除了於立方體之8個頂點配置一原子外，尚於6平面之中心點上各配置一原子，該格子共有14個原子，面心立方格子結晶構造如金、銀、銅、γ-鐵、鋁等均屬之。 參、六方密格子 六方密格子(close-packed hexagonal lattice，簡稱HPC)[圖3-3-4]係於六方柱之12個頂點及上下平面之中心點上各配置一原子，並於中心層加三個原子，該格子共有17個原子，如鈷、鋅、鈦、鎂、鎘等均屬之。 §3-3-2 晶體缺陷 (一)空位缺陷 (二)格隙缺陷 (三)置換型缺陷 (四)Frenkel缺陷 (五)Schottky缺陷 §3-4 鋼鐵之製造 鋼之原料為一種氧化鐵狀態之鐵礦砂，須先於熔礦爐還元成鐵(銑鐵)，因銑鐵含碳等不純物太多，須再經煉鋼爐脫碳精鍊成鋼，