硬度計原理

1、請說明材料種類和其具有代表的特性

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討論為何材料的韌脆性不能只靠拉伸等靜力試驗來判定? 3. ... 試說明維氏硬度試驗, 金鋼石方錐壓痕器對面角為136 的理由? ... 蕭氏硬度值偏高或偏低各由哪些因素造成? 1、請說明材料種類和其具有代表的特性 SHARE HTML DOWNLOAD Size:px Startdisplayatpage: Download"1、請說明材料種類和其具有代表的特性" Error: DownloadDocument 坟楚姬 5yearsago Views: 1德霖技術學院機械材料實驗(自編教材)班級:學號:姓名:老師:張添財102年02月25日2目錄第一章簡介...1第二章拉伸實驗...9第三章衝擊試驗...24第四章硬度實驗...33第五章疲勞試驗...57第六章壓縮實驗...67第七章彎曲試驗...73第八章剪斷實驗...79第九章磨耗試驗...84第十章火花試驗...91第十一章金相技術第十二章熱處理與冷加工第十三章碳鋼正常化組織第十四章碳鋼淬火回火組織參考資料3第一章簡介一機械材料實驗的意義及應用機械材料之性質主要可分為物質性理化學性質及機械性質,其以機械性質為最重要我們為了解材料之機械性質,而利用各種材料試驗儀器加以試驗,以期獲得材料之機械性質有關的各種數據,依試驗結果作為產品設計及製造之依據,以確保材料之適用性與安全性機械材料實驗在工業上的應用包括:1.設計研發:利用實驗所得的材料特性,作為工程司在機械設計時參考2.品管檢驗:包括物料品管製成品館成品品管材料堪用性檢測等項目3.破損分析:針對間或成品破壞時,原因分析及對策探討4.新製品研發:在開發產品或製程時,利用實驗做研發結果評估學生在學習機械材料實驗課程時,應達到之目標如下:1.瞭解各項實驗的目的及意義,並能瞭解其應用2.熟悉各項材料實驗設備構造及操作方法3.瞭解並熟悉金相試片準備過程金屬材料之顯微組織及金相拍攝過程4.由實驗過程驗證相關理論課程,如材料力學熱處理鑄造等二實驗室安全衛生教育訓練(一)遵守實驗室規定1.不可在實驗室內飲食2.上課請準時,勿遲到,中途離開及早退3.未核准使用之設備請勿任意開啟或碰觸4.未經核准不得擅自材料區取料5.實驗前檢查設備狀況,結束後應妥善保養設備6.不熟悉的設備應待充分了解後始得操作7.應遵守實驗室安全規定不得在實驗室打鬧嬉戲(二)實驗室安全與衛生:實驗最重要的是安全,操作人員除了謹慎之外,必須正確操作實驗設備,才能避免傷害發生1.造成傷害原因:(1)直接原因:(a)能量:如機械能電能化學能熱能輻射能(b)危險物或有害物(2)間接原因:(a)不安全的設備:如機械設備未有妥善的防護採光照明不良危險物有害物容器未有適當之標示等(b)不安全的環境:如未遵守標準作業程序使用不當的手工具未用適當之必要24防護具等危險物:爆炸性物質著火性物質氧化性物質引火性液體可燃性氣體及其他物質經中央主管機關指定者有害物:致癌物毒性物質劇毒物質生殖系統致毒物刺激物腐蝕性物質致敏感物肝臟致毒物神經系統致毒物腎臟致毒物造血系統致毒物及其他造成肺部皮膚眼黏膜危害之物質(三)材料實驗可能造成的傷害如下:1.機械性傷害:如衝擊實驗可能造成撞傷火花實驗可能造成磨傷或其他機械之夾傷等輕微出血傷害可直接在出血處覆蓋消毒紗布加壓止血,在送醫消毒處理(1)機械動作捲入點,係由於轉動體所發生的特殊危險當機器部份相對轉動,或一部份固定一部份轉動時,即產生一動作捲入點物或身體可被捲入而碎裂如滾軋機鍊條及鍊輪皮帶及皮帶輪齒輪及齒條齒輪組等(2)機械動作切割動作,係由於機器的直線及轉動等動作去掉物料所產生,此項動作的危害多在切割木材金屬或其他材料時的工作點而發生(3)機械動作衝截彎動作,係由於動力操作的撞鎚柱棒,或刃片而形成,其危險在當物料進入進行或退出工作點時發生機械安全防護:機械防護(machineguarding)乃係針對機械設備可能發生危害的部位,設置適當的安全裝置,或在其週圍採取有效的防護措施,以減少機械傷害的發生機械防護之目的(1)防止人體的任何部位與機械設備的操作點捲入點及運動機件等可能發生危害的部位或區域直接接觸,以免造成傷害(2)防止人員在工作中被機械操作產生的飛屑火花或其他可能斷裂的物料與零件擊傷(3)防止機械失效電氣失效時所造成的傷害(4)防止操作人員因個人的因素如疲倦或疏忽等而造成的意外傷害機械防護之優點(1)掃除工作人員恐懼機械之心理(2)根除操作人員人為因素之過失(3)節省因災害所產生之直接損失及間接損失(4)提高工作情緒,提高生產效率與品質機械安全防護實例(1)全部及簡單固定護罩:圍屏或圍罩只容許物料進入,但手不能進入危險區,其進料口的大小,距離位置有其相互關係(2)警告或圍罩:圍屏或圍罩可容員工手進入,但未達危險區前已警告有危險(3)電動或機械式的圍屏:當操作工人身體部分觸及圍屏或接近它時,圍屏能快速停止機械或防止受傷壓力的作用(4)用電力或機械連鎖裝置之圍護:當圍護裝置在打開位置時,圍罩及圍屏即35切斷電力,並防止機械開動;當機械在轉動時,防止圍護打開(5)非人工或部分人工進料裝置,而工作點經圍住者:圍護可保護人體伸入危險區,如各種管槽式漏斗式輸送帶式轉盤式捲入式之進料裝置(6)推手裝置護圍:一種裝在壓件上的甩手圍護,可將手推離危險區(7)拉開手位置:一種鋼繩操作之衝頭上裝置,連至操作者上之手臂,當手在危險位置時將其拉開(8)電動的位置:藉雙手壓按串聯開關,以操作機械(9)機械的裝置:同時以雙手壓操縱氣門,機械臂桿,連動腳踏操縱或移去插梢,墊塊或阻止梢等,可使機械正常操作(10)限制推塞行程:限制推塞行程,使手指不能進入危險點(11)電眼:手在危險區域時,電眼的光線可快速停止機器或防止發動2.熱傷害:由於熱處理(高溫)實驗所造成的傷害灼傷時須立即用清水沖洗約15分鐘後送醫(1)對於不知熱度的材料不得以手碰觸(2)熱處理操作須戴手套並利用火鉗挾持試片(3)燙傷需立即以清水沖洗15分鐘後再作後續處理3.化學性傷害:如金相腐蝕劑化學藥品的煙霧等之接觸食入或吸入,化學灼傷應先以清水沖洗在送醫處理,傷害時切記以其他化學藥劑中和實驗室常見的化學藥品危險性如表11(1)嚴禁火源進入實驗室(2)化學藥劑調配計量與順序需正確,且調配時旁邊應放置大桶清水備用(3)當化學調配不當冒煙時,應立即稀釋,並作通風疏散(4)化學藥劑應放置穩固,避免搖晃震動傾倒(5)酒精清洗應避免吸入,必要時應戴口罩(6)化學灼傷時應立即以清水清洗15分鐘後再作後續處理表11材料實驗是常用化學藥品特性化學藥品酸鹼性特性對皮膚腐蝕硝酸強酸與空氣接觸會生成煙霧,避免吸入可會雨水無限制混和苦味酸酸性黃色晶體用於火藥染料;須遠離;需染成黃色貯放於較冷處王水(鹽酸加硝酸)強酸與空氣接觸會褪色會氯化鐵加鹽酸酸性安全性與鹽酸注意事項相近會氯化銅加鹽酸酸性安全性與鹽酸注意事項相近會氫氧化鈉強酸與空氣接觸易產生潮解會氫氟酸酸性會腐蝕玻璃與空氣接觸會生成煙霧易溶於酒精及水,氣態具腐蝕性,極毒應避免吸入有毒與皮膚接觸隔天才會疼痛4.電氣傷害:電氣災害電流通過人體,產生之熱能引起人體組織損傷,嚴重局部壞死;電流通過人體心臟,引起心室顫動造成死亡46電氣災害類型:感電災害電弧灼傷電氣火災靜電危害雷擊災害(1)避免手腳潮濕碰觸高電量設備(2)不得任意開啟未經核准使用之設備5.火災必須具備三個必要條件:可燃物(可燃性物質),氧氣(空氣等)熱能(溫度)必須三者同時存在,燃燒才會發生,缺少其中任何一項,就燒不起來6.火災對人之危害1.氧氣耗盡2.火焰3.熱4.毒性氣體5.煙7.爆炸為一種急劇之燃燒,因驟然發生化學與物理等反應,引發氣體體積之急速膨脹現象稱之為爆炸在形成機械能量之過程中,常伴隨震波之發生8.