材料課程重點摘要：

第一章 材料概論

一般材料分為下列五大列，金屬材料：包括金屬與合金（由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬互相融合而具有金屬特性的特性），以金屬鍵鍵結成結晶體，強度高，延性佳，熱與電之良導體。陶瓷材料：金屬或非金屬元素以離子鍵或共價鍵鍵結而成的無機化合物，是結晶體，非結晶體或兩者混合，高硬度高強度但相當脆延性差耐高溫導熱與導電不佳。高分子材料：大多數的高分子材料具有機的長分子鍵，鍵內鍵結能遠大於鍵與鍵間的鍵結能，大多數的高分子材料為非晶體，強度較差，延性佳，熔點低，導電與導熱性不佳。複合材料：由兩種或以上之材料構成，而產生任一種單獨材料無法獲得的性質。半導體：具有獨特的電性及光學特性，是電子及通訊裝置主要的元件。

第二章 材料機械性能試驗

材料的機械行為藉由下列相關之機械性質測試得知：拉伸試驗：材料對一緩慢施加之應力的抵抗能力，而被施加應力的材料首先行彈性或非永久變形，其間之應力和應變成正比，其比例常數是彈性模數。降伏現象發生於塑性或永久變形的起始點，降伏強度可由應力-應變行為的應變偏位法決定，此應力指出材料開始塑性變形。拉伸強度是對應試片能承受的最大拉伸應力，伸長量百分比和斷面縮率是延性的量測-發生斷裂的塑性變形量。硬度試驗：材料抵抗局部塑性變形能力的一種量測，並提供材料耐磨耗抵抗的度量。洛氏、勃氏、諾普和維氏為較常用的硬度測試，是以一小壓痕器壓入材料的表面，壓痕大小和深度可決定其硬度值。對許多金屬而言，硬度和拉伸強度有正比的關係。衝擊試驗：描述材料受一突然施加之荷重的反應，典型的試驗為Charpy試驗及Izod試驗，試片破壞所需的能量被量測出來，藉以能決定材料之軔脆轉換溫度，而延性材料通常較脆性材料之韌性高。破裂韌性：描述材料內部之裂縫或缺陷傳播的容易程度，平面應變破裂韌性K_IC是最常見之結果。疲勞試驗：材料在受循環應力時之表現，包括耐久限(在這之下破壞將不會發生)，疲勞強度(在給定的循環數之內能避免破壞的最大應力)及疲勞壽命(在給定的應力下材料能使用的循環數)。潛變試驗：提供材料在高溫下承受荷重能力的資訊，潛變速率及破裂時間是所獲得重要性質。

第三章 材料結晶結構

「原子結構」是以波爾氫原子模型及波動力學的模型來說明原子內電子的情形，在波爾的氫原子模型中，假設電子以不連續路徑繞原子核作圓周運動。而在波動力學模型中。電子是以波動方式運動，並以機率分佈理論來預測電子的位置。電子的能階則根據導出的主層及副層的量子數來決定。包立不相容原理，是將電子填入主殼層及副殼層的軌域中。而形成原子的電子組態。元素的週期表就是依不同的元素其不同的價電子組態排列而來的。

固體中的「原子鍵結」，可視為原子問存在的吸引力及排斥力所形成之位能系統，而原子的電子結構是藉由四個量子數來描述，此有助於決定原子鍵結的本質以及材料之物理、機械性質，電子鍵結一部分是由每一原子間價電子的關連性所決定分為下列四種，金屬鍵：所有的價電子形成的電子海，如同膠水一般將帶正電的金屬離子核緊緊地均勻包圍住，因此金屬具有延性及很好的導電性、熱傳導性。共價鍵：於聚合物、半導體材料發生，是鄰近的二原子共用價電子所形成，其鍵結強且有很高的方向性，使得這些材料脆，且其導電性及熱傳導性均不佳。離子鍵：在許多陶瓷發現，它是由一原子貢獻另一不同形式之原子若干電子所造成，因此形成帶正電的陽離子與帶負電的陰離子。如共價鍵材料一般，這些材料脆且導電性差。凡得瓦爾鍵及氫鍵：為次要鍵結能量與主鍵結相比要弱許多，次要鍵結主要起源於偶極分子間的吸引力，偶極分子有二種形式感應式及永久式。對氫鍵而言，則是氫原子與如氟的非金屬元素形成共價分子中。所形成的高極性分子。一般原子之間的束縛能與鍵結強度有關，離子鍵結材料及共價鍵結材料其束縛能特別高，材料具高束縛能通常具有高熔化溫度、高彈性係數，以及低的熱膨脹係數。

