【正文】 s)，因此材料微結(jié)構(gòu)必須晶粒粗、純度高并避免產(chǎn)生缺陷，而且要除去內(nèi)應力，以使扇區(qū)容易移動。常用的鐵心材料有純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等，其中以純鐵及硅鋼較為常用。純鐵的導磁性好，但是因為比電阻小，渦流損失(eddy current loss)大，因此添加硅，唯硅含量過高時材質(zhì)便脆化，%以下，此外硅鋼片制成片狀相迭也可以降低渦流損失。155 磁石鋼磁石鋼是制造磁石的一種材料，主要是用于制造永久磁鐵，永久磁鐵使用于無線電擴音機、電動機、發(fā)電機永久磁極等，屬于硬磁(hard magnetic)材料。硬磁材料與軟磁材料相反，必須是要能保持磁力，即所謂剩磁(residual magnetim)較大者。因此材料微結(jié)構(gòu)必須晶粒細、內(nèi)應力大，并且最好有第二相的粒子，來阻礙扇區(qū)的移動。磁石鋼常用的材料有兩種類型：(1)淬火硬化型磁石鋼將鋼料由高溫淬火，使其組織微細化，并因淬火所產(chǎn)生的內(nèi)應力，使得材料不易失去磁性，這種材料稱為淬火硬化型磁石鋼。淬火硬化型磁石鋼主要是鎢鋼(~%C、5~7%W)，另外還包括：碳鋼(~%C)、鈷鋼(~%C、5~17%Co)、KS鋼(~%C、30~40%Co)等。(2)析出硬化型磁石鋼將鋼料由高溫急冷得到高飽和固溶體，然后在適當溫度回火，使其析出第二相物質(zhì)，由于格子畸變，而使得材料不易失去磁性，這種材料稱為析出硬化型磁石鋼。 析出硬化型磁石鋼大致包括：MK鋼(15~40%Ni、7~15%Al、0~20%Co)、Alnico鋼(~17%Al、14~22%Ni、5~38%Co、其余為鐵)等。156超高強度鋼發(fā)展高強度鋼的目的是為了減少材料本身的重量，以承受相同的荷重而言，高強度鋼料相較于普通碳鋼可以用較小的斷面，因此在許多需要高強度而輕量的結(jié)構(gòu)中，更高強度的的鋼料一直是材料界追求的目標。超高強度鋼(The Ultrahighstrength Steel)是指降伏強度超過180,000psi(或是130kg/mm2)的鋼種，其發(fā)展主要是為了航空及太空科技高強度合金的要求，并且也需要易于加工及成形。超高強度鋼大致分為以下幾類：(1)將中含碳量的強韌鋼或低合金鋼加入更多的Si及V，以避免低溫回火脆性并增加韌性，可以得到超高強度鋼，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。例如：AISI 4141M、4130M、433V、D6AC等鋼種。(2)改良工具鋼(Modified Tool Steel)，系將原來高溫加工用的5CrMoV模具鋼改良而成，可以作為飛機骨架、鋼架、橋梁等，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。例如：AISI H1H13等鋼種。(3)麻時效鋼(Maraging Steel)，含Ni 20﹪是低碳高鎳含量的合金鋼，易于成形、加工、焊接，但必須在退火狀態(tài)才容易加工或成形。這類鋼種的時效元素為Co、Mo或Ti，在480℃附近時效可以使其強度增為最大，由于時效溫度不高，因此對于精密機件不會造成扭曲或尺寸改變，而且低溫韌性很好，所以可以使用在鍛造、加工的精密機件或需要焊接的地方，麻時效鋼的抗拉強度可達150~210 kg/mm2，其鋼種如：18Ni鋼、20Ni、25Ni等均是。(4)CrNiMo或FeCrMoCu等，是屬于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金鋼，這些合金鋼能在低溫下析出硬化，而且在耐高溫氧化及耐疲勞性均佳。CrNiMo合金并適合用于承受大荷重的機件，例如：磨擦盤、大型軸、齒輪、滑槽等。，其抗拉強度在150 kg/mm2以上。例如：Astralloy、AFC77等鋼種。