燃燒與爆炸的不同處在於,燃燒乃是可燃物事先並未與氧氣混合,直至引火後才與氧反應;而爆炸係可燃物事前先與氧氣混合,然後再點火,才造成爆炸表12火災分類類別名稱說明滅火與減災方法A類火災普通火災普通可燃物如木製品紙纖維棉布合成只樹脂橡膠塑膠等發生之火災通常建築物之火災即屬此類可以藉水或含水溶液的冷卻作用使燃燒物溫度降低,以致達成滅火效果B類火災油類火災可燃物液體如石油或可燃性氣體如乙烷氣乙炔氣或可燃性油脂如塗料等發生之火災最有效的是以掩蓋法隔離氧氣,使之窒熄此外如移開可燃物或降低溫度亦可以達到滅火效果C類火災電氣火災涉及通電中之電氣設備,如電器變壓器電線配電盤等引起之火災有時可用不導電的滅火劑控制火勢,但如能截斷電源再視情況依A或B類火災處理,較為妥當D類火災金屬火災活性金屬如鎂鉀鋰鋯鈦等或其他禁水性物質燃燒引起之火災這些物質燃燒時溫度甚高,只有分別控制這些可燃金屬的特定滅火劑能有效滅火通常均會標明專用於何種金屬滅火器,滅火器文名稱為FireExtinguisher,是一種簡單,輕便,經濟,有效的滅火設備,對初期火災的撲滅最具效果.滅火器由最早期之滅火彈(FireExtinguishingBomb)演變而來因滅火彈構造過份簡單,效力有限,使用範圍不廣,目前已幾無再製造使用者簡單分類如下:1.乾粉滅火器:ABC乾粉滅火器,適於搶救ABC類火災BC乾粉滅火器適於搶救BC類火災2.海龍滅火器:適用於ABC類火災,滅火效果最佳,惟海龍滅火器會破壞臭氣層,所以一九九四年國際公約規定海龍滅火劑零生產零消費,換言之已生產之海龍滅火劑可以繼續用,但不再繼續生產573.二氧化碳滅火器:適用於BC類火災,但滅火效果遠不如乾粉海龍滅火器4.水滅火器:最好之滅火物質,適合AB類火災,我國較不常見5.潔淨滅火器(海龍替代品):這類滅火器是最新的產品,目前在國家標準1387中並無明確之種類,但市面上有HFC227ea(FM200FE227)HFC125Novec1230Inergen(IG541IG55)及Ar(IG01)等五種海龍替代品,均符合NFPA2001零污染滅火藥劑系統規範,雖然國內現無相關檢測標準,但有部分廠商已將這些藥劑用來製作滅火器6.泡沫滅火器:這種滅火器已經很少見,適用AB類火災,使用前必須先將滅火器倒過來乾粉滅火器使用方法:1.拉:拉開安全插梢2.拉:拉起皮管,朝向火源根部3.壓:壓下手壓柄,左右移動皮管掃射接近火點4.確認:熄滅後,用水燒熄餘燼,保持監控,確認火勢已熄滅使用注意事項:1.使用滅火器時需位於上風處2.確認滅火器壓力表指針是否位於綠色範圍3.適用火災類別:依現場狀況選擇合適滅火器,如電器類火災不得泡沫滅火器4.有效射程:一般滅火器有效射程約為五公尺左右,必須在有效射程內才能發揮最大功效5.藥劑噴灑時間:一般滅火器有效噴灑時間約為十至十五秒左右6.使用二氧化碳滅火器時務必握住手柄部份,以免凍傷室內消防栓使用方法:1.平時多注意消防栓的位置2.發現火警按下手動報警按鈕3.報警警示燈會閃和鈴聲大作4.打開消防栓箱5.取出瞄子(噴嘴)6.取下水帶7.注意接頭是否牢固8.轉動制水閥689.小心反作用力非常大10.一定要緊握瞄子噴嘴11.轉動瞄子噴嘴選擇適當射水方式(四)意外案例探討分析:發生時機:新手或畢業前1.東勢國中陶藝課國三女壓傷手掌(2007年01月13日)2.台藝大雕塑系學生疑操作不慎遭釘床斷指(2012年04月09日15:41)3.美國名校耶魯大學1名天文物理學大四女生於前天淩晨死於化學實驗室,頭髮被車床絞纏死因為頸部受壓迫窒息身亡(2011年04月15日)4.新北市一對就讀師大附中雙胞胎,不料哥哥與弟弟聊天時,一時不察將右手放進絞肉機,母親開啟電源,手指遭運轉的絞肉機捲入5.輕便雨衣勾貨車,女大生遭輾斃6.雲林有個17歲少女在洗床單時,誤觸洗衣開關少女手臂遭扭斷7.7歲的焦小弟弟,因為父親準備調職,幫忙銷毀資料時,右手卻卡進碎紙機裡8.一名孝順的6歲男童,協助開小型家庭工廠的父母,進行銅線壓模,昨午母親外出買便當,忘記關閉壓模機電源,男童繼續幫母親分擔工作,小手卻不慎遭壓模機壓斷兩指前節年6月10日安徽和縣一名3歲幼童在玩耍時不慎將左手插進一台絞肉機中10.高醫大學實驗室傳出化學氣體外洩及疑似氣爆聲(2009年07月22日)11.聯電夏令營七學童製作彈珠汽水在加入小蘇打粉時突然引發氣爆受傷12.華夏建築系學生為了趕畢業設計作品,熬夜趕工至前天凌晨後,竟在超商前昏厥送醫不治13.某學院電機科學生在實習工場發生電擊身亡事件,配電箱在通電情況下,左胸誤觸箱門面板背部帶電體,遭220V電擊致死14.冷氣漏電高中生感電死亡案例(220V),原因冷氣機水管破裂,地上有積水,除水時不慎觸電15.台北縣新莊市一名婦人因路燈電桿漏電,導致感電死亡三實驗注意事項1.上課方式:理論講解(23週)分組實驗(89週)分組討論(2週)綜合報告(3週)2.實驗分組:以47人為1組,視班級人數最多不超過10組為原則,設組長1人3.儀器使用:各種儀器價格昂貴,購買不易,應珍惜使用,必須依據操作步驟或儀器使用規則,使用前檢查與校正實驗中若發現不正常或不會使用時,須立刻報告老師處理,切記隱瞞或自行解決,此可能導致發生意想不到的後果4.實驗善後工作:儀器正確使用與適當保養,可保持儀器精確性與壽命增長,因此79最後使用者需擦拭保養清點數量及歸位如有損壞或數量不符時,全組人員共同負責賠償修理責任下課前班長需填寫使用紀錄表,由值星組別負責實驗室清潔工作,包含關閉電源桌椅歸位關好門窗等5.選擇規範:一般規範使用對實驗的設備材料程序加以規定,實驗者必須符合規範要求才能得到大家的共同接受的實驗,否則實驗僅能當作特例而無共通性常引用規範如表13:表13常見的各種規範代號規範代號規範CNS中國國家標準ASM美國金屬協會JIS日本工業規格AISI美國鋼鐵協會ISO國際標準化組織ASTM美國材料試驗協會DIN西德國家標準ASNT美國非破壞檢測協會6.實驗流程規劃:一般實驗必須包括的流程如圖11,各個實驗的流程不盡相同,實驗者必須做好規劃,可以縮短實驗時間,減少實驗錯誤發生並能使學習者掌握整個實驗的進行過程7.實驗參數設定:實驗參數的選定大多在做實驗之前,不同的實驗參數得到的實驗結果便不相同,實驗者必須事先做好規劃實驗中常設定的參數包括:材質:如低碳鋼中碳鋼高碳鋼不銹鋼鑄鐵鋁合金銅合金處理情形:如退火正常化淬火回火或其他熱處理;冷加工;銲件;表面處理...等溫度:例如拉伸疲勞衝擊可做不同溫度實驗試片準備與量測設備準備與校正實驗參數設定8實驗進行實驗觀察紀錄數據數據分析圖表分析結果討論圖11一般實驗的流程圖不同參數組合應用可以做出許多富變化性而有趣的實驗結果8.實驗紀錄:實驗過程必須忠實記錄實驗數值,可輪流擔任紀錄者,紀錄在實驗課本實驗紀錄簿或白紙上,才可進行數據處理分析,並以數位相機拍照記錄實驗過程9.數據處理:由於實驗數據是實驗的重心,因此對實驗數據忠實的呈現是做實驗者最基本的態度實驗的數據包括原始數據與整理數據原始數據係指未經整理的數值圖表照片整理數據係指經過計算彙整分類歸類的數據或圖表以下就數據統計及圖表的製作做粗略的說明:10數據統計:一般經多次重覆實驗的數值,大多取平均值的方式統計,首先將特異點剔除再求平均值,須注意平均誤差值及有效數字在某些應用上,數據相關鍵檢定是求兩個參數之間的相關程度與趨勢;迴歸分析是為求得一接近的經驗公式統計是一門專業課題,不過簡單統計大多可以交由電腦工程軟體計算表:對於不同類型數據的處理可以用表來呈現,再比較上也較方便表製作的順序為(1)列出所有數據;(2)數據分類;(3)數據計算;(4)彙整成表表的型式有許多種,包括單欄式雙欄式複欄式混合式,視數據的種類而定例如表14是衝擊實驗結果彙整表表14衝擊實驗表格製作範例試驗溫度αWRβEθ斷面積衝擊值延性%%%%α:重錘提升角β:重錘打斷提升角E:吸收能量(kgfm)θ:試片折斷角段面積(cm2)衝擊值(kgfm/cm2)圖:圖包括一般圖及統計圖一般圖如流程圖構造圖配置圖等統計圖則是針對數據處理所做,若依照型式分包括線型圖棒狀圖點狀圖堆疊圖餅形圖等,連續性的數據可用線型圖表示非連續間段數據可用棒狀圖表示,僅標示實驗點可用點狀圖表示,要呈現累積效果可用堆疊圖;要強調百分比的可用餅形圖圖形若依照座標尺度來分可分成線性與非線性,線性為等間距尺度,非線性常用對數尺度,像是疲勞實驗之SN曲線圖材料CCT圖皆是非線性尺度四實驗報告實驗報告是整個實驗計畫過程結果分析的紀錄,從報告可以看出學習者對實驗規劃的縝密程度,更可以看出實驗過程是否正確,實驗結果與分析能力實驗報告書寫的要點包括:1.