Chapter 3 材料之機械性質

本章架構 3.1 前言 3.2 張力 3.3 壓縮 3.4 扭力 3.5 彎曲 3.6 硬度 3.7 疲勞 3.8 韌性 3.9 損壞 3.10 破裂 3.11 材料使用的性能 3.12 設計考量

3.1 前言

前言 本章節討論和塑性變形相關的機械特性，將分別就變形模式，應力，施力變形率，溫度，硬度，殘留應力與降伏標準等加以論述。

製造過程中所使用的材料之特性(物理、化學、機械等特性)，是相當重要的。重要特性包括： ◆強度：支撐負荷的能力使不變形、破裂 ◆硬度：抵抗磨耗的能力 ◆韌性：抵擋衝擊的能力 ◆安定性或腐蝕性：不易氧化、鏽蝕 ◆其他：重量、體積、成本及取得的難易 我們都必須了解某些材料特性，能使用長久的，相對的也因而難以加工製造。這也就是我們要檢視不同型態的材料與其不同特性的原因。

◆物理特性是並未改變材料之化學本質，而可觀測得到的物性。 ◆熔點與沸點　熔點與沸點被看成物理特性是因為當熔化或沸騰時，其分子結構並未改變。 表4-1 某些金屬的熔點與沸點 金屬　　　　熔點(。C)　　　　沸點(。C) 　水銀　　　　-38.9 256.6 　鋁 660 2057 　銅 1083 2336 　鐵　　　　 1535 3000 一般而言物質有較高的熔點也能在較高溫環境中保有其強度(911雙子星大樓鋼骨軟化)

物理特性 ◆熱膨脹 熱膨脹是另一物理特性，其在某些應用上是相當重要。一般來說，固體受熱就會膨脹。如： 　　　鐵軌各段間隙 　　　大樓之間的伸縮縫

化學特性 化學特性的變化是物質中分子結構改變所造成的，如很多腐蝕的過程，金屬變成氧化物。如鐵的生銹。 ◆材料氧化難易可評判其抵抗腐蝕的能力。幾乎所有金屬都會氧化，因此在腐蝕環境中，如何避免氧化是很重要的。 ◆另一方面來看，陶瓷材料(已經是金屬氧化物)或是複合材料就經常使用於高溫的環境中，而不會起化學反應，而使材料劣化。

機械特性 機械特性被認為是製造加工重點，一般而言，機械特性會影響材料成形的難易。 ◆拉伸試驗　材料的機械特性常以拉伸試驗來決定，此試驗方式為，當試片承受負荷，一開始的變形是彈性的，彈性意指此變形是可回復的，也就是與負荷成線性關係，換句話說兩倍的負荷造成兩倍的變形。 ◆彈性係數　又稱楊氏係數，必須將負荷表示成應力，也就是單位截面積所受的力。 　　　　　　　　σ=F/A

機械特性 應變 應變也就是單位長度的伸長量 ε=δL╱L 應變　應變也就是單位長度的伸長量 ε=δL╱L 　　δL　是長度的變化量，L是試片原來的長度，因為δL與L的單位相同，因此應變是一個無單位的量。 ․真應力對工程應力　當試片被拉伸時試片的斷面積與長度會有些變化 ․對微小的變形而言　以此兩種方式所計算之值，並不會造成太大的不同，但在極端的情況時，此二方式工程應力與真應力，就會產生很大的差異。 ․工程應力就是負荷除以原來斷面積，真應力是負荷除以實際的面積。 ․當試片變形相當大時，其斷面積亦減少，因此在工程應力與真應力間就產生極大的變化。

機械特性 塑性變形　當材料拉伸超出其彈性範圍，就造成無法復原的變形，當外力除去時材料無法回復至其原來狀況，此變形就是塑性變形，也就是永久變形。 ․脆性破壞　材料在最後都會破壞，當破壞時材料試片的塑性變形很小時，稱為脆性破壞。相對當材料能有大的塑性變形，就稱為延性破壞。 ․韌性　延性破壞一般較脆性破壞需要更多的能量，材料能有塑性變形時，在受衝擊時就比脆性材料更不易破壞，這種能抵抗衝擊負荷的能力，稱為韌性。 ․硬度　以一壓痕器以一標準的壓力壓入材料表面所產生的塑性變形量，稱為硬度。包括：勃氏硬度HB，洛氏硬度HR，維克氏硬度HV，蕭氏硬度HS。

