# [工材]第十五週筆記
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此為105-1的修改版
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# 非鐵金屬

# 銅和銅合金

* 銅及銅合金
* 純銅：電線
* 黃銅(brass)：$Cu + Zn$合金
* 七三黃銅：$\alpha-Cu$(FCC結構)
常溫加工。
* 六四黃銅：$\alpha + \beta'$, $\beta'$為ordered BCC。
高溫加工(當$\beta'\rightarrow \beta$時)，$\beta$是disordered BCC結構。
* 特殊用黃銅：$Cu + Zn + X$
* $X = Pb$(切削用)
* $X = Sn$(耐海水)
* $X = Ni$(白銅)(擬銀飾物)(非鐵spring)(電器接觸性)

* 青銅：$Cu + Sn$,
$Sn < 15.8%$ 為 $\alpha - Cu$
$Sn > 15.8$為$\alpha + \delta$, $\delta$為$Cu_{31}Sn_{18}$
* 磷青銅：$Cu + Sn + P$(磷可以去除銅內氧化物)
* 軸承用青銅：軟質 + 硬質
* 鋁青銅：$Cu-Al$
* 平衡圖：實際上用是5%~12%，一般是10%
* 機械性質圖
* 反應：
* $\beta (565度)\rightarrow\alpha + \gamma_{2}$
* $\beta(淬火)\rightarrow麻田散組織$
* self annealing(自身退火)
* 添加$Mn, Fe, Ni$可以阻止共析反應
* 鎳青銅：$Cu + Ni + X$
(特殊用鎳青銅)
* 加入$Al$
* 加入$Si$：Corson

## 純銅(pure copper)
一般是電解純化，但還是有氧化銅。
依照後續處理分為兩類：
1. 無氧銅：利用氫氣去除氧化銅
2. 脫氧銅：用P, Si等除氧劑除之（但仍有雜質）

純銅的硬度是依照加工硬化的程度來分，由低到高分成軟質、1/4硬質、1/2硬質、硬質、Extra Hard, Spring Hard, Extra Spring等等。


加工硬化可以用600~700度加熱30分鐘消除。

一個特點是會產生銅綠。

## 銅合金(Copper Alloys)

## 黃銅

銅和鋅的合金。


可以發現大約30%時延性最好，40％左右強度最高，所以他們分別就代表了兩種黃銅的代表型號：七三黃銅跟六四黃銅。

然後看相圖：


大約是30%左右是$\alpha$態，40%左右是$\alpha + \beta'$態。所以整理一下就是：

* 七三黃銅：彈殼黃銅，$\alpha$銅
* 六四黃銅：強度最高，（高溫）加工時$\alpha + \beta$，常溫時$\alpha + \beta'$，

接下來說明一下構造的不同：

$\alpha$是FCC結構。

$\beta$裡$\beta'$跟是 BCC結構，BCC一個晶格恰好有兩個原子。看相圖可以發現$\beta$跟$\beta'$面的銅鋅比例大接近1比1，在$\beta$中，每個晶格(有兩個原子)中大約是一個鋅配一個銅，很有規則，就叫ordered BCC，而$\beta'$兩者分佈則不規則。一般來說，ordered的構造韌性比較高，但是強度比較低，而disordered的相反，硬度比較高，韌性比較低。所以六四黃銅加工時會先加熱到使得$\beta'$變成$\beta$的溫度(455度)，比較好加工。

另外，黃銅的特殊現象是「季裂」。下面有詳細說明。



- 季裂的防止方法就：退火、電鍍Ni

黃銅的顏色會因為$Zn$的多寡從銅赤色變道黃白色。其實也很好懂，$Zn$越少，顏色就越接近$Cu$本來的紅色，而越多就越接近黃白色。




然後銅的使用其實很早，人類最早使用的金屬就是銅。所以有各種亂七八糟的種類(等一下你就知道)，所以只要記幾個有代表性的就可以了。

- 除了上述的七三、六四，還有一個叫紅黃銅，$Zn$含量約8-20%，顏色最近似黃金，Zn含量20%可作為金的代用品。

## 特殊黃銅(Cu + Zn + X)

可以在黃銅中加入第三種金屬，形成更多元的用途。

* 加鉛特殊黃銅：老樣子，改良切削性
* 加錫特殊黃銅：六四黃銅跟七三黃銅加1%分別得到naval brass, admiral brass(我就說他名字亂七八糟的吧～)，故看名字就是用來做船上的零件。
* 加鋁特殊黃銅：可以讓晶粒微細化，耐海水
* 加鎳黃銅：就是白銅，加$Ni$ 15% ~ 20%。可以做擬銀的東西。有趣的是白銅是從亞洲傳到歐洲去的。$Ni$含量更多（40-50％）就變成康史登銅Constantan（之後會提到）。