封面:包括實驗項目組別人員日期2.實驗目的:最好以條列方式明顯界定要達到的目的3.實驗設備與材料:設備註名廠牌規格型號,亦可以照片或圖呈現材料圖示形狀尺寸材質處理情形4.實驗原理:說明實驗所根據的理論基礎與原理,如重要公式原理圖基本原理5.實驗步驟:依照實驗設備條列式書寫,或製作流程圖6.實驗數據分析:包括原始數據照片圖表及整理比較圖表照片7.結果與討論:將所得的實驗結果與理論值比較,並針對實驗結果進行討論8.實驗心得911第二章拉伸實驗一前言拉伸實驗是求材料機械性質與觀察材料破壞過程最重要的實驗項目之一CNS規範對拉伸實驗的定義:係使用拉伸試驗機,徐徐拉伸試片,測定降伏點(降伏應力)降伏強度(安全應力)抗拉強度降伏伸長率破斷伸長率及斷面縮率等項目之全部或一部份資料之試驗熟悉萬能材料試驗機之操作及性能求得材料的工程應力工程應變曲線圖,以瞭解材料受拉力時,於彈性變形及塑性變形範圍內,材料本身抵抗伸長變形的能力及斷裂的特性測定材料的彈性係數彈性限比例限降伏強度抗拉強度伸長率及斷面縮率等數種材料機械性質參數,藉以判斷材料抗拉力延性及韌性,以提供工程設計或研究發展的基本參考數據二實驗目的1.熟悉萬能試驗機的操作2.得到材料的荷重伸長量曲線及應力應變曲線,並觀察材料拉伸與破壞的過程3.求得材料相關機械性質,包括比例限降伏強度彈性係數抗拉強度破斷強度伸長率斷面縮率等4.觀察材料破斷面三使用規範1.CNS總號9470拉伸試驗機2.CNS總號9471拉伸試驗機檢驗法3.CNS總號2111金屬材料拉伸試驗法4.CNS總號2112金屬材料拉伸試驗試片四實驗設備與器材1.拉伸試驗機拉伸試驗通常以萬能試驗機試驗,萬能試驗機選用不同的夾具與試片放置位置可以做拉伸壓縮彎曲剪斷等試驗萬能試驗機的構造分成四大部分:負荷裝置試桿夾持裝置負荷指示或記錄裝置或記錄裝置安全或緩衝裝置試驗機裝置如圖21其敘述如下:(1)負荷裝置:一般以油壓系統傳動,帶動下夾頭向上或向下移動,下夾頭與底座則固定不動試驗機的規格一般以試驗機的最大負荷表示,如10頓50頓試驗機負荷大小或速率調整可用指針式(傳統型)數值式(按鈕型)或電腦操作1012(2)負荷裝置:一般以油壓系統傳動,帶動上夾頭與底座同時向上移動,下夾頭則固定不動試驗機的規格一般以試驗機的最大負荷表示,如10頓50頓試驗機負荷大小或速率調整可用指針式(傳統型)按鈕型(數值式)或電腦操作(3)試桿夾持裝置:一般以夾具夾持試桿,拉伸試驗時夾具固定在上下夾頭間,試片由夾具切齒夾持做拉伸,如圖22有時為改善夾持效果可採用階級或螺紋夾具夾持夾持裝置必須注意夾持的同軸性滑動及剛性圖21萬能試驗機試驗(4)負荷指示或記錄裝置:油壓缸力量經力量感測器(如圖23)或負荷單元(loadcell)轉換到負荷指示或記錄裝置常用的負荷指示有:負荷指針與刻度盤紀錄紙外接紀錄器A/D卡與電腦(5)安全與緩衝裝置:安全裝置包括最大荷重與最大行程安全裝置緩衝裝置為負荷急遽下降的緩衝裝置2.伸長計(extensionmeter)與應變規(straingage)伸長計或應變規(如圖23)主要適用於精確量測材料伸長量的裝置,伸長計是利用夾持方式固定在試片上,可以重複使用,但大多數伸長計須在試片斷裂前拆下,否則在試片斷裂時伸長計會損壞伸長計的種類很多,須配合使用條件選用伸長計依照量測方式區分為:(1)電子式:包括差動變壓式及應變規式,測量較為精確,測量範圍一般在25mm以下,大多可以分段調整必須配合訊號放大裝置來量測伸長量1113(2)機械式:大多使用量錶式,量測精準度為0.01mm及0.001mm兩種,測量最大範圍大多在10mm以下,可直接讀出伸長量不需經訊號放大圖22試桿夾持裝置伸長計在使用場合上可分成拉伸用及壓縮用兩類應變規一般是消耗性的小貼片,利用黏貼固定於試片表面,應變規是利用金屬導線電阻值的改變來量測應變量,由於應變規的輸出信號非常小,常常僅數μv~mv要直接顯示或記錄十分困難,因此需要配合應變測定器使用由於拉伸實驗時應變量會隨時改變,選用動態應變測定器較適合此外,由於應變規便宜而操作方便,故使用情形較多以下對於應變規略加說明:(1)應變規的選擇:應變規的電阻元件形式包括:線狀箔狀半導體等,其中箔狀使用最多,約佔80~90%應變規基座材質以Phester及polyimide樹脂材質使用最多應變規的長度從0.2~1200mm有許多種可供選擇,須依照使用目的及測定材料而定,其中2~10mm長度使用最多1214圖23用以測試拉伸應力應變之裝置的示意圖移夾頭,試片被拉長,作用負荷與伸長量的大小分別由力量感測器與伸長計來量測(2)應變規的接著程序:應變規一般是利用接著劑黏貼在試片表面,黏貼的程序如下:先將預測地方做表面處理,除去油脂灰漆電鍍,可先用砂紙砂光在用丙酮擦拭決定欲黏貼位置後,用鉛筆畫上標記加入接著劑,在應變規的底變加上1~2滴接著劑黏貼應變規,將應變規中心線對準鉛筆標記迅速黏貼,上面並覆蓋一層塑膠片,用手指壓住並擠出多餘接著劑,加壓約1分鐘,待接著劑硬化後撕去塑膠紙黏貼端子,利用接著劑將端子黏貼於應變規底座5~10mm處,將端子導線接上應變規導線,並銲接接合處連接測定儀器,取三蕊導線一端接在端子處(纏成兩蕊),並銲接接合處,另一端接在應變測定儀器處,並修剪接角3.其他工具:游標卡尺或分厘卡,畫線針4.試片:一般常用的試片包括棒材如CNS4號8號及10號試焊,如圖24(a)扁平狀試片如CNS5號6號7號試片,如圖24(b)其他用途試片可參考CNS2112號規範直徑標點距離平行部位之長度肩部半徑DLPR約以上CNS4號試片試片種類試片鑄造尺寸(直徑)平行部位之長度P直徑D肩部半徑R8A約13約以上13158B約20約以上8C約30約以上8D約45約以上CNS8號試片直徑標點距離平行部位之長肩部半徑度DLPR約以上CNS10號試片寬度標點距離平行部位之長度肩部半徑厚度WLPRT約以上材料之厚度CNS5號試片寬度標點距離平行部位之長度肩部半徑厚度WLPRT158AL+約以上材料之厚度CNS6號試片寬度標點距離平行部位之長度肩部半徑厚度WLPRTT以上4A約1.2L約15材料之厚度CNS7號試片RD22L220PR(a)圓形試桿TwLP(b)扁平形試桿1416圖24拉伸試片五實驗原理拉伸試驗是將試片夾在上下夾頭之間,由下夾頭向下移動將試片拉長,同時記錄拉伸時的荷重,而得到荷重伸長量曲線圖,經由轉換可以得到應力應變圖,並能求得材料機械性質拉伸試驗相關原理將分下列數個單元作簡介:(1)荷重伸長量與應力應變圖(2)比例限(3)彈性限與彈性係數(4)降伏與降伏強度(5)抗拉強度(6)破斷應力(7)伸長率(8)斷面縮率(9)破斷面分析1.