3.2 張力

3.2 張力 3.2.1 應力-應變曲線 3.2.2 頸縮 3.2.3 延展性

3.2 張力 張力試驗(tension test)是探討材料機械性質最普遍的一種試驗。

應力-應變曲線(2/6) 工程應力(engineering stress) 或稱為公稱應力(nominal stress)定義為 單位面積A0(即受拉力作用前試片的截面積)所受負荷P(即拉力)之比值。即：

應力-應變曲線(3/6) 工程應變(engineering strain) e，是對應力的反應單位，以比率(或百分比)表示。故無單位。若受張應力時，符號為正；受壓力應力時符號為負。定義如下：

應力-應變曲線(5/6) 通常強度(strength)是產生損壞所需的臨界應力，如表3.1

3.2.2 頸縮(1/5) 當試片在拉力超越降伏應力Sy (yield stress)或稱降伏強度(yield strength)時仍繼續加強，其截面積明顯均勻地收縮形成永久變形，惟至最大拉力後，即刻有不均勻而急速的頸縮(necking)現象產生。如圖3.3，最後導致斷裂(fracture)。

頸縮(2/5) 材料在永久斷裂前所能忍受之最大應力，稱之為材料之極限應力 或最大抗拉強度 (ultimate tensile strength, UTS)，SF為破壞應力，在SF處P為最大值。

3.2.3 延展性 延展性(ductility)是表示材料受到彎曲，抽拉，伸展，成形，或永久扭曲時而未斷裂的情形。

3.5 彎曲

3.5 彎曲 脆性材料通常應用彎曲試驗(bend of flexure)來測定其性質。 三點彎曲試驗 四點彎曲試驗

3.6 硬度

3.6 硬度 3.6.1 硬度試驗 3.6.1.1 勃氏硬度試驗 3.6.1.2 維克氏硬度試驗 3.6.1.3 羅普氏硬度試驗 3.6.1.4 洛氏硬度試驗 3.6.1.5 莫氏硬度試驗

勃氏硬度試驗 HBN被定義為負荷量與凹痕的彎曲表面積之比值

維克氏硬度試驗 又名鑽石錐尖硬度試驗。 其法依量測試件的硬度和厚度而決定鑽石錐尖所需用負荷，其負荷可由1至120kg，然後由壓痕的量測決定試件的維克氏硬度指數DDH。

羅普氏硬度試驗 此法和維克氏硬度試驗法一樣使用鑽石錐尖為壓痕器(見表3.2)，其負荷可由25g至5kg。以KHN來代表。

洛氏硬度試驗 以量測鑽石壓入的深度取代勃氏壓痕的直徑量測，使用較為普遍及廣泛。

莫氏硬度試驗 天然材料的硬度幾乎均參考莫氏硬度標準作為比較量使用。 最古老的硬度等級法。

硬度

3.7 疲勞

3.7 疲勞 材料往往重複施加的負荷而斷裂，而讓每一個別的負荷均度足以引起材料一次斷裂者，此現象稱為疲勞斷裂(fatigue failures)

3.8 韌性

3.8 韌性 韌性(toughness)是斷裂破壞所需的能量，單位為焦耳。

3.8.1 衝擊 衝擊(impact)試驗已被廣泛地用於取得韌度(toughness)數據。 常用夏普(Charpy)及尹筑德(Izod)兩衝擊試驗法。

3.9 損壞

3.9 損壞 損壞的發生可分為破裂(fracture)損壞，高溫損壞，輻射(radiation)損壞及腐蝕(corrosion)，此均起因於機械負載，熱引發反應，輻射變化及材料與其環境的化學作用。

3.10 破裂

3.10 破裂 延性(ductile)破裂 脆性 (brittle)破裂 當裂縫成長前有少許的塑性變形 脆性 (brittle)破裂 裂縫傳播速率快速，且沒有粗糙的變形和及小的微觀變形。 韌度(toughness)的一種量測是應力-應變曲線下的面積；若無塑性變形，則面積為se/2，或Ee2/2。

3.11 材料使用的性能

3.11 材料使用的性能 工程師必須能慎選合適之材料或能量於產品，設備的需求上。且必須考慮產品在使用時的性能，不僅包括材料與成份的要求，而且包含對材料使用時變化的考量。

3.12 設計考量

3.12 設計考量 最強的材料可能無法忍受衝擊負載，因為高強度材料往往不具韌性(toughness)。 使用高抗腐蝕的材料。 用鋁來當電導體遠比銅來得便宜，但需要特殊的技術做端點結合，以避免高電阻及熔解。 時效硬化鋁被廣泛地應用於飛機結構上，因為他是最高之強度/重量比值中的一種。

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