(5)9Ni4Co鋼，是一種將碳化物生成元素含量減少，而以Ni來提高韌性的鋼料，另外添加Co以提高Ms點并減少殘留沃斯田鐵，這種鋼韌性優(yōu)良，并可以變韌鐵組織狀態(tài)使用，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。AISI的材料編號例如：HP94HP94HP9445等鋼種都是。摘 要1. 1. 合金鋼是指碳鋼添加一種或一種以上合金元素所形成的鋼料。碳鋼除了碳以外，若是含超過微量的其它元素，例如：％以上、％％以上等等，就屬于合金鋼，2. 2. 合金鋼依其用途來區(qū)分，可分為構(gòu)造用合金鋼和特殊鋼，構(gòu)造用合金鋼是使用在一般機械的構(gòu)成組件或建筑土木構(gòu)造上，特殊鋼是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場合。3. 3. 一般構(gòu)造用合金鋼由于使用的場合不同，可以分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬于低含碳量和低合金量，構(gòu)成之后也無法再實施熱處理，包括高強度低合金鋼、易切鋼等，后者多屬于熱處理用中合金鋼，包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。4. 4. 工具鋼的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用硬質(zhì)合金等。除硬質(zhì)合金之外，工具用鋼料之中以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜，而高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢較昂貴。5. 5. 工具鋼必須強韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等特性，以其合金成份和構(gòu)造用合金鋼相較，則除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然為基本元素(或是增加其含量)，另外必要時在添加耐高溫的W、V及Co等。6. 6. 在鋼中添加Cr和Ni可以增加鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性主要隨Cr的含量而增加，一般耐蝕鋼的分類，含Cr量在12﹪以上之FeCr合金，幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr量在12﹪以下之FeCr合金，則稱為耐蝕鋼，實用上是以不銹鋼為主。7. 7. 彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞限高而且不產(chǎn)生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、硅錳鋼、硅錳鉻鋼三類。 彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實施熱處理之后使用。金屬的腐蝕學習目的。11 前言 材料會因為時間、環(huán)境等種種因素，而產(chǎn)生不堪使用或稱為失敗(failure)的狀況，這樣的結(jié)果不但增加成本，而且耗費時間。一種材料所以無法再使用，除了肇因于強度無法承受負荷所產(chǎn)生的破壞(fracture)，還有磨耗(wear)、腐蝕(corrosion)、輻射損傷(radiation damage)等其它因素，而這其中又以腐蝕的傷害最大，影響也最嚴重，因此認識并防治腐蝕，是學習材料必備的課題。生銹(rusting)就是一種人人熟知的腐蝕現(xiàn)象，它是專指鐵或鐵合金的腐蝕現(xiàn)象，其它的材料雖然也會腐蝕，但不稱為生銹。腐蝕的過程可以是一種化學反應(Chemical Reaction)，而更多時候則是一種電化學反應(Electrochemical Reaction)。