荷重伸長量與應力應變圖(1)應力(stress):材料單位面積所承受的力量大小σ=p/a常用單位為kgf/mm2相同應力時,材料面積愈大則能承受愈大的力量為計算方便,材料的斷面積以未拉伸前的試片面積A0(原斷面積)計算時,所得到的應力稱為工程應力若隨拉伸時不斷縮小的面積計算得到的應力稱為真實應力(2)應變(strain):材料單位長度的伸長量ε=δl/l無單位伸長量Δl(mm);材料長度l(mm),若材料長度以拉伸前原長(l0),計算稱為工程應變若隨拉伸時不斷變長的材料長度計算稱為真實應變(3)荷重伸長量曲線圖:拉伸試驗完成後,由萬能試驗機(傳統型)所繪出的原始圖,縱軸為荷重,橫軸為伸長量如圖25常見的荷重伸長量曲線圖及其區分,如圖26PMPB荷重kg最大荷重斷裂點應力(荷重/面積)kgf/mm2伸長量(mm)應變(伸長量/標點距離)1517(a)荷重伸長量曲線圖圖25荷重伸長量曲線圖與應力應變曲線圖(b)應力應變曲線圖最大荷重最大荷重斷裂點斷裂點荷重kg荷重kgABCDACD伸長量(mm)伸長量(mm)(a)延性材料(低中碳鋼)(b)一般延性材料(鋁銅)斷裂點抗拉強度σS=PM/A0破斷強度σB=PB/A0荷重kgA:彈性區B:降伏區C:應變硬化區ACD:頸縮區伸長量(mm)(b)脆性材料圖26常見的荷重伸長量曲線圖(4)應力應變圖:工程上對材料性值的探討,大多是以應力與應變為主,所以將荷重伸長量曲線圖經過換算,縱軸除以材料原面積(A0),橫軸除以材料原長(l0),便得到應力應變圖,如圖25(b)2.比例限(proportionallimit)材料荷重與伸長量在試驗初期時會呈正比例的關係,也就是依照虎克定律關係變化,取其最大荷重所求得的應力值就是比例限在試驗中可以用兩種方式來求比例限:(1)利用荷重伸長量曲線圖直線部分的最大荷重求應力值,如圖27(2)利用伸長計觀察荷重與伸長量的關係,當荷重與伸長量開始偏離線性關係的點,其應力值便是比例限1618荷重kg(1)畫直線做圖線(2)求頂端交點荷重PP(3)PPP2σP=PPA0(b)比例限求法P1X1X2伸長量(mm)(a)荷重伸長量曲線圖圖27比例限與彈性係數E=(P2P1)/A0(X2X1)/L0(c)彈性係數求法3.彈性限與彈性係數(elasticlimit&modulusofelasticity)彈性限為材料在荷重作用下不發生永久變形的最大應力在實際試驗的過程中很難觀察或計算出彈性限,必須藉著拉伸去除拉力反覆試驗求得彈性係數是表示材料剛性(stiffness)好壞的指標若以公式表示E=σ/ε,為材料在比例限內,應力與應變的比值在試驗中,彈性係數法一般可以用應力應變曲線圖,直線部分的斜率來表示如圖27彈性變形並非永久的,當釋放作用負荷時,試片會恢復原有的形狀彈性應變(彈性變形):當材料受外力之作用下,所產生之變形為可逆的,即把外力除去後變形就消失了,而恢復其原狀的,此種變形稱為彈性變形塑性應變(塑性變形):當外力超過該材料之彈性限度時,其變形就成為不可逆的,即使把外力除去後,其變形仍然存在,此種變形稱為永久變形或塑性變形4.降伏與降伏強度(yield&yieldstrength)降伏是指材料受力超過彈性限後,材料受力不再增加,而卻繼續產生變形的現象降伏強度即是發生降伏現象的應力值降伏強度在機械設計上是相當重要的參考,常做為材料安全應力的標準不同材料對降伏的定義也不相同,對降伏強度的求法也就不同其說明如下:(1)有明顯降伏現象的材料:像是低中碳鋼材料,在拉伸過程時便可觀察到降伏現象,其一是材料所受的力量停留在某一點不動或稍微下降,而材料卻仍然在伸長,降伏過後,材料荷重又繼續上昇在荷重伸長量曲線圖可明顯看出,如圖28此種材料有上下降伏點,若不需特殊區分一般以上降伏點稱為降伏點其二是在降伏期間材料可能會出現與拉力軸程45度的皺紋(一般稱為魯德帶Lüdersbands)降伏強度便是降伏點的應力值1719σ=pM/A0(kgf/mm2)(2)無明顯降伏現象的材料:大多數延性材料無明顯降伏點,要定義降伏點大多採用橫距法(offsetyield),一般以0.2%(應變為0.002)的永久變形取平行線所得交點定義為降伏點,其應力值便是降伏強度,在荷重伸長量曲線圖上求橫距法的步驟如圖28,當外力作用使伸長量達到此一數值時的應力稱為0.2%偏移降伏強度降伏點僅在未受硬化,熱作過的鋼料及少數非鐵合金上發生,至於大多數的金屬材料,在荷重伸長量曲線上並無明顯的降伏點,此時降伏強度可以由以下三種方法求得:(a)針暫停法:當儀表上的荷重第一次暫停時,讀取荷重,以此荷重除以試桿之原面積A0,既為降伏強度(b)0.2%橫距法(offsetyieldstrengthmethod):此法採用試桿的永久變形(伸長量)達到某一預定數值的應力,做為降伏強度,永久變形伸長量通常是取標距長度0.2%,如圖(b)所示,從M點繪一與彈性比例直線OA平行之直線MB,與荷重伸長量曲線交於Y點,以此點之應力做為降伏點,降伏強度,亦可以由應力應變圖上求得,如圖(b)所示假定試桿標距為100mm,則0.2%變形量為0.2mm,此值太小,根本無法在一般未經放大的荷重伸長量曲線上畫平行線,所以要以0.2%橫距法求降伏強度,必須先在試桿上裝置伸長計,然後再經過放大器將圖形放大數十乃至數千倍,才有辦法求得降伏強度,(c)0.5%全應變法:此為ASTM之規定,如圖(c)所示,在全應變得0.5%處,即M點繪一垂直線MB與曲線交於Y點,則Y點σy即為降伏強度以上三種方法以第二種較準確,亦為大家所接受PY荷重kg伸長量(mm)(a)有明顯降伏現象(b)無明顯降伏現象0.2%橫距法(c)0.5%全應變法圖28降伏強度求法18205.抗拉強度(tensilestrengthorultimatetensilestrength)材料所能承受最大力量除以材料原面積稱為抗拉強度,如圖16(a),或稱極限強度σ=pM/A0(kgf/mm2)抗拉強度是材料最重要的機械性質之一,經由經驗公式可以從抗拉強度推測材料其他機械性質,如硬度疲勞強度等降伏現象是由原子平面滑移造成,變形速度越大,滑移抵抗亦增大,結果使降伏點上升,亦即增加降伏強度依一般規定,當荷重在降伏強度一半之前,可以任何適當速度操作,由此荷重至降伏點,速度應控制在6080kg/mm2min(jis規格),或7~70kg/mm2min(astm規格)之規定範圍內,降伏現象結束後,可以增加拉伸速度直至斷裂為止,因金屬之抗拉強度受拉伸速度的影響較小6.破斷應力(fracturestress)延性材料受力超過最大荷重時,材料能承受的力量減少,同時試片局部地方斷面積急速縮小直到材料斷裂,此現象稱為頸縮(neck)(圖29)材料破斷應力就是材料破斷瞬間的荷重除以材料斷面積,如圖25破斷應力σ=pf/A0A0:材料原斷面積真實破斷應力σ=Pf/AfAf:材料斷裂的斷面積脆性材料破斷應力常常會和抗拉強度相同如圖26(C)荷重,頸縮區伸長量圖29拉伸頸縮試片變化及伸長示意圖7.伸長率一般是指破斷伸長率,即是試片斷裂後,兩標點間距離的增長量對原標點距離百分比利用伸長計測量伸長率時,試片不需畫標點距離,但伸長計的跨距應與試片標點距離相同1921伸長率=(LL0)/L0*100%L0:原標點距離L:破斷試片接合後之標點距離因受兩側均勻拉力,在正常情況下,斷口應發生在標距中央三分之一以內因此,斷口在標距中央三分之一範圍以外者,頸縮部分延伸至標點以外,其伸長率必然較斷口在標距中央三分之一以內者小,如此結果將不準確,應捨棄重做,但如試件有限不便重新試驗,可以八等分法或十等分法修正伸長率8.斷面縮率試片拉斷後,其最小斷面積與原斷面積之差對原斷面積之百分比斷面縮率=(A0Af)/A0*100%9.