金屬材料（Metallic Material）

金屬材料（Metallic Material）

國立台灣大學材料系二年級郭丁元∕國立台中第一高級中學化學科薛朋雨老師修改∕國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

金屬是一種具有光澤、展性、延性的材料，展性代表金屬可以被打成薄板的能力、延性則是意味著金屬可以被拉成長線的特性。同時，金屬也是電和熱的良導體。通常只有用來鑄造錢幣的金屬，例如：金、銀、銅，在自然界中是以元素態存在外，其他大部分的金屬都會被空氣中的氧氣所氧化，形成金屬氧化物。

當科技日新月異，我們冶煉金屬的能力越來越純熟，而金屬材料的用途也越來越多元。因為銅礦相較於金和銀的產量，相當豐富，而且在自然界中又是以元素態存在，所以早在數千年前就被廣泛地應用，現在仍是生活上重要的金屬材料之一。將金屬銅和其他元素熔融，混合成均勻相的合金，不僅可以降低熔點，還能提高材料的強度。因為合金是一種溶液，根據凝固點下降的原理，所以大部分的熔點會較純金屬低。熔點下降帶來的好處，為方便材料製程的進行。

另外，混合其他元素的合金也會改變材料原先的一些性質，例如：硬度、導電度等。我們以不銹鋼為例，不銹鋼是鐵、鈷、鎳的合金，對於腐蝕有很好的抵禦力，廣泛使用在廚房等較為潮濕的環境。而在鐵中添加碳元素，也可以形成強度更高的合金鋼，在建築材料上深受喜愛。除此之外，最近當紅的鋁合金，因為其密度低、重量輕巧，被視為航太材料的基礎，但其活性太大，其金屬材料的製備必須要利用電解。

一般來說，合金的型態可以分成兩種。一種是取代式合金、另一種是插入式合金。在取代式合金中，外來的金屬原子，也就是溶質，取代原先在晶格上的溶劑原子，他們必須大小相近，帶電量差距不大，金屬間所形成的化合物有一定的結構，因此產生固定的組成比。在插入式合金中，當作溶質的金屬佔據由溶劑金屬堆疊晶格的空隙中，通常插入的原子較小，而且固溶的濃度較低。

展性對於金屬而言，是一個相當重要的性質。金屬之所以可以被敲打成扁平狀，是因為金屬原子的排列被外力所打亂，因此造成塑性變形。例如：一條排列整齊的原子列，可能因為被外力推擠，而移出金屬原子的最密堆疊。在外加應力的情況下，這種缺陷允許金屬原子移動，稱之為差排。

利用敲打來加工金屬，的確增加了金屬的塑性變形量，但也會造成這些缺陷彼此交錯，差排因此彼此交纏、固定不動，也就阻止了金屬原子的移動。因此，加工有助於金屬材料的硬化，但是會降低金屬材料的延展性。