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金属的强度与硬度是成正比的!金属常见问题
发布时间:2021-01-20 18:03:10 来源:未知

  金属材料种类相当多,但不外乎周期表上的纯金属,或两种及两种以上金属所合成的合金。一般常见的金属大致可分成铁金属及非铁金属两大类,铁金属是以铁为基底,如纯铁、铸铁、钢铁等,而非铁金属包括铜、铝、钛、镁等及其合金。

  金属材料多使用在工程结构上,因此又称为工程结构材料;也使用在3C产品上,称为电子金属材料。

  金属的最原始状态是金属矿物,不是一开始就能达到需求的性能。有时在熔炼过程中需考虑「合金设计」,就是透过不同元素的添加,使经过熔炼或其他方式製成块状的金属锭具有特殊的性能。合金设计过程若考虑不周或处置不当,所熔炼出的金属是不健康的,就如同人体一样也会生病。金属材料到底有哪些病症呢?要如何诊断及检验呢?

  在某些需求高强度的场合,金属材料却未具备相当等级的强度时,称为金属的强度缺乏病。

  这病的诊疗,可以把金属材料製备成拉伸试片或试棒,并用拉力试验机做拉伸试验。若金属缺乏强度,拉伸试片或试棒会很快断掉,由此可以得到拉伸强度的数据,以判断这金属是否缺乏强度。

  一般来说,金属的强度与硬度是成正比的,强度愈高,硬度就会愈高,但不能把两者混为一谈。如果一个金属材料失去该有的硬度,就称为硬度缺乏病。

  这病的诊断,是以硬度试验机的压痕器把金属材料下压,得到一个压痕直径,再利用硬度压痕的原理把直径转换成硬度,并量测多个点,得到最大、最小及平均值,便可以判断出金属材料的硬度範围,进而了解金属是否得了硬度缺乏病。

  不是人体才会先天不良,金属也会。若金属熔炼及合金设计技术上或人为上出状况,会导致製成的金属有许多点、线、面、体的缺陷,如裂缝就是一种面缺陷。金属材料应用于工业上是不允许有裂缝的,倘若钢结构材料上有明显的裂缝,使用于桥梁时,因桥梁会产生反覆的应力作用,裂缝会延展,最终发生材料断裂,因而造成人员伤亡及财产损失。

  金属材料的先天不良要如何检验呢?熔炼及合金设计完成的块材,可先用肉眼观察金属材料表面是否有孔洞及裂缝。若肉眼无法观测到,则需使用光学显微镜观察,因为很多金属表面的缺陷是非常细微的。若这两个方法中有一个能观察到缺陷,就可以断定金属材料患有先天不良症候群。

  后天失调是指金属本来是在很好的状态,性能也不错,但因为后续的加工处理如热处理、銲接、锻造、铸造、加工成形等处理不当,造成材料的性质劣化,如耐腐蚀性不良、二次及多次加工性差、銲接性差等,称为金属的后天失调症候群。

  后续热处理或其他加工方式所造成的金属劣化,可从多方面来诊断。把原始状态与后续热处理及其他加工后的金属材料进行机械性质如拉伸、硬度、冲击等测试,若后续加工处理后的实验数据比原始状态的差,表示加工处理后金属的机械性质表现较差,便可以诊断为金属的后天失调症候群。

  有些场合使用的金属暴露在大气及酸硷的环境中,很容易生锈及发生溶解反应。而本身耐腐蚀性良好的金属,若使用环境变化,发生耐腐蚀性下降的情形,不即时处理,金属材料最终也会破断。这是浪费资源,因为材料破断后,还得再製造更多的材料,腐蚀所遗下的废弃物则会造成环保的问题。

  如何诊断出这病症呢?最简单的方法是浸渍试验,把金属浸入酸或硷的化学溶液中,若金属不耐腐蚀,表面就会起雾或呈现黑色。还有一种更精準的方法是电化学检测,利用恆电位仪,根据腐蚀电位、腐蚀电流的电化学原理,就可检测出金属是否有腐蚀病。

  生活中常用不锈钢,一般人认为不锈钢不会生锈,也就是不会有腐蚀病的问题。其实不然,不锈钢只是比较不易生锈,而不是不会生锈。

  不锈钢有一种腐蚀现象称为孔蚀。若是不锈钢的耐腐蚀性等级不够高,长期使用于酸硷的环境中,就会引起电化学反应而破坏不锈钢的钝化膜,造成孔蚀现象。常见的不锈钢流理台,一般人都认为是不会腐蚀的,理论上是这样没错,但若业者不是用抗蚀能力良好的不锈钢,还是会产生孔蚀的腐蚀病。