所謂電化學反應，簡單的說是金屬間形成陽極和陰極的電池效應。簡單的說，電化學腐蝕與電鍍的原理相似，都是由于材料本身足以產(chǎn)生電化學反應所導致，它們的差異，只在于結(jié)果的不同。腐蝕是金屬的剝離，電鍍則是金屬的覆層。而就工程材料的來源而言，材料原為礦石或是氧化物中冶煉，再度變?yōu)榛衔锒貧w穩(wěn)定也是自然的趨勢，因此材料在某種適當?shù)沫h(huán)境下，不論經(jīng)由化學或是電化學的反應方式而發(fā)生腐蝕，也是自然的現(xiàn)象，而防治腐蝕的積極意義則是在提供材料更長的使用壽命。在日常生活中，就有許多足以產(chǎn)生電化學反應的環(huán)境，例如：不同金屬本來就具有不同的電位，如果環(huán)境中存在某些溶液，可能就會提供構(gòu)成回路的條件，而發(fā)生電化學腐蝕。此外例如：高溫、酸堿等環(huán)境因素，也會加速電化學反應的進行，因而增加腐蝕破壞的程度。在機械結(jié)構(gòu)使用上，材料的選擇不當，對腐蝕因素的認識不夠，也是助長結(jié)構(gòu)腐蝕的基本因素。因此探討防蝕工程，必須要了解化學和冶金學的基本常識，并且注意防治。腐蝕通常是經(jīng)由一段時間醞釀，當損害的現(xiàn)象較為顯著時，才會引起人們的注意，而到破壞造成時，結(jié)果卻往往非常嚴重。據(jù)估計，在美國每一年因為腐蝕所造成的直接損失，就約占國民生產(chǎn)總值的4 %，達數(shù)百億美元之譜。在國內(nèi)，除了橋梁、建筑等公共工程因腐蝕致使用壽命降低，近年來在航空器及其它方面，因腐蝕產(chǎn)生安全的危害、資源、環(huán)境的損失，也無法估計，絲毫不遜于其它破壞所造成的損失。因此，對于材料的腐蝕機構(gòu)及防制腐蝕的方法的研究，尤其必須特別重視。事實上，除了金屬材料會受到腐蝕之外，其它材料也會發(fā)生腐蝕，例如：塑料、陶瓷材料的化學溶解(chemical dissolution)等，但本章中所討論的腐蝕，主要仍以金屬為范圍，就各種腐蝕發(fā)生的成因、腐蝕形式、金屬鈍化等說明，并提出腐蝕的防治之道。12腐蝕的意義自然界中絕大多數(shù)的物質(zhì)，都有變成氧化物或是形成穩(wěn)定化合物的傾向，除了金、鉑等貴金屬外，自然界中甚少有單純金屬存在。因此當我們由礦石或是氧化物中提煉完成所需的工程材料，例如：鐵、銅、鋁時，它們就開始有了回歸穩(wěn)定的趨勢，在環(huán)境許可下，它們會再度變?yōu)榻饘倩衔?，這種現(xiàn)象可說是發(fā)生腐蝕的基本原因。這些環(huán)境的因素，例如：水份、高溫，或是酸、堿等化學物質(zhì)的誘導等，都可能引起金屬的腐蝕，如圖1所示。鐵礦石Fe2O3Fe3O4FeCO3腐蝕治鍊鐵Fe 圖1礦石 鋼料 腐蝕 說明了腐蝕發(fā)生的基本原因分析材料發(fā)生腐蝕的基本原因，主要可以區(qū)分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類?；瘜W腐蝕（chemical corrosion）又稱為直接溶解(dissolution)，通常是指材料置于一種可以溶解的溶液環(huán)境中，直到材料全部耗盡(腐蝕)或是溶液達到飽和點。其它諸如高溫、濕度等情況，使材料因加速產(chǎn)生氧化作用進而腐蝕也屬之。電化學腐蝕通常是指兩種異質(zhì)金屬或金屬中足以構(gòu)成電位差的兩極，在一種電解質(zhì)(electropte)相連的環(huán)境中，形成陽極金屬持續(xù)失去金屬離子而被腐蝕的現(xiàn)象稱之。在這兩類的腐蝕中，又以電化學腐蝕較為重要，也較容易被忽視。121化學腐蝕在自然界中，物質(zhì)會溶解于特定的溶液中是熟知的現(xiàn)象，例如：糖、鹽會溶解于水中，或是許多金屬或非金屬會溶解于鹽酸。有時我們也利用這些特性于制造方法，例如：利用氯化鐵來蝕刻銅藝術(shù)品或電路板。但在工程材料的使用上，絕大多數(shù)的考慮仍是在防治腐蝕方面。