機械材料Ⅰ教師手冊第1章(張版)

1. 第 1 章 緒 論 1
第 1 章 緒 論
一 相關知識補充
1. 金屬與合金比較表
項目 金屬（純金屬） 合金
形態 常溫固態結晶體（汞除外）同金屬
比重 均大於 1（鋰、鈉、鉀＜1）同金屬
熔點 固定 一溫度區間，隨成分金屬含量改變
導電、導熱性 電、熱良導體 較成分金屬差
機械性質
強度、硬度、韌性較弱、延
展性佳
強度、硬度、韌性、耐磨耗較佳，但
延展性較成分金屬差
化學性質 抗腐蝕性較弱 改善抗腐蝕性
加工性 具塑性變形易加工 較成分金屬不易加工
2. 常見 7 種晶系與 14 種 Bravais 晶格
晶系 晶軸及夾角 Bravais 晶格 形狀模擬
立方（Cubic）
(1)三軸相等，三夾角
相互垂直。
(2)軸：a=b=c
(3)夾角：α=β=γ=90°
(1)簡單立方
(2)面心立方
(3)體心立方
六 方
（Hexagonal）
(1)兩軸相等呈 120°，皆
與第三軸垂直。
(2)軸：a=b≠c
(3)夾角：α=β=90°、
γ=120°
簡單六方

2. 2 第 1 章 緒 論
晶系 晶軸及夾角 Bravais 晶格 形狀模擬
正 方
（Trtragonal）
(1)兩軸相等，三夾角
相互垂直。
(2)軸：a=b≠c
(3)夾角：α=β=γ=90°
(1)簡單正方
(2)體心正方
斜 方
（Orthorhombic）
(1)三軸皆不相等，三
夾角相互垂直。
(2)軸：a≠b≠c
(3)夾角：α=β=γ=90°
(1)簡單斜方
(2)斜方
(3)面心斜方
(4)體心斜方
基本面心
三 方 或 菱 形
（ Trigonal or
Rhombohedral）
(1)三軸相等，三夾角
相等，皆非 90°。
(2)軸：a=b=c
(3)夾角：α=β=γ≠90°
簡單三斜
單 斜
（Monoclinic）
(1)三軸皆不相等，僅
兩夾角相互垂直。
(2)軸：a≠b≠c
(3)夾角：α=γ=90°≠β
(1)簡單單斜
基本面心
(2)單斜
三斜（Triclinic）
(1)三軸皆不相等，三
夾角皆非 90°。
(2)軸：a≠b≠c
(3)夾角：α≠β≠γ≠90°
簡單三斜

3. 第 1 章 緒 論 3
3. 二元合金平衡圖重要形式
種
類
一
液態完全溶合，固態也完全溶合，形成固溶體狀態。
圖示
合金 Ni-Cu 合金、Au-Ag 合金、Bi-Sb 合金、Ni-Co 合金等。
種
類
二
液態完全溶合，固態完全不溶合，而生成共晶混合物。
圖示
合金 Al-Sn 合金、Bi-Cd 合金、Sn-Zn 合金等。
種
類
三
液態完全溶合，固態時有溶解度，而生成共晶混合物。
圖示
合金 Ni-Cr 合金、Ag-Cu 合金、Al-Si 合金、Pb-Sn 合金等。

4. 4 第 1 章 緒 論
種
類
四
液態完全溶合，固態時有溶解度，凝固時發生包晶反應。
圖示
合金 Au-Fe 合金、Cd-Hg 合金等。
種
類
五
液態完全溶合，固態生成金屬間化合物。
圖示
合金
Fe-C 合金（生成 Fe3C）、Mg-Pb 合金（生成 Mg2Pb）、Mg-Sn 合金（生
成 Mg2Sn）、Mg-Ca 合金（生成 Mg2Ca）等。
種
類
六
液態時有部分溶解度，固態時完全不溶合，而發生偏晶反應。
圖示
合金 Cu-Pb 合金、Zn-Pb 合金、Al-Cd 合金等。

5. 第 1 章 緒 論 5
二 自 我 評 量
一、選擇題
（ B ）1. 下列何者金屬組織較軟？ (A)結晶易、晶粒細 (B)結晶易、晶粒
粗 (C)結晶不易、結晶細 (D)結晶不易、晶粒粗。
（ A ）2. 金屬同素變態是因為 (A)結晶格子 (B)物理性質 (C)化學性質
(D)機械性質 發生變化。
（ B ）3. 常溫鐵的結晶構造為 (A)面心立方格子 (B)體心立方格子 (C)
六方密格子 (D)斜方晶格子。
（ B ）4. 下列何種結晶構造延展性較佳？ (A)體心立方格子 (B)面心立
方格子 (C)六方密格子 (D)斜方晶格子。
（ D ）5. 下列何種金屬熔點最高？ (A)鋁 (B)銅 (C)鐵 (D)鎢。
（ D ）6. 金屬材料受外力作用時，應變愈小其 (A)延性 (B)展性 (C)韌
性 (D)剛性 愈大。
（ B ）7. 金屬在液態時，若凝固速度愈慢所獲得的組織為 (A)晶粒微細
(B)晶粒粗大 (C)不一定 (D)與凝固速度無關。
（ B ）8. 下列何種金屬導電度最高？ (A)鋁 (B)銀 (C)銅 (D)鐵。
（ A ）9. 金屬受熱致使原子振動急速增加，而造成結晶格子崩壞的現象稱
為 (A)熔化 (B)凝固 (C)汽化 (D)蒸發。
（ C ）10. 純金屬在開始熔化到完全熔化此期間溫度為 (A)上升 (B)下降
(C)不變 (D)不一定。
（ D ）11. 下列何者為塑性變形加工方法？ (A)鍛造 (B)滾軋 (C)壓製
(D)以上皆是。
（ A ）12. 合金之熔點較其成分金屬為 (A)低 (B)高 (C)不變 (D)不一定。
（ D ）13. 金屬材料中的晶粒成分、粗細、形狀、方向及組合情形稱為 (A)
晶胞 (B)單位格子 (C)結晶 (D)組織。