破斷面分析材料斷裂後可以依照斷裂型態及斷面大致分析材料的延脆性較為精確的分析必須採用電子顯微鏡(SEM)分析一般材料斷口分析如下:(1)斷裂型態常見的斷裂型態如圖210包括:1點狀斷裂:高延性材料頸縮至一點的破壞,斷面縮率達到100%,極軟的金屬,如純金鋁和鉛及高溫下的其他金屬高分子和無機玻璃2局部帶狀斷裂:由於剪力剝裂,頸縮不明顯如銅鋁材等3杯錐狀斷裂:由於剪應力之小洞縫隙機構形成,最後延45斷裂,屬於中等延性材料,如鋼鐵中等程度的頸縮,在頸縮開始後,小的空孔或微孔洞形成,隨變形的增加,微孔洞變大聚合,並合併成一個橢圓形裂縫,其長軸垂直於應力方向,裂縫繼續藉由微孔洞合併,沿著平行方向生長裂縫的外圈沿著拉伸軸成45的剪變形方向發生破壞(圖211)一邊是杯形另一邊是椎形另一種雙杯破壞:在最外圈是由撕裂產生破壞圖210拉伸試片斷裂型態20224平直斷裂:大多是脆性材料,如陶瓷灰鑄鐵等圖211杯錐形破壞的幾個階段(a)最初頸縮,(b)小的孔洞形成,(c)孔洞合併成裂縫,(d)裂縫成長,(e)最後剪破壞發生於與拉伸成45角度的方向(2)斷面觀察拉伸斷面一般分成纖維區(fibrouszone)輻射區(radialzone)剪唇區(shearlipzone)三個部份材料的材質尺寸形狀;試驗的溫度環境;施加負荷的方法等因素,都會直接影響斷面型態,即使同材質材料做拉伸實驗得到的斷面型態也不一定相同一般拉伸試驗時高能量的裂痕延伸大多是延性或韌性破裂,低能量的裂痕延伸屬於脆性破壞除了延性非常好或是非常脆的材料,在拉伸試驗時只會得到一種斷面區,大部份材料拉伸斷面會呈現兩個或三個斷面區一般常出現的斷面型態為:(1)纖維區+剪唇區;(2)纖維區+輻射區+剪唇區;(3)輻射區+剪唇區如圖212(1)脆性材料:抗拉強度小於抗剪強度,因此斷裂均由剪應力產生,斷面與試件軸多成90,所以呈現粒狀平斷口,一般鑄鐵等脆性材料皆為此類破斷型態(2)延性材料:頸縮部分中央之軸向主應力與徑向主應力大致相同,最大剪應力甚小,因此試件多受拉應力而斷裂;中央部位先行斷裂,此即拉斷至2123於邊緣部分則因軸向主應力大於徑向主應力而產生較大的剪應力,故原子平面漸起滑動而造成剪應力破壞,此為剪斷剪斷面大致與試件軸成45所以延性材料斷面通常呈現兩種截然不同的區域低碳鋼延性不銹鋼韌性淬火鋼脆性剪唇區輻射區纖維區輻射區輻射區剪唇區纖維區退火鋼脆性低碳杯錐銅脆性圖212拉伸斷面一般分成纖維區輻射區剪唇區六試驗步驟拉伸試驗操作流程如圖213以傳統油壓式萬能試驗機為例,其相關操作步驟如下:1.試片準備:觀察試片表面狀況量取試片直徑畫標點距離(50mm)或是裝伸長計或應變規並將線路接至紀錄器2.試驗機準備:開機暖機電腦控制則開機進入應用程式3.試驗機設定:最大荷重設定(例如鋼材選用25公噸鋁材選用10公噸)4.夾持試片:夾持試片前須先扣除機台本身重量,一般先讓機台上昇直到面盤歸零指示窗上紅點移到中間位置,再以歸零鈕將荷重歸零將記錄器的伸長位置歸零再將試片夾於上下夾頭間,應注意夾持長度以免試片拉伸時打滑5.拉伸:(1)將記錄筆降低開始記錄將荷重鈕轉至LOAD至OPEN之間(愈偏向OPEN拉伸速率愈快,一般以較慢速率拉伸,即偏向LOAD處)(2)拉斷後將荷重鈕轉至HOLD取下試片荷重鈕轉至RETURN若裝伸長計必須在試片拉斷前先拆除6.觀察及測量:2224(1)在拉伸進行中觀察,並記錄材料降伏荷重頸縮現象斷裂荷重及斷裂時記錄器位置(2)拉斷後測量試片標點伸長量(裝伸長計者不需量)量試片直徑7.計算:根據所得的數據計算材料各項機械性質,並換算應力應變圖畫標距或裝伸長計,量尺寸試片準備試驗機準備試驗機設定暖機電腦開機進入應用程式最大荷重設定拉伸速率設定夾持試片將荷重及伸長量歸零拉伸將荷重鈕轉至LOAD拉伸拉斷後轉至HOLD取試片轉至RETURN觀察及測量觀察降伏頸縮斷裂荷重及位置拉斷後測量標點伸長量試片直徑計算求各項機械性質圖213拉伸試驗操作流程七試驗結果分析1.機械性質分析拉伸試驗後應將結果紀錄於表格中,並且和理論值(從機械性質手冊中查閱)對照比較結果紀錄表如斷面分析分析項目材料情形斷面照片1.伸長率2.是否有頸縮3.斷裂型態(纖維區)4.斷面(輻射區)(剪唇區)表212325材料種類試片編號熱處理方法試驗前D0(mm)直徑試驗後Df(mm)面積原面積A0(mm2)πd2/4試驗後Af(mm2)標點試驗前L0(mm)距離試驗後Lf(mm)伸長率伸長量L=LfL0(mm)%伸長率L/L0*100%斷面縮率%(A0Af)/A0*100%荷重PP(kgf)比例限比例限PP/A0(kgf/mm2)降伏強度抗拉強度破斷應力彈性係數降伏荷重Py(kgf)強度=Py/A0(kgf/mm2)最大荷重Pm(kgf)強度=Pm/A0(kgf/mm2)破斷荷重Pf(kgf)破斷應力=Pf/A0真實破斷應力=Pf/AfE=應力/應變(直線斜率)八實驗討論1.討論何謂0.2%偏移降伏強度?採用0.2%偏移之理由為何?2.討論試桿破斷面狀況可否判斷材料的延脆性?如何判別?3.討論試件在正常情況下斷口應發生於何處?其理由為何?如偏向兩側斷裂時是否會影響伸長率?4.何謂彈性變形與塑性變形?5.討論抗拉強度與硬度有何關係?6.延性試桿其破斷面呈杯錐狀,請討論其發展過程九實驗心得2426第三章衝擊試驗一前言有些材料在靜力負荷下具有良好的強度,但受到瞬間衝擊力量時,往往發生脆性破斷,例如:二次大戰期間,以中碳鋼所製作的船艦,在冰冷的冬天發生脆性破壞因而斷裂衝擊試驗屬動力測試性質,機械在運動中產生的動態破壞或機械失效無法以靜力試驗來預測,因材料表面的缺陷在拉伸過程易受到軸向力的作用,使材料韌性變低,與實際衝擊值有相當程度差異,故須採衝擊試驗以補其不足因此測定材料的衝擊值,以了解材料的韌性,在工程使用時能否避免災難性脆性破壞最好的準則二實驗目的1.測定材料之衝擊值,以了解材料之靭脆性2.觀察材料衝擊迫斷面與衝擊值間之關係3.瞭解材料之韌性與溫度的關係材料在不同溫度下,衝擊值改變的情形,並藉由溫度衝擊值曲線,求出材料之轉換溫度三使用規範1.CNS總號沙丕衝擊試驗機2.CNS總號沙丕衝擊試驗機檢驗法3.CNS總號8768埃若德衝擊試驗機4.CNS總號8769埃若德衝擊試驗機檢驗法5.CNS總號3033金屬材料衝擊試驗試片6.CNS總號3034金屬材料衝擊試驗法四實驗設備及器材1.衝擊試驗機:工程用衝擊試驗機有沙丕氏衝擊及埃若德衝擊兩種(1)沙丕(Charpy)式衝擊試驗機:英美國家所常用,依測試材料不同,可分為好幾種等級,圖31為30kgm之試驗機,其擺錘重25.62kg,試驗仰角144,迴轉中心軸至擺錘重心距離650mm,迴轉中心軸至擺錘最大距離750mm,試片座寬40±0.2mm(2)易佐(Izod)式衝擊試驗機:德法國家所常用,依測試材料不同也有幾種等級,圖32為17kgm之試驗機試驗時將擺錘搖高至規定提上角而定位,當放下離合器卡榫時擺錘自由下擺而擊斷試片,試片被擊斷時會吸收擺錘部分能量,剩餘的能量使錘擺上擺至對面側,同時指針受機構帶動而將上擺角度顯示在刻度盤上,此後以煞車裝置使擺錘運動停止2527圖31沙丕式衝擊試驗試圖32易佐式衝擊試驗機2.衝擊試片:沙丕氏衝擊試片之規格及裝置方式(如圖33)三種標準試片均在中間開槽,槽製作成V型鑰孔型及U型三種最主要目的為使應力集中於局部,破壞之能量由試片局部吸收,造成脆性斷口V型槽尖之圓角半徑(0.25mm)製作較難精準,常因此而產生檢驗誤差,試驗時應特別注意試驗時試片水平置放於間距40mm之試片座上,溝槽背向對準擺錘刃口中心埃德衝擊試片試驗時試片單邊垂直固定於試片座上2628圖33沙丕衝擊試片及裝置方式3.高低溫度控制裝置:高溫控制裝置200度以下應維持誤差2度至少10分鐘,200度以上應維持誤差5度至少20分鐘低溫控制裝置使試片維持指定溫度誤差2度,利用乾冰製作寒劑,溶於丙酮同可得94.3溶於甲醇同可得97.1溶於乙醇同可得114.1溶於戊烷同可得130.8,由乾冰脂溶入量可控制溶劑之適當溫度4.實體顯微鏡及附屬照明設備5.桿規板規及凹口量規6.游標卡尺及分厘卡五實驗原理衝擊試驗原理系依據能量守恆原理,試驗片先將擺錘提升至一定高度,而後令其自由落下,利用瞬間衝擊力而擊斷試片,試片破斷時會吸收擺錘部分能量,而擺錘剩餘能量會使擺錘到相反方向的某一高度(如圖34)2729WRh1αβWh2假設W=擺錘重量(kg)R=擺擺錘的重心到迴轉中心的距離h1=撞擊前擺錘之高度h2=撞擊後擺錘升高之高度α=擺錘預定落下位置的角度β=擊斷試片後,擺錘自由上升的角度擺錘原有位能=Wh1=WR(1cosα)擺錘餘留位能=Wh2=WR(1cosβ)假如不考慮衝擊過程的摩擦損失和試片由墩座飛出十的能量損失,則試片破斷時所吸收的能量ΔE為:ΔE=W(h1h2)=WR(cosβcosα)上式中WRα皆為已知數,所以只要由儀表上讀出β值,即可求出吸收能量此能量除以試片之斷面積A即為衝擊值I:一般材料之衝擊強度有下列五種:1.