第十三章材料的種類與應用掃描式電子顯微鏡照片顯示一種玻璃-陶瓷材料的顯微組織，其中細長狀葉片組織使得此材料具有非常優良的強度與韌性。

X 65,000(照片由L R. Pinckney and G.J Fine of CorningIncorporated提供)。

本章章節•13.1 簡介•13.2 鐵屬合金•13.3 非鐵合金•13.4 玻璃•13.5 玻璃－陶瓷•13.6 黏土製品•13.7 耐火材料•13.8 磨料•13.9 水泥•13.10 先進陶瓷•13.11 鑽石與石墨•13.12 塑膠•13.13 彈性體•13.14 纖維•13.15 各種應用例•13.16 先進高分子材料為什麼要研習材料的種類與應用？工程人員經常需要選擇適當的材料，因此必須熟悉各種不同材料的特性，也必須使用擁有大量材料性質的資料庫。

13.1簡介（Introduction）•在許多場合中，工程師必須針對不同的用途選用適當的材料。

•因此，負責選擇材料的人員，必須熟悉可供選用材料的資訊。

本章將對各種金屬合金、陶瓷、高分子材料之性質與限制，作全面性的介紹。

金屬合金的種類（Types of Metal Alloys）•金屬合金以成份區分成兩大類：鐵屬合金與非鐵屬合金。

•以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵。

本章先討論鐵合金特性，隨後再說明非鐵屬合金。

鐵屬合金（ferrous alloys）•以鐵為主要成份，產量居所有合金之冠，與建築材料一樣重要。

•鐵屬合金用途廣泛的原因包括：（1）在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物，（2）鐵與鋼的提煉、精煉、合金化等製程皆十分經濟，（3）鐵屬合金種類多，具有廣泛的機械及物理性質。

•本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份、顯微組織及性質。

圖13.1 顯示各種鐵屬合金的分類。

鋼( Steels )•鋼為鐵－碳合金，並可能包含多種其他種類的合金元素；不同的化學成份或熱處理程序，使得此種合金種類多達數千種。

•鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅，其含量通常皆在1.0 wt% 以下。

•一般鋼材以碳含量多寡而分為低、中、高碳鋼，更可進一步以其他合金元素來區分。

普通碳鋼（plain carbonsteels）中除了碳與錳之外，只有殘留不純物合金鋼（alloy steels）則另外加入特定的合金元素。

低碳鋼( Low-Carbon Steels )•低碳鋼是鋼中產量最大的種類，其碳的成份大都低於0.25 wt%，因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵，須藉由冷加工來強化。

•另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 （highstrength, low-alloy steels；HSLAsteals），其中包含的合金元素有銅、釩、鎳及鉬等等，總合金含量高達10wt%，強度優於普通低碳鋼。

圖13.1 各種鐵屬合金的分類表13.1a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份表13.1b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典型應用例中碳鋼( Medium-Carbon Steels )•中碳鋼的碳含量介於0.25 到0.60 wt% 之間，這些合金可藉沃斯田鐵化、淬火、回火等熱處理程序而強化，大多含有回火麻田散鐵的組織。

•多種中碳合金鋼的成份列於表13.2a。

關於規範的說明如下：美國汽車工程師協會（SAE）、美國鋼鐵學會（AIS I）及美國材料試驗協會（ASTM）提供這些鋼及其他合金的分類及規範。

高碳鋼( High-Carbon Steels )•高碳鋼的碳含量多在0.60 到1.4 wt% 之間，是碳鋼中強度最佳，硬度最高，但延性最差的鋼種。

高碳鋼都是熱處理成為回火麻田散鐵的組織，耐磨耗並且可以作為尖銳的切削刀刃。

工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻、釩、鎷及鉬等合金元素，這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗的金屬碳化物（如Cr 23C 6、V 4C 3 及WC）。

•表13.3中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例，這些鋼用於切削工具及材料成形的模具，或是刀具、刀片、鋸片、葉片、彈簧與高強度鋼索。

不鏽鋼( Stainless steels )•在許多環境中（特別在大氣環境），有良好的抗腐蝕（生鏽）能力。

最主要的合金元素為鉻，不鏽鋼中最低含鉻量為11 wt%；添加鎳與鉬可提昇耐蝕性。

•不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類─麻田散鐵系、肥粒鐵系、沃斯田鐵系。

許多不同種類的不鏽鋼列於表13.4 ，包括其化學組成、機械性質及應用實例。

多樣性的機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣。

表13.2a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成，及其AISI／SAE 與UNS 編號系統表13.2b 油淬、回火的普通碳鋼及合金鋼，其機械性質範圍及典型應用實例表13.3 六種工具鋼之名稱、成份與應用實例表13.4 沃斯田鐵、肥粒鐵、麻田散鐵系及析出硬化型不鏽鋼之編號、成份、機械性質及典型應用實例鑄鐵( Cast Irons )•一般而言，鑄鐵為碳含量高於2.14 wt% 的鐵合金；實際上，鑄鐵中的碳約在3.0 到4.5 wt% 之間，並添加其他合金元素。

重新檢視鐵－碳化鐵平衡圖（圖10.26），顯示鑄鐵在1150 到1300 °C（2100 到2350 °F）間為液態，低於鋼的熔融溫度，因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造。