  金属在熔炼、铸造、锻造、銲接时,若处理技术不当,会使杂质偏高,表面上可能会产生一些孔洞、裂缝、介在物等缺陷,造成外观不完美,就像得了皮肤病。

  金属若只有表面孔洞及裂缝,就是单纯的皮肤病。若再往更下层观察,依然还是有孔洞及裂缝,可能就要怀疑是因为熔炼、铸造过程中冷却及凝固的速度控制不好,导致金属凝固后表面及更深层有孔洞与裂缝。这是较严重的皮肤病,必须把病因追溯到材料最前端的製造过程,才能根本解决问题。

  但金属的皮肤病也可能是因为其中有过多的硫化物或其他化合物,因为这些物质的周围是孔洞及裂缝容易产生的地方。

  另外,在銲接过程中冷却速度不均也会造成銲接热裂现象,而在銲道中形成裂痕。利用光学显微镜观察,就可研判出是何种机制造成的。

  金属材料也会有慢性病吗?某些金属有延迟破裂现象。若材料内部有缺陷,即使已经弯曲成型,仍然会因为氢、应力、应变等因素发生延迟破裂的情形。也就是不会立即破裂,有可能一天、两天、一个星期,甚至更久后才发生破裂现象。

  另一种常见的金属材料慢性病是潜变现象。金属材料在承受固定的负载或应力下,其变形或应变会随着时间的增加而增加,称为潜变。金属材料承受一个固定负载及应力下,如果瞬间没有破裂,会因潜变行为使它在经过一段长时间后破裂,称为潜变破裂。因此,这种金属慢性病虽然不会马上发生,却是许多金属材料会有的现象,破裂后也会产生重大的危机。

  金属的慢性病与人体的慢性病一样,不是那么容易观察到,而是必须经过一段时间的观察与检验。如果是延迟破断所造成的裂缝,可把金属材料沖压成杯状,并浸渍在酸或硷的化学溶液中,再利用动态摄影机拍摄其变化情形,有可能几分钟、几小时或几天内会有裂缝产生,如此可以确认发生延迟破断的金属慢性病的敏感性。

  若是潜变造成的慢性病,可以利用疲劳试验机检测。疲劳试验机是对材料施以振荡反覆周期模式的应力,测试其发生破断的周期数,进而评估其耐疲劳性质或潜变的敏感性。

  金属材料在高温及低温都可能脆化。高温时,有可能产生一些硬而脆的析出物,若析出状态很明显,材料受到负载及应力就会发生脆化现象。而在低温环境中,若金属材料不具抵抗低温环境的能力,就会脆化,即使是强硬的钢铁也会。

  金属材料的骨质疏鬆病是由于材料脆化所造成,而会造成材料脆化一般多与材料内部的析出物及杂质有关。检验方法是利用光学显微镜观察材料内部是否有过多硬脆的二次相,若二次相尺度太小,则需使用电子显微镜观察。若观察到很多有害的二次相,就可研判是二次相的析出物造成材料的脆化。

  金属材料也会有类似人类癌症的病症吗?当金属某些元素过量,在一定的高温区间下停留时间太长,加速元素的扩散,原本正常的组织会因为元素的扩散,在凝固及冷却过程中产生另外一种组织,这处的组织相当于人体的细胞,最终成为一种不好的二次组织(二次相)。当这种二次组织含量过多时,会使金属不堪使用,这相当于癌细胞占据金属内部而造成不健康。

  观察金属是否罹患癌症,可取样再利用光学显微镜观察其内部有多少正常组织及不良组织。从不良组织占据的情况,可以判定癌化的程度。若要更清楚金属的癌化情形,可以利用电子显微镜定量分析不良的组织。

  人体中若有病毒或癌细胞,必须从特定的部位取切片,再把切片处理后的组织置入生物显微镜下观察。金属材料也是一样,若金属生病了,也有一种专属的技术去检验及观察,称为金相技术。

  金相显微技术有一系列的前处理过程,包括选择试片取样位置、切割试片、把试片冷镶埋或热镶埋以利研磨、研磨(粗磨及精磨)试片、试片抛光、试片的化学浸蚀以去除非金属成分、试片的显微镜观察,这些过程需要很多检查设备及耗材。

  取样位置是选择金属病症的所在位置,以切割机进行机械切割,再把切割后的试片放入模具中,并以树脂加硬化剂倒入模具内,凝固后脱膜,称为镶埋。再把镶埋后的试片以旋转式研磨机利用砂纸粗磨及精磨,由低号数砂纸磨到高号数砂纸。研磨后的金属试片仍有细刮痕,须以抛光去除,即利用抛光氧化铝粉对金属抛光。抛光完的试片必须呈现镜面的状态,也就是可以像镜子一样照到自己。

  再把镜面的试片浸入化学溶液中数秒或数分钟以去除非金属,取出试片沖水后吹乾。化学浸蚀是为了呈现出金属的金相组织,相当于人体若要进行断层扫描检查,有时必须注射显影剂方便成像,以看清楚内部组织的变化。

  这种金相浸蚀术可以指出前述所有病症的原因。因为金属材料的组织会直接影响其性质,所以检查金属的病症多以金相显微浸蚀术为首要的检验及判定技术。

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