衝擊拉伸,2.衝擊壓縮,3.衝擊彎曲,4.扭曲衝擊,5.反覆衝擊圖34衝擊試驗原理IEkgfmAcm2而工業上常採行的是缺口試片之衝擊彎曲試驗,即一般所謂的衝擊試驗,對於衝擊值小的鑄鐵及壓鑄合金等不適合衝擊試驗觀察斷裂之試片,若加以檢視,可發現其斷口處因韌性與脆性之不同而呈現不同之外觀若斷口處平滑而帶有絲狀外表,表示材料晶2830粒細且富韌性,反之,若外表呈現粗粒狀,則表示材料很脆,無韌性通常在斷裂處呈現兩種不同區域,一為平滑絲狀區,是延性斷裂發生之處,另一種為粗粒狀部份,此乃最後生脆裂處1.撓曲角觀察試片被擊斷時由於韌脆性不同而產生相異的撓曲程度,用以比較試片撓曲大小之方法,可將被擊斷後之兩截試片對合接回,並測定其撓曲角θ(如圖35)θ角愈大,表示試片被擊斷時所吸收之能量愈大,屬韌性材料;若θ較小,則表示試片被擊斷時所吸收之能量較小,屬脆性材料圖35測定斷件撓曲角θ2.衝擊破斷面觀察觀察斷裂試片之破斷面,可發現其斷口處因韌性及脆性之不同而呈現相異的外觀通常在試片斷裂面外觀會呈現兩種不同區域,一為平滑絲區,為延性斷裂之處,另一為粗粒狀區,為最後發生脆裂之處如圖36所示,可以求衝擊破斷面之靭(延)性百分比靭(延)性百分比=韌性斷面積/試片斷面積=(0.8A*B)/0.8*100%圖36衝擊破斷面之靭(延)性百分比3.影響衝擊值的因素(1)溫度之影響衝擊試驗可以用來決定金屬材料在溫度下降時,由延性轉變為脆性行為的溫度範圍,即為材料的韌脆轉換溫度(Fracturetransitionplastictemperature,2931FTPT),如圖37所示材料在低溫破斷時會呈現脆性破斷,所謂脆性破斷即是材料在極微小甚至沒有塑性變形及沒有預警的情況下所發生的破壞情形,其破斷面呈現光亮而平整;相對於脆性破壞,材料在韌脆轉換溫度上產生破斷,於破斷處會產生大量塑性變形,而其破斷面光澤較脆性破斷灰暗圖37溫度對衝擊值的影響(2)材料結構的影響材料之溫度衝擊曲線就晶體結構區分常見有三種型態(圖38)其中低強度之面心立方(FCC)結晶結構材料與多數之六方密格子(HCP)結晶結構材料具有較高的衝擊值,高強度材料(如高強度鋼鋁鈦合金)其衝擊值較低,而體心立方(BCC)結圖38不同晶體結構材料溫度衝擊曲線3032晶結構材料(如鈹鋅陶瓷)會有明顯的韌脆轉換溫度,且明顯呈現溫度降低衝擊值愈小之傾向(3)熱處理的影響材料經由不同熱處理其衝擊值會發生變化,圖39顯示4340合金鋼料,經淬火回火熱處理後其材料質較正常化回火熱處理具有較佳之衝擊值材料之強度及韌脆性直接影響衝擊值大小與破斷表面形態完全退火及正常化後,前者材料軟化晶粒粗大,後者回復材料韌性及細化晶粒,強度都不高,所以兩者的衝擊值較小但正常化之衝擊值稍大於完全退火另外,兩者延性佳,故破斷面之韌斷面積比值較大淬火後,強度硬度提高,但韌性降低;而回火則使材料在具備強度之下更具備韌性故兩者之衝擊值較大,而回火則又稍高於淬火另外,因屬脆性破壞,所以兩者破斷面之韌斷面積比值小於完全退火及正常化圖39合金鋼經淬火回火及正常化回火熱處理溫度衝擊曲線(4)化學成分的影響材料之衝擊值與轉換溫度會受到本身化學組成的影響,以碳鋼為例,材料含碳量增加其強硬度增加,材料衝擊值相對地降低,但韌脆轉換溫度增高(5)凹槽取樣位置與加工方向的影響由圖310所示,材料衝擊值以輥壓方向B最大,A次之,C最小3133圖310材料輥壓方向對材料衝擊值影響六實驗步驟1.將試片製作成前述之標準試片之尺寸2.檢查試驗機各部份機構是否正常3.將衝擊試驗機之指針歸零4.將離合器確實卡住擺錘5.先不放試片,校正時將擺錘搖起桿轉動,使擺錘搖至144O度後,鬆開離合器,使擺錘自由落下,紀錄擺上角β,紀錄摩擦能量損失6.空轉練習幾次,以熟悉機器各部功能7.使用奇異筆將試片編號8.使用游標卡尺量測試片缺口部份之尺寸,並計算斷面積A(cm2)9.轉動擺錘搖柄,使擺錘搖起些微之角度(使試片易於放入)10.夏比試驗機之試片置法是以試片規將試片缺口對正中心,放置於試片支持台上,且缺口背對刃口,使擺錘之刃口對準打擊中心艾氏試驗機之試片置法,是將缺口與試片支持台齊平,且將缺口面對刃口,再將擺錘之刃口對準打擊中心11.搖動擺錘搖柄,使擺錘昇高在α角(144O)12.將刻度盤之指針歸零13.鬆開離合器,使擺錘自由落下,並將試片擊斷14.在試片擊斷後立即拉剎車桿,使擺錘運動停止15.紀錄讀取刻度盤所示之角即為β角323416.將所求之數值,代入公式求取衝擊值17.將斷裂試片接合以量角器測量θ18.觀察破斷面判斷延性斷裂百分比19.將試驗機復原,並保養之七注意事項1.本實驗較具危險性,須確實按照實驗步驟進行外,除操作學生,其餘皆須退出護欄,確保安全2.試片之尺寸須正確,並確實將刃口對準缺口3.每次試驗時,當擺錘擺至最高角α時,須將刻度盤之指針歸零4.衝擊試驗受溫度之影響極大,故須在室溫20±2C下進行試驗,並附加註明室溫之溫度八實驗結果分析材料種類試驗溫度試驗機型RWαβEA撓曲角衝擊值九實驗討論1.討論為何衝擊試片須做成凹溝之形狀?2.討論為何材料的韌脆性不能只靠拉伸等靜力試驗來判定?3.討論分別就完全退火正常化淬火回火等熱處理條件說明其對衝擊值和破斷面狀況的影響4.討論由衝擊破斷面狀況如何判別材料的韌脆性?5.試將各種材料之衝擊值與溫度的關係以圖形表示出來,並進一步繪製韌性百分比與溫度的關係且加以討論十實驗心得3335第四章硬度實驗一前言金屬材料之硬度(hardness)是機械性質中很重要的性質之一,硬度試驗的特點包括儀器價格便宜試驗方法簡便試片準備容易(或不需準備)試驗不需破壞材料僅留下小壓痕試驗準確度高等並且經由經驗公式換算,可以由硬度值換算出材料的其他性質,如強度含碳量切削性等因此常用於大小型工廠的品管或現場檢驗硬度係指材料對於變型抵抗的能力,應用在不同場合其定義就不相同,例如對機械加工而言硬度代表材料對切削的抵抗對材料冶金而言是抵抗壓痕的能力就磨潤觀點而言是對磨耗抵抗的能力對設計者而言是塑性流動應力的測量...由於不同需求與設計,硬度試驗大致可分三類:1.靜態壓入測試:利用鋼球鑽石圓錐(菱錐)壓入材料,再測量材料壓痕面積或深度的方法像是洛氏勃氏維克式等試驗方法2.動態硬度測試:利用一定質量與尺寸的壓痕器打到試片,測量壓痕器的反跳高度像是蕭氏橡膠硬度測試方法3.刮痕硬度:利用標準材料與試片刮擦,判斷其刮痕長短深淺的方法像是莫氏硬度莫氏硬度表是在西元1812年由德國礦物學家FrederichMohs()提出,硬度值愈大愈硬,以自然礦物,建立以一材料去刮另一種較軟材料的一種尺度這些硬度值是經由互相磨挫來判斷的,是相對的關係,不是呈現線性比例的(不能說硬度6比硬度2的硬3倍)除了原本列出的1~10種礦物如表41,另外收集了其他常見物品的硬度值供參考:表41莫氏硬度試驗等級表硬度礦物化學式絕對硬度1滑石Mg3Si4O10(OH)石膏CaSO42H2O23方解石CaCO螢石CaF磷灰石Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)486正長石KAlSi3O石英SiO黃玉Al2SiO4(OH,F)剛玉Al2O鑽石C36表42列舉了一些常見礦物或材料的莫氏硬度硬度代表物常見用途銫銣鋰鈉鉀1滑石(Talc)石墨(Graphite)1.5皮膚(skin),天然砒霜2石膏(Gypsum)硫磺滑石為已知最軟的礦物,常見應用有滑石粉用途廣泛的工業材料2~3冰塊(ice)2.5指甲(nail)琥珀(Amber)象牙(Ivory)2.5~3黃金(puregold)銀(silver)黃金銀常見用於飾品,鋁則常見於工業鋁(aluminium)應用方解石(Calcite),銅(copper)方解石可作雕刻材料,也是許多工業的重3珍珠(Pearl)要原料銅最早用於裝飾,常見還有用於合金製作,電子工業的傳輸媒材等3.5貝殼(shell),大理岩銅幣45螢石(Fluorite)又稱氟石,可作雕刻材料,常見應用於冶金化工建材工業4~4.5鉑金(Platinum)稀有金屬,亦是貴金屬中最硬的鉑金常用於軍事工業或飾品加工4~5鐵(Iron)常見用於煉鋼其他工業應用磷灰石(Apatite)磷是生物細胞質的重要組成元素,常見用於飼料肥料工業,亦是重要的化工原料玻璃(glass)不銹鋼(stainlesssteel)鋼刀正長石(Orthoclase)Tanzanite正長石可作為陶瓷玻璃琺郎,以及製丹泉石(坦桑石)純鈦造鉀肥的原料6~7牙齒(齒冠外層)主要成分為羥基磷灰石6~6.5軟玉新疆和闐玉6.5黃鐵礦(Ironpyrite)玻璃硫酸原料來源提煉黃金藥用等6.5~7硬玉緬甸翡翠或翠玉3537石英(Quartz),紫水晶(Amethyst)電氣石(Tourmaline)鋯石(Zircon)黃玉(Topaz)尖晶石(spinel)為常見的耐火材料與玻璃的主要原料常見於飾品應用常見於飾品應用8.5金綠柱石(Chrysoberyl)常見於飾品應用剛玉(Corudum)鉻鎢鋼莫桑寶石(Moissanite)鑽石(Diamond)飾品磨料等常見的寶石如紅寶石藍寶石等天然寶石均屬剛玉;人造寶石藍寶石水晶(可看站內此篇說明)其硬度亦同剛玉等級人造寶石,明亮的程度為鑽石2.5倍,但價格約為1/10地球最硬天然寶石,常見於飾品應用聚合鑽石奈米棒(aggregated大於10diamondnanorod,ADNR)參考資料:JCWS珠寶工藝的部落莫氏硬度表德國科學家於2005年研製出比鑽石更硬的材料,具有廣泛的工業應用前景二實驗目的1.熟悉勃氏洛氏維克氏或微小維克氏蕭氏等硬度試驗機的原理與操作方法2.能依據材料特性選用適當的硬度試驗方法,並測出材料的硬度值3.熟悉各種硬度數值之間的換算4.能從硬度值推測材料的其他機械性值三使用規範1.CNS總號9472勃氏硬度試驗機2.CNS總號2113勃氏硬度試驗法3.CNS總號洛氏硬度試驗機及洛氏表面硬度試驗機4.CNS總號2114洛氏硬度試驗法5.CNS總號洛氏硬度標準硬度塊6.CNS總號8762微小硬度試驗機7.CNS總號2115維克氏硬度試驗法8.CNS總號9209維克氏硬度試驗機9.CNS總號7094維克氏及諾布氏硬度試驗法10.CNS總號8766蕭氏硬度試驗機11.CNS總號7095蕭氏硬度試驗法3638四實驗設備及器材1.勃氏硬度試驗:勃氏硬度試驗機計測顯微鏡設備如圖41勃氏硬度試驗機大多由砝碼施加荷重,經油壓系統放大傳至壓痕器,試片置於壓痕器與鉆座間受壓,試驗後再由計測顯微鏡觀察壓痕直徑壓力錶釋壓閥荷重法碼壓痕器荷重架油壓槓桿試片砧座目鏡目鏡調整環鏡筒鏡筒鎖環砧座升降手輪缺口朝光源圖41勃氏硬度試驗機計測顯微鏡2.洛氏硬度試驗:洛氏硬度試驗機洛氏硬度標準硬度塊設備如圖42洛氏硬度試驗機由機架試片支持裝置負載裝置硬度指示裝置及壓痕器組成荷重由砝碼經槓桿作用放大作用於試片上壓痕器大多為鑽石或鋼球,先施加基準荷重,次加試驗荷重,再回復至基準荷重時,求其壓痕深度基準荷重為10kgf時,稱為洛氏硬度基準荷重為3kgf時,稱為洛氏表面硬度硬度指示錶壓痕器試片砧座砧座升降手輪試驗荷重作用搖柄荷重法碼37393.維克氏或微小維克氏試驗;微小硬度試驗機,設備如圖43維克氏與微小維克氏硬度試驗所用的原理相同,但所加的荷重不同,CNS規範的微小維克氏試驗荷重在50~1000gf;維克氏硬度試驗機荷重範圍為0.3kgf~50kgf然而各廠家生產的試驗機荷重不盡相同ASM對微小硬度試驗機荷重範圍的定義為1~1000gf圖42洛氏硬度試驗機顯微鏡光源壓痕器電源線電源開關圖43維克氏硬度試驗一般一器廠商是以荷重1kgf做為維克氏與微小維克氏硬度試驗的區分目鏡物鏡試片砧座砧座升降手輪開始按鈕4.蕭氏硬度試驗:蕭氏硬度試驗機蕭氏硬度標準塊,設備如圖44蕭氏硬度試驗機分成目測型(C型)及指示型(D型),皆是利用金鋼石擊錘撞擊試片,再測量擊錘反跳高度的機器目測型及指示型試驗機的比較如表43手輪水平調整螺釘試片砧座硬度指示錶操作輪圖44蕭氏硬度試驗機五實驗原理(一)勃氏硬度(BrinellHardness)1.理論基礎1900年由瑞典人J.A.勃里涅耳表43蕭氏硬度試驗機種類及比較(JIS規範)形式指示型(D型)目測型(C型)擊錘落下高度約19mm約254mm擊錘質量約36.2g約2.5g擊錘尖端材質金鋼石金鋼石3840首先提出,乃藉一標準硬質鋼球(通常其硬度值為BHN450),用一定荷重壓入試件表面,使試片形成球面之壓痕,產生塑性變形,擊錘尖端半徑約1mm約1mm硬度計算公式Hs=140h/h0Hs=10000h/65h0硬度指示方式指針表目測盤h:落錘反跳高度;h0:落錘提昇高度此時所加之荷重P除以球面壓痕之表面積,所得之商謂之勃氏硬度值,一般用HB或BHN表示之各種材料因軟硬不同,使用的荷重P及鋼球直徑D之關係可由表二查知,施壓時間以能產生充份塑性變形為原則,一般對鋼鐵等較硬材料施壓15~30秒,對銅鋁等較軟金屬則施壓60秒壓力除去後,取出試片,用測微顯微鏡量取試片凹痕直徑,讀至0.05mm,則勃氏硬度值HB可推導如下:HB=PA因HB=2PD(DDdPAD而t=故HB=PAPDtD22dD(D22PD2d若以深度計量取凹痕深度t,則HB=2PAPDt但因表面凹痕邊緣常隆起或陷下,故不準確,大都採用P2PHB=A22D(DDd式中HBS:勃氏硬度值(有時以HB表示)(Kg/mm2)但常不附單位P:所加的荷重(kgf)其範圍有kgfA:壓痕面積(mm2)D:鋼球或超硬合金球之直徑(mm),通常有用10mm5mm±0.005以內d:壓痕平均直徑(mm),目視公差須在0.02mm內t=壓痕深度,通常不直接量度由公式可知,當其他條件固定的情況下:(1)荷重一定時,壓痕直徑(D)愈大,材料硬度愈小(2)壓痕直徑一定時,所加荷重愈大,材料硬度愈大(3)不同壓痕器直徑時,其所產生的壓痕幾何形狀不同,即使所加荷重相同且壓痕直徑相同,其硬度值也不dPD3941相同圖45勃氏硬度原理示意圖只要不造成鋼球變形或沒入材料過多,每一材料在其適用範圍都可選用多組荷重進行試驗如果保持P/D2不變,則每一組荷重在壓痕直徑成倍數關係下所得硬度值皆相同2.試驗種類及適用場合勃氏硬度試驗為配合不同材料測試,其壓痕器及荷重也有不同的組合,一般希望壓痕直徑在0.20D~0.60D的範圍較理想一般使用組合如表23壓痕器直徑D(mm)試驗荷重(kgf)勃氏硬度試驗的特色如下:表23勃氏硬度試驗壓痕器與荷重組合硬度表示符號HBS(10/3000)HBS(5/750)HBS(10/1500)HBS(10/1000)HBS(10/500)適用材料(參考用)鋼鑄鐵(140以上)銅及銅合金(超過200)鑄鐵(未滿140)銅及銅合金(35~200)輕金屬及其合金銅及銅合金(未滿35)輕金屬及其合金(1)壓痕較大,適合測定材料平均硬度,不適合測定局部硬度(2)試驗荷重較大,測試穩定性較高,較不易受材料表面狀況環境影響(3)不適合測定極硬的材料,會造成壓痕器變形勃氏硬度試驗有下列限制(1)不能測試硬度超過鋼球之材料,以免引起鋼球變形補救辦法為換用碳化鎢鋼球壓痕器(2)不適用於表面硬化層之測試,因其壓痕深度大於表層厚度(3)試片厚度須為凹痕深度的10倍以上,壓痕中心距材料邊緣應為2.5倍壓痕直徑以上,兩壓痕之中心距離應為壓痕直徑之4倍以上因此勃氏硬度試驗不能用於極薄和極窄的試片(4)荷重速率太快,會使凹痕直徑改變,故加壓速率應徐緩,以免影響準確度2查表:最常用(表48)(二)洛氏硬度(RockwellHardness)1.理論基礎洛氏硬度試驗由美國冶金學家S.P.