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第二章 工程材料 前言 2.1 金屬材料之性質 2.2 鐵系金屬材料 2.3 非鐵系金屬材料 2.4 非金屬材料 前言 材料應用的演變是人類文明發展的里程碑。 石器、陶器、銅器和鐵器時代，即是以當時的人製造工具和日用品的材料做為區分基準。 近年來塑膠，半導體和複合材料等的發明和應用，更是導致加工技術的突飛猛進，生產出各種大量或更高精度的產品。 前言(續) 材料的進步主導著人類科技文明的發展和生活品質的提升。 材料是製造系統的關鍵因素之一，故了解工程材料本身的組成和特性已成為從事製造相關研究或產業之人員所必備的知識。 材料在設計階段被選用的主要考量是它所具備的性質(Properties)可以符合產品的功能要求。 前言(續) 對工程材料言，材料性質中的機械性質是最主要的評估因素，其次是物理性質及化學性質。 材料性質是由組成的成分(元素或化合物)和其組織所決定，並且會影響材料的加工性和使用特性。 材料的組織有結晶和非結晶兩種形式。 前言(續) 結晶 原子在晶粒內有一定規則的週期性排列，並由許多晶粒構成所謂的結晶組織材料，例如金屬和陶瓷。 晶粒內原子的排列方式，例如金屬結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，都會造成材料性質的不同。 非結晶 材料的組成原子無一定規則排列的特性者稱之為非結晶組織材料，例如玻璃和塑膠。 前言(續) 一般可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材料和無機材料，詳如圖2.1所示。 有機材：由動植物細胞轉變而成，為碳化合 物，可溶於有機液(如酒精)但不溶於水 。 無機材：指可以溶於水的礦物，一般言其抗熱能力優於有機材料。 前言(續) 前言(續) 材料組成之原子間的鍵結方式 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(Metals)、陶瓷(Ceramics)和玻璃(Glasses)材料、聚合體材料(Polymers)(又稱高分子材料，或塑膠材料)，複合材料(Composite Materials)和電子材料(Electronic Materials)等五大類。 前言(續) 金屬材料之優點 目前用量最多的工程材料 扮演承載負荷及耐熱結構的重要角色 種類及產量很多，具有許多優良的性質，人類對其特性也較了解 較易於加工或成形，並且價格方面相對於同等級的其他材料較為便宜 前言(續) 隨著能源或環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，被應用到工業級的高溫爐或高速切削的刀具上。 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，工程方面的機械零件、襯墊、外殼構件等都可見到。 前言(續) 新材料的研發及應用 複合材料 由金屬、陶瓷或聚合體材料所組成。 利用不同材料的特性，截長補短以滿足對此新材料須具備之特定性質的要求。 重量輕又具高強度。 應用範圍廣泛涵蓋從休閒器材 、釣竿，到尖端科技的飛機、太空梭等。 前言(完) 奈米材料的生產與應用 許多國家早已投入龐大的研發人力與資金。 可預期地奈米材料的開發，未來將影響人類生活至鉅。 半導體材料 電腦工業發展的主角。 電腦對機械製造的重要性極為顯著，惟電子材料無法被加工成結構體來使用。 2.1 金屬材料之性質 2.1.1 化學性質 在大氣環境中，金屬的表面會生成非金屬化合物而被逐漸侵蝕消耗，稱此現象為腐蝕(Corrosion)。 腐蝕的發生是金屬材料本身的化學性質所導致，隨材料的不同而有很大的差異。 金屬腐蝕發生的狀態可分為沒有水分的化學腐蝕和有水分的電化學腐蝕兩種。 2.1 金屬材料之性質(續) 氧化(Oxidation)作用 最常見的化學腐蝕，可發生在常溫或高溫的狀態 金屬元素在化學反應上具有較活潑的特性 容易和氧產生反應形成氧化物薄膜。 氧化作用會隨著時間的經過步不斷地進行，如鐵系材料的氧化物薄膜又稱鐵銹，在表層形成後會自母材剝落而不能隔絕氧繼續和內部材料的接觸。 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，因此發展出使其氧化層增厚的製程。 2.1 金屬材料之性質(續) 電化學腐蝕 指金屬材料受到周圍環境中的水分或化學溶液等介質的作用，產生電子轉移及金屬本身的離子化(Ionization)的現象，並稱此處為陽極。 失去電子的金屬以陽離子狀態溶入水中形成電氣回路，在陽極