此外，部份鑄鐵很脆，鑄造是最便利的製造方法。

•雪明碳鐵（FeC ）是介穩態的化合物，在適當的情況3下，會分解成α肥粒鐵與石墨：圖13.2 以石墨（真正安定相）替代雪明碳鐵的鐵－碳平衡圖灰鑄鐵( Gray Iron )•灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於2.5 到4.0 wt%，及1.0 到3.0 wt% 之間。

大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀（像是玉米片），四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質。

典型灰鑄鐵的顯微組織示於圖13.3a。

因為存在這些片狀石墨，裂斷面呈灰色，因而稱為灰鑄鐵。

•灰鑄鐵的耐磨耗性佳。

在熔融狀態時，灰鑄鐵的流動性良好，故可以鑄造複雜形狀的鑄件，且鑄造收縮也很小。

延性(或球墨) 鑄鐵( Ductile ( or Nodular ) Iron )•鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰，或者同時加入兩者，可產生截然不同的顯微組織與機械性質。

•石墨形成球狀，而非片狀，故這種鑄鐵稱為球墨（nodular）或延性鑄鐵（ductile iron），其典型的顯微組織如圖13.3b 所示。

•延性鑄鐵的機械性質與鋼接近，例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵抗拉強度介於380 到480 MPa（55000 到70000 psi）之間，延性（伸長率）達10 到20%。

白鑄鐵與展性鑄鐵( White Iron and Malleable Iron )•低矽鑄鐵（矽含量低於1.0 wt%）加上凝固時快速冷卻，大部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在，而不是石墨，如圖13.5 所示。

因為此種鑄鐵破斷面呈白色，故稱為白鑄鐵。

•一般而言，白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而已。

圖13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片。

(a) 灰鑄鐵：黑色片狀石墨嵌接於肥粒鐵基質中，放大500 倍圖13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片(b) 延性（球墨）鑄鐵：黑色球狀石墨四周有肥粒鐵基質包圍，放大200 倍圖13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片。

(c) 白鑄鐵：淺色的雪明碳鐵區域四周有波來鐵基質包圍，波來鐵為─肥粒鐵、雪明碳鐵的層狀組織，放大400 倍圖13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片。

(d) 展性鑄鐵：黑色薔薇狀石墨（回火碳）散佈於肥粒鐵基質中，放大150 倍表13.5 各種灰鑄鐵、球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號，最低機械性質，約略成份與典型應用例表13.5 各種灰鑄鐵、球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號，最低機械性質，約略成份與典型應用例圖13.4 (a) 鋼與(b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較圖13.5 鐵－碳平衡圖中商用鑄鐵之成份範圍。

同時也顯示不同熱處理所得到之顯微組織，Gf ：片狀石墨；Gr：薔薇狀石墨；Gn：球狀石墨；P ：波來鐵；α：肥粒鐵•鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大，因為它們具有廣泛的機械性質，易於生產，且價格低廉。

然而這些金屬也具有一些獨特的限制：（1）高密度（2）低導電度（3）在一般環境中易腐蝕。

•合金若脆性高，無法以大量塑性變形而成形，須以鑄造方式形成，這種合金稱為鑄造合金（cast alloys）。

相反的，適合塑性變形而成形的合金，稱為鍛造合金。

銅及其合金( Copper and Its Alloys )•銅及其合金因具有良好的物理性質，自古以來就使用在多種不同的場合。

純銅過於柔軟且延性佳，因而不易加工，而且冷加工性不佳。

•青銅（bronzes）為銅與數種其他元素如錫、鋁、矽及鎳的合金。

這種合金的強度比黃銅稍高，且耐蝕性更佳。

表13.6 中列出數種青銅的化學成份，性質及應用例。

一般而言，青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合。

表13.6 八種銅合金之成份、機械性質與典型應用例表13.6 八種銅合金之成份、機械性質與典型應用例鋁及其合金( Aluminum and Its Alloys )•鋁及其合金的特點為低密度（2.7g/cm3，而鋼的密度為7.9g/cm3），高導電度與導熱性，在一般大氣的環境中耐蝕性良好；大部份此類合金的延性佳，易於成型，此由鋁可輥軋成鋁箔片可以看出。

•鋁具有FCC 的結晶構造，所以其優良的延性可以保持到低溫。

鋁合金的最大限制為其低熔點660°C（1220°F），限制了鋁合金的使用溫度。

表13.7 數種常見鋁合金的成份、機械性質與典型應用例表13.7 數種常見鋁合金的成份、機械性質與典型應用例表13.7 數種常見鋁合金的成份、機械性質與典型應用例鎂及其合金( Magnesium and Its Alloys )•鎂最重要的特性是密度只有1.7 g/cm3，是所有結構材料中的最低值。

因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合，如飛行器的零件。

鎂具有HCP 的結晶構造，質軟，且彈性係數僅有45 GPa（6.5×106psi）•鎂合金可分為鍛造及鑄造合金，其中有部份可以進行熱處理。

主要的合金元素包括鋁、鋅、錳及一些稀土族元素。

成份─熱處理的編號系統與鋁合金相近，表13.8 列出多種常見鎂合金之化學成份、性質及用途。

鈦及其合金( Titanium and Its Alloys )•鈦及其合金係新型合金，具有良好的性質組合。

純鈦的密度相當低（4.5g/cm3），熔點高［1668℃（3035℉）］，彈性係數達107 GPa（15.5×106psi）。

鈦合金的強度極高，室溫的抗拉強度達1400 MPa（200,000 psi），比強度值很高。

此外，鈦的延性佳，易於鍛造及加工。

•表13.9 中列出了一些鈦合金的化學組成、典型性質及應用例子。