在一般金屬中，溶液最易侵蝕的位置是晶粒與晶粒接合之處，也就是晶界，然后持續(xù)成長，化學腐蝕有時也隨環(huán)境或是化合物的形成而變化，也可能伴隨電化學腐蝕而來，當然如果是這樣的情形，整個腐蝕現(xiàn)象就會變得較復雜。1．選擇性濾除 有些金屬合金材料在特殊環(huán)境下，其中的一種或多種元素容易被選擇性的濾除（leach）或稱腐蝕，而變成多孔性的殘留物，因而降低了材料的機械性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為選擇性濾除。這樣的現(xiàn)象，與金屬的本質(zhì)有關(guān)，如黃銅中所含的鋅在高溫下會被鹽類的水溶液所溶解，產(chǎn)生脫鋅(dezincification)的局部腐蝕現(xiàn)象，而缺少鋅的位置，將使得黃銅變成多孔性結(jié)構(gòu)而變成很脆弱。2．石墨化腐蝕 石墨化腐蝕是另一種類似選擇性腐蝕的例子，灰鑄鐵的是片狀石墨交錯在鐵基地的組織，如果置于水中或是土壤中，鐵將較具陽極性而石墨將較具陰極性，因此鐵的部份將被腐蝕，而形成多孔性的外觀，因此灰鑄鐵制成的管線，必須有積極的防蝕措施，如果埋設不當，容易發(fā)生泄漏甚至爆炸的事件。 化學腐蝕的防治極為困難，將材料覆層是一種方法，避免材料與溶液（尤其是易起作用的酸堿溶液）接觸，也是另一種解決的方式。如果一定必須在溶液的環(huán)境中使用，必須考慮選擇能抵抗化學腐蝕的材料。例如：為了抑制黃銅脫鋅的現(xiàn)象，我們可以在含鋅量15%以上的黃銅中，添加1%左右的錫Sb，以抵抗這種腐蝕并增加強度。這類的含錫黃銅包括：海軍黃銅(naval brass)、海將黃銅(admiralty metal)等都屬之。122電化學腐蝕電化學腐蝕是最重要的腐蝕因素，因為大多數(shù)的金屬腐蝕的起因，都可說是一種電化學反應。這里所說的電化學反應是指在相同或不同金屬物體中，由于各種因素使得某些部位產(chǎn)生了局部的陽極反應 (Anoic Reaction) ， 讓金屬失去一個或多個電子，變成金屬陽離子，亦即發(fā)生陽極氧化作用；而在同時，另一地點也會產(chǎn)生陰極反應 (Cathodic Reaction)，獲得多出的電子，使得陰極形成還原作用，而構(gòu)成一個電池效應的現(xiàn)象。這種電池效應使得陽極金屬造成消溶腐蝕，稱之為電化學腐蝕（Electrochemical corrosion）。電化學腐蝕反應，其實與電鍍（electroplating）的作用原理相似，也就是陽極失去金屬（可以視為如腐蝕的現(xiàn)象）而陰極則覆層金屬（可以視為如電鍍的現(xiàn)象），只是腐蝕現(xiàn)象發(fā)生時，陰極反應通常不會發(fā)生電鍍效應，其還原反應多生成氣體、液體或固體。電化學反應的觀點，可以說是腐蝕現(xiàn)象里最重要的部分，而且大部分的腐蝕現(xiàn)象都可以發(fā)現(xiàn)這樣的反應；在電化學反應里，它將失去電子的一方稱為陽極（anode），而獲得電子的一方稱為陰極（cathode），當兩極之間具有一低電阻的導電通路時，陽極金屬就會發(fā)生腐蝕。兩種不同金屬就容易發(fā)生這種現(xiàn)象，這其中一種金屬會較容易失去電子（陽極），而另一種金屬則較容易獲得電子（陰極），透過適當?shù)耐罚浣Y(jié)果是使得陽極金屬陸續(xù)解離形成金屬離子。這些金屬離子，若不是被周圍的電解質(zhì)吸收，就是與非金屬離子結(jié)合而形成一層表面的沈積層，因此陽極金屬逐漸失去（被腐蝕），反之，陰極金屬則因此受到保護。由此可知，電池效應發(fā)生的情況必須是，材料發(fā)生氧化電位（或還原電位）不同的兩極，并且有適當介質(zhì)的條件下，由于環(huán)境產(chǎn)生了足以形成電解池的條件下才足以發(fā)生。例如 : 兩種不相似金屬搭接在一起或金屬兩表面間有潮濕空氣等。電化學腐蝕發(fā)生的原因，既然是因為電位的不同而且可以產(chǎn)生電池效應所致，當然相同的金屬也可能會發(fā)生電池效應，例如：同一金屬構(gòu)件表面有局部變異而形成兩極，或是搭接物體的夾縫內(nèi)藏有鹽類或