結晶固體中的原子具有規則且重複排列的形式，而非結晶或非晶質材料之原子排列則雜亂無章。結晶材料的原子排列藉著七大晶系14種Bravais晶格所組成。金屬晶體其原子位置可畫成三度空間立體格子形式稱晶格（crystal lattice）， 構成晶格的最小立體格子單位則稱晶胞（unit cell），其他特性包括每一單位晶胞內的格子點與原子數、配位數(或最近鄰的原子數)，以及單位晶胞內原子的堆積因子（APF）。金屬主要結晶格子有下列三種：體心立方（Body-Centered Cubic，簡稱BBC）、面心立方（Face-Centered Cubic，簡稱FCC）以及六方最密堆積結構 (Hexagonal Close Packed，簡稱HCP)。

「米勒指標」稱為晶格方向與平面的表示法：立方晶格方向的表示法與一般三度空間的向量相同，即將向量分別投影到晶格之三個軸上，獲得三個線段長度，將此三者化成簡單整數比u:v:w，晶格方向即表為[u v w]。在立方晶格系統裡，由於高度的對稱性之故，通常將對稱性相同的一族方向表為＜u v w＞，通常與不予區分，因為二者僅方向相反，因此<111>在立方晶體中可以代表四個方向。在FCC中，原子排列最密方向為通過面心的對角線，此族方向表為<110> 。而在BCC中，原子排列最密方向為通過體心的對角線，此族方向表為<111>。晶格平面的表示法，由平面與晶格三軸相交所得的截距倒數後，化為簡單整數比h:k:1，晶格平面即表為(h k l)。在立方格系統中，亦將對稱性相同的平面歸為一族平面而表為{h k 1}，通常與不予區分，因為二者位於原點不同側而互相平行，因此{110}代表6個平面。在FCC之原子堆積最密的族平面為 {111}；而BCC之原子堆積最密的族平面則為{110}。另外，對於HCP的平面表示法，則考慮平面與四個軸的截距，再將截距的倒數化為簡單整比 h:k:i:1，晶格平面則表為(h k i l)，其中有h+k=-i關係，對稱性相同的平面亦可歸為一族平面以{h k i 1}表示。而六方最密堆積系統的方向表示法亦由四個整數組成 [U V T W]，這四個數字的獲得方式是將向量調整分解在四個軸的分量，並且使U+V+T = 0，對稱性相同的方向亦可歸為一族方向而以 ＜U V T W＞表示。在HCP的原子堆積最密面為基面(basal plane)以(0001)表示；而原子排列最密方向則在軸方向上表為。因而，原子堆積最密面上的原子最密排列方向，此二者構成一特定組合，稱為「滑動系統」。滑動系統數目的多寡影響材料的延脆性，金屬滑動系統愈多，則其延性愈佳。而FCC和HCP晶體結構之配位數和堆積因子皆相同，FCC和HCP晶體結構是利用平面最緊密堆積方式所排列而得的。

金屬晶體含有許多缺陷，這些缺陷可分類為點缺陷、線缺陷及面缺陷。這些缺陷對金屬材料的性質有很重要的影響。金屬的點缺陷就是空孔(vacancy) ，線缺陷一般稱為差排(dislocation)，而金屬的面缺陷有：雙面、晶界及疊差等。

第四章 合金平衡圖

平衡相圖是用來表示合金系統中各相最穩定關係的方法，而二元相圖是以溫度和組成為其變數。在這些溫度對組成關係曲線圖裡凡是單相或雙相存在的區域，定義為相區（Phase）。對於一特定組成和已知溫度的合金，在平衡狀態下所呈現之相的組成和相對分量都可以決定出。在雙相區內，需使用槓桿法則來分別計算相組成和質量分率。共晶反應是液體凝固以兩種固體共生混合方式生成的，共析反應是指一種固體變態為兩種不同固體的混合物，在包晶與包析反應中，指兩種相在冷卻過程中變態為單一相。鐵-碳合金和鋼的顯微組織發展取決於共析反應，就是組成0.76wt%C的FCC沃斯田鐵相等溫變態為BCCα相(0.022wt%C)和介金屬化合物－雪明碳鐵 (Fe₃C)，共析組成的鐵-碳合金生成的顯微組織為波來鐵，波來鐵是由層狀肥粒鐵和雪明碳鐵交疊而成的一種微組成。