## 青銅
是個適合鑄造的金屬。

要成為好的鑄造用金屬有幾個要求：首先流動性好，要可以流到模的各個地方，接下來收縮性要可以控制。


> 吳：這種太複雜的相圖它的用處就是沒有用處

可以發現裡面的Sn在常溫根本不會析出，那這樣裡面的Sn會用什麼形式存在呢？答案如下：


> 吳：虛線的意思是實線的反應不會發生


接下來看看青銅的機械性質：


延展性在大約3%左右最好，抗拉強度在20%之前大致是越多越硬。所以有機械用銅：


大致上來說，10%以上是鑄造用，10%以下是鍛造加工用。

接下來是介紹各種青銅：


大致上的趨勢還是一樣，加鉛切削性變好，加$Zn$增加鑄造性，$Sn$越多越硬，越適合強度高的應用。

另外還有一個比較特別的用處是「錫中加一點點銅」，這個東西就是無鉛銲錫，目前也是非常常用的東西。

## 磷青銅

磷可以去除當中的氧化物，讓他更容易鑄造。順帶一提純銅也會加一點點磷來去除氧化物。可以降低電阻(所以適合做電線)，另外，也可以做滑動軸承：


## 軸承用青銅


跟軸承用鋼類似，他是一層軟的 + 一層硬的。軟的在內層，硬的在外層

## 鋁青銅

這裡用的是565度那裡的共析反應。其實他的整套反應跟碳鋼很類似，熱處理的邏輯也幾乎一樣。

實際上會用的Al含量大概在5% ~ 12%左右，一般都是10%。


至於為什麼說跟碳鋼很像呢？觀察一下鋁的含量對比機械強度的圖：


可以發現如果在鋁的含量在10%左右，機械性質就會變得很差。但是如果把這個成分從$\beta$態淬火下去，就會得到麻田散組織的青銅，硬度就會大增。這跟碳鋼根本有87%像。

但是跟碳鋼不一樣的是，這種合金會有一種「自身退火」的性質：


白話文就是放著不動時，會自動分解成本來不淬火時產生的兩種穩定的態。這個跟碳鋼就不太一樣了。但是這樣是很不利於機械用途的，所以要想辦法去除。

解法就是加入其他合金$Ni, ~Fe,~ Mn$，這樣會延後共析反應的溫度，就會讓麻田散組織在常溫變得更穩定(就跟加入錳來延後碳鋼的變態一樣)。(特殊鋁青銅)

## 鎳青銅


可以加入鋁跟加入鎳。這裡要介紹一種硬化方式叫做**時效硬化**：當淬火完再回火時，摻雜的其他金屬會奈米級的析出，這樣就可以讓材料變硬(怎麼跟高速鋼有87%像啊?)。

### 特殊鎳青銅

上述的鎳青銅加入一些$Si$，稱之Corson合金。
這種合金回火時，會析出γ'相（$Ni_5Si_2和Cu$固溶體），可用做長距離電線、高強度通信線。也是時效硬化

## 鈹青銅

可以發現在6%左右會有一個共析反應，主要就是用那個區域的共析反應下的金屬。鈹青銅一樣是用「時效硬化」的方法來加強硬度，也可以加一些神奇的東西來增加硬度(原理還是時效硬化)。




## 軸承用青銅


# 鋁及鋁合金

輕金屬

純鋁要用電解來製備，需要大量的電力。加拿大就有很多電。

來看看機械性質：


可以注意到的地方是比重很低、膨脹係數很大，導電度大概是銅的2/3，但是只要截面積拉大，電阻就可以變小了，但是這樣的狀況下，重量仍然是比銅輕，所以可以做電塔的電纜(因為不能太重電塔會塌)(不過還要加一些額外的金屬來增加硬度)。