6. 6 第 1 章 緒 論
（ D ）14. 金屬間化合物 (A)質軟，熔點低 (B)質軟，熔點高 (C)質硬，
熔點低 (D)質硬，熔點高。
（ A ）15. 合金中液相和固相均完全融合，其常溫會形成 (A)固溶體 (B)
共晶混合物 (C)共析混合物 (D)金屬間化合物。
（ B ）16. 熱加工與冷加工的區別為 (A)427℃ (B)再結晶溫度 (C)外加
力量 (D)使用模具。
（ C ）17. 可製成金屬線的塑性加工方式多用 (A)鍛造 (B)軋延 (C)拉製
(D)擠製。
（ A ）18. 造成金屬永久塑性變形的原因有 (A)外力超過彈性變形 (B)材
料經冷加工變形 (C)材料經熱加工變形 (D)以上皆是。
（ B ）19. 下列何者非體心立方格子結晶結構材料？ (A)-Fe (B)鋁 (C)
鉻 (D)鎢。
（ A ）20. 晶界愈多表示 (A)晶粒愈細 (B)晶粒愈粗 (C)冷卻愈慢 (D)強
度愈軟。
二、簡答題
1. 解釋名詞：
(1) 組織。
(2) 結晶格子。
(3) 固溶體。
(4) 高溫加工。
(5) 塑性加工。
(6) 共析反應。
答：(1)組織（Structure）是指晶粒成分、粗細、形狀及排列方向等。
(2)在結晶體中的原子前後、左右、上下都依一定的規則排列，這規則排列
稱為結晶格子（Crystal Lattice）或空間格子（Space Lattice）。

7. 第 1 章 緒 論 7
(3)在適當條件下，固態的金屬也能溶入其他固態的金屬，而變為單相的溶
體 ， 這 種 溶 體 稱 為 固 溶 體 。 依 溶 入 的 方 式 可 分 為 置 換 式 固 溶 體
（ Substitutional Solid Solution ） 及 插 入 式 固 溶 體 （ Interstitial Solid
Solution）。
(4)是將材料加熱至再結晶溫度以上，施以外力而加工成形，又稱為熱作。
(5)金屬受外力超過彈性限度時，當外力除去後金屬無法恢復原狀而保持變
形狀態，稱為塑性變形，用於塑性變形的加工稱為塑性加工。
(6)指由一固體同時析出 2 種不同的固體，例如含碳量 0.8％之碳鋼，在 727℃
時會發生沃斯田體同時析出-Fe 及雪明碳體等 2 種固體（→+Fe3C）。
2. 試比較金屬與合金的通性。
答：(1) 純金屬之特性
○1 在常溫多為固態結晶體，但汞除外。
○2 電與熱的良導體。
○3 有固定熔點。
○4 比重多大於 1。
○5 不透明有特殊金屬光澤。
○6 具塑性變形（延展性）的能力。
(2)合金之特性
○1 導電率與導熱率常較成分金屬低。
○2 合金熔化時，體積通常會增加。
○3 熔點溫度為一段區間且較其主要成分金屬低。
○4 特殊合金可使光澤持久、耐蝕性提高、不容易氧化。
○5 合金延展性常較成分金屬小，但強度及硬度較高。
3. 一般金屬常見的結晶格子為何？單位格子有幾個原子構成？
答： 常見結晶格子 原子數量 金屬種類
體心立方格子（BCC） 2 -Fe、鉻、鎢、鉬、釩等。
面心立方格子（FCC） 4 -Fe、鋁、銅、金、銀等。
六方密格子（HCP） 6 鎂、鈦、鋅、鈷、鎘等。

8. 8 第 1 章 緒 論
4. 塑性加工方式有哪些？
答：塑性變形加工的加工方法很多，其中以鍛造（Forging）、滾軋（Rolling）、
拉製（Drawing）、壓製（Pressing）及擠製（Extrusion）最常使用。
5. 二元合金平衡圖有哪些形式？請列舉四種。
答：(1) 液態及固態完全溶合形成固溶體狀態。
(2)液態完全溶合，固態完全不溶合，而生成共晶混合物。
(3)液態完全溶合，固態時有溶解度，而生成共晶混合物。
(4)液態完全溶合，固態時有溶解度，而凝固時發生包晶反應。
(5)液態完全溶合，固態時生成金屬間化合物，這化合物在熔點以下不發生
分解。
(6)液態時有部分溶解度，固態時完全不溶合，而發生偏晶反應。