第五章 原子擴散

擴散是原子移動通過一固體材料的運動機制，原子以有次序的方式運動來消除濃度差異，其驅動力主要是熱能，其次是應變能。而原子擴散的兩種重要機制為空位擴散及格隙擴散，晶格內的置換原予藉空位機制移動；擴散的速率受Fick’s Law方程式所支配，也就是說速率隨溫度成指數成長。活化能Q描述原子擴散難易度，其格隙擴散、低熔點或弱原子鍵結的材料以及晶界或表面擴散皆具有低的活化能與高的擴散速率高。原子移動的總數或通量隨濃度梯度及擴散係數的提高而增加。對於一特別的系統，擴散的數量與Fick’s Law方程式有關，對一擴散控制的過程Fick’s Law方程式決定溫度的改變對所需時間的影響。許多材料製程技術，例如燒結、粉末冶金、擴散鍵結等均需要擴散。

第六章 凝  固

固化為控制材料結構及機械性質之最初始過程，藉由控制晶粒的大小以及形狀改進其整體的性質，獲得均勻的性質，且異向性的性質可經由控制成核及控制由液體長出固體來完成。成核由液態溶液中產生一臨界大小的固體顆粒，其中均勻成核需要液體有大的過冷，在正常的固化過程不會發生，而藉著導入異質的顆粒於液體中則稱為異質成核，此外，液體急速冷卻能避免成核與成長，得到非晶質的固體或玻璃，具有優異的機械及物理性質。當胚核長入液態溶液內時，成長發生，成長可能是平面成長或樹枝狀成長。當液體過冷度小時為平面成長；當液體過冷度大時發生樹枝狀成長。一般鑄件內缺陷(收孔或氣孔)可藉鑄造及冒口設計，或藉鑄造前對液態金屬的適當處理加以控制。

第七章 強度及加工變形

金屬塑性變形，是由於原子最密堆積層面的差排受到剪應力逐漸滑動而最後造成剪切變形，塑性變形機構是因差排是沿著原子堆積最密面上的最密排列方向滑動，造成永久變形。而差排的存在使得式理論計算所得的理論剪應力＞＞真實剪應力且約為10倍以上，差排的產生主要與金屬在機機加工時的塑性變形有關；亦即金屬塑性變形量愈大，差排也就愈多。差排線可區可成二種：刃差排(edge dislocation) 與螺旋差排(screw dislocation)。刃差排位於像刀刃的半平面之終界⊥的記號處。螺旋差排其差排線被外圍螺旋狀的晶面所包圍，此差排比其他無缺陷的基地含有較高的能量。金屬的性質可藉由塑性加工（冷作、熱作）與熱處理而控制，當材料受冷作變形時（再結晶溫度以下），會增加大量的差排，而產生應變硬化，此時材料強度、硬度會隨著殘留應力增加而提高，但材料之延性、導電性及抗腐蝕則下降。而熱作（再結晶溫度以上）結合塑性變形與退火，允許材料大量的塑性變形，其中退火是為了消除冷作之應變硬化的一種熱處理方法使材料回復到可加工狀態，其退火過程包括為：回復、再結晶和晶粒生長。在回復期：是在再結晶溫度以下，其差排密度降低，消除殘留應力；於再結晶期：再結晶溫度約為材料融點的1/4，其應變硬化消除、晶粒重組、差排消失、強度下降、韌性提高；於晶粒成長期：在較高溫度發生，金屬會變軟且較有延性。

第八章 強化理論

下列幾種為材料的強化方式，固溶強化：經由點缺陷（空位稱間隙原子及置換型原子）的導入，造成異種原子和差排之間晶格應變的交互作用產生壓縮或拉伸應變場，使得差排不易在點缺陷的附近滑移，材料的強度因而提高。應變強化：藉材料應變量的增加以提高差排的數目，而達到強化效果。細晶強化：因晶界能阻礙差排的移動，而細晶之晶界面積較粗晶多，差排移動較難，因此細晶強度高於粗晶，但高溫下則反之。析出強化：藉由形成過飽和溶液之固溶化處理，搭配讓過飽和溶液析出的時效硬化過程，來產生大量析出物，以提供阻止差排滑移之最有效障礙，而析出物的數量與強度成正比，例如Al-Cu合金。散佈強化：利用外加的方式使兩種材料結合在一起，或是產生兩相或兩相以上的材料，例如FRP。相變態強化：利用熱處理改變組織相達到硬化目的，例如麻田散鐵變態。