洛克韋耳,是利用適當的壓痕器,先加基準荷重(10kgf),目的有二,當做荷重歸零基準與消除試片表面不平或雜質等影響其次加上試驗荷重並保持適當變形時間,在恢復至基準荷重,測量由試驗荷重造成的壓痕深度,在由公式換算成硬度值,原理如圖46換算公式依照壓痕器選用的形式有所不同,公式如下:(1)頂角120度金鋼石圓錐壓痕器HR=100h/2h為壓痕深度(μm)(2)球形壓痕器HR=130h/24042和洛氏硬度試驗相關的另一種硬度試驗為洛氏表面硬度試驗,主要用於材料表面層硬度的測定其與洛氏硬度最大的不同在於基準荷重為3kgf其計算公式不論何種壓痕器皆為:洛氏表面硬度試驗HR=100h圖46洛氏硬度原理示意圖洛氏硬度試驗機大多由量表直接換算出硬度值,使用者不需另外查表或計算由計算公式可知壓痕深度愈深,材料硬度愈小2.試驗種類及適用場合洛氏硬度的種類大致可分成洛氏硬度及洛氏表面硬度兩大類其中以洛氏硬度中的HRC及HRB使用最多,HRC使用頂角120度金鋼石圓錐壓痕器,荷重150kgf,適合測定鋼鐵較硬的材料HRB使用1/16"合金鋼球為壓痕器,荷重100kgf,適合低碳鋼銅鋁等較軟材料硬度的測定材料硬度小於B尺100度時,h>130/500mm,鋼球會深陷而影響準確度,此時宜改用較大鋼球如K尺或較小荷重如F尺的尺度若硬度大於B尺100時,h<30/500mm,則鋼球有壓扁破裂的可能,所以亦要改用適合較硬材料的尺度如C尺等洛氏硬度的分類如表44表44洛氏硬度及洛氏表面硬度分類基準荷重Kgf標準試驗荷重kgf洛A60氏C150硬度FB100G150H60E100壓痕器計算公式適用硬度(參考值)頂角120度,尖端40~59曲率半徑0.2mm之HR=1002/h0~70金鋼石圓錐直徑1/16"的鋼球或超硬合金珠HR=130H/20~100直徑1/8"的鋼球或超硬合金珠4143洛15N15頂角120度,尖端氏30N30曲率半徑0.2mm之20~95表45N45金鋼石圓錐3HR=100h面15T15直徑1/16"的鋼球或硬30T300~90超硬合金珠度45T45洛氏硬度試驗廣泛用於工廠及實驗室,其特色包括:(1)操作簡便,由量錶直接讀數,不需量測壓痕查表或計算(2)壓痕較小,對材料破壞較小(3)選擇不同標度可適合各種硬度材料(4)測試迅速,省時洛氏表面硬度試驗專用來認識氮化鋼滲碳鋼等表面硬化層及測試軟鋼青銅黃銅等薄片金屬的硬度其試驗原理與操作方法和一般洛氏硬度試驗完全相同,不同之處為表面硬度的小荷重為3kg而大荷重有kg三種,刻度盤上每一刻度表示0.001mm之深度,所以其量測的靈敏度較高尺度記號T,此是取Thin字首,用1/16英吋硬鋼球壓痕器,供金屬薄片之試驗尺度記號N,此時取Nitrided字首,用金鋼石圓錐壓痕器,供氮化鋼等材料試驗(三)維克氏及微小維克氏硬度1.理論基礎維克氏硬度試驗於西元1925年由英國維克斯公司R.Smith及G.Sandland所發明的,早先只用於研究用,直到1930年,才發現此法可利用於測定氮化層之表面硬化層之硬度,才逐漸被工業界所接受及使用維克氏與維小維克氏的原理相同,係指使用對面夾角為136度之鑽石方錐壓痕器,以一定的荷重(P)在試驗面上壓成方錐形壓痕,測量壓痕對角線長,利用幾何關係可以算出壓痕面積(A),其硬度值的物理意義便是求材料應力值,原理如圖47:HV2Psin/2PP/SddHV:維克氏硬度P:荷重(kgf)S:壓痕表面積(mm2)d:壓痕二對角線長度之平均值(mm)α:壓痕器之對面夾角(136度)由公式可知,同荷重時,壓痕愈大,材料硬度愈小,材料維克氏硬度值不會因為荷重不同而改變維氏硬度試驗原理與勃氏硬度試驗原理相似,所以壓痕器對面角的決定與勃氏硬度試驗有關一般在勃氏硬度試驗中,壓痕直徑d與鋼球直徑D,常在d/d=0.2~0.5的比例範圍測定,其平均值約為d/d=0.375,所以如圖98所示,在0.375D壓痕直徑接觸鋼球的兩端,各引球的切線以136相交,故金鋼石方錐對面角為136其最終目的亦是為了造成試片表面永久塑變4244圖47夾角為136度之鑽石方錐壓痕器及2對角線壓痕距離示意圖2.試驗種類及適用場合維克氏硬度試驗機或微小硬度試驗機依照所加的荷重或壓痕器可分成維克氏維小維克氏諾布氏三種,其比較如表45表45維克氏及微小硬度試驗比較種類壓痕器荷重量測值計算公式適合材料維克氏夾角136度鑽石方錐1kgf以上二對角線維小維克氏諾布氏夾角136度鑽石方錐夾角172度30分和130度菱形斷面鑽石維克氏硬度試驗特色如下:長平均1kgf以下二對角線長平均1kgf以下長邊對角線長43HV=P/d2HV=P/d2HV=P/d2(1)不拘荷重大小,壓痕形狀都成相似形,對同一材料可得相同硬度值(2)壓痕輪廓清楚,測定精度良好一般材料薄層組織硬度硬脆材料如玻璃之薄層硬度(3)從極軟到極硬材料,只要變更荷重,即可用連續尺度求硬度值,彼此容易比較硬度(4)壓痕微小,對材料不太形成傷痕,可直接用於成品的檢驗(5)荷重較小,適合測定薄板材料表面硬化層鍍金層及銲接部分的硬度維氏硬度試驗機設計之特點為採用單一壓痕器,即金鋼石方錐且硬度值之量測只與荷重與壓痕對角線長有關,故施加不同荷重只會改變壓痕對角線長,對硬度值沒有影響由於此特性,試驗上不會發生硬度值無法比較的狀況微小硬度試驗有兩種不同的型式,兩種型式差別在壓痕器不同,一種為金鋼石45方錐,與維氏硬度所用的壓痕器相同,一種為Knoop壓痕器,將金鋼石磨成菱形,對面角為130及,對角線比L:W=7:1,其硬度值如何表示金鋼石方錐:HMV=P/d2Knoop壓痕器:HK=14229P/L2微小硬度試驗所形成的壓痕小,適用於滲碳滲氮等表面硬化層鍍金層火燄硬化層高週波淬火硬化層金屬單晶或特定組織等細微場所硬度之測定此亦為優於其他硬度試驗之處(四)蕭氏硬度1.理論基礎蕭氏硬度試驗由美國A.F.蕭耳提出,又稱回跳硬度試驗,屬於動態硬度試驗,係自試片之試驗面上方一定高度h0落下一小錘,在觀測反彈高度h,利用h與h0的比值定義蕭氏硬度值,如圖48其公式如下:HSkhh0Hs:蕭氏硬度k:蕭氏硬度之係數蕭氏硬度係利用小錘反跳前後能量損失,測定材料吸收能量多少的方法,小錘反跳愈高,材料吸收能量愈少,硬度值愈高若材料之彈性係數大或彈性限高,則材料雖然硬度低,凹痕深,故也有很大的反跳高度,故此試驗較適用於具有相同彈性係數材料之硬度比較位能動能h0h提昇擊錘擊錘自由落下擊錘反跳圖48蕭氏硬度原理示意圖2.試驗種類及適用場合蕭氏硬度試驗可分成目測型(C型)及指示型(D型),其計算公式中k值不相同,4446兩種形式相關比較如下:目測型:HS=10000h/65h0小錘重2.5gfh0=254mm指示型:HS=140h/h0小錘重36.2gfh0=19mm蕭氏硬度試驗一般用於相近材質材料不同處理的硬度測定,例如同材料不同熱處理的硬度測定,其原因為材料彈性係數不同會造成硬度值偏差,特別是塑膠或橡膠材料,一般橡膠或塑膠有專門的硬度試驗機其他像是材料的表面粗糙度試片傾斜或曲面都會影響硬度值的大小指示型:HS=140h/h0此硬度值的決定基準是用C型試驗機做試驗,而以淬火硬化的純高碳鋼為試件,由落下高度h010英吋,平均反跳高度h6.5英吋,以此時試件的硬度當做HS100,而將h再等分為100份而得因此刻度的每一單位為英吋,此試驗機所能適用的範圍為HS100以下者蕭氏硬度試驗的特色包括:(1)機件小攜帶方便,適合現場測量(2)操作簡單(3)試件表面壓痕微小或不留痕跡(4)對於無法放置於試座上的大型試件,測頭拆下後可測試大面積試片蕭氏硬度值偏高或偏低造成之因素為硬度值偏高:(1)小錘落下後,衝錘操作鈕轉回太快(2)材料之彈性係數大或彈性限高(3)小錘金鋼石損傷硬度值偏低:(1)試驗機圓筒不垂直,使小錘落下與管壁摩擦(2)試件沒有以圓筒升降鈕緊壓於砧座上,撞擊時受惰性影響2.特點:(1)現場測試用(因輕便);(2)誤差大利用硬質及軟質硬度基準塊來檢驗,每塊各測五次,其中四次須在標準硬度2範圍以內,如超出範圍,則應檢查金鋼石之狀況基準塊之硬度是用維氏硬度試驗機,以荷重30kg測定HV值,再換算成HS值若各測定值之間的最大差數有如下情況,平均測定值後面應以括號併記最高值和最低值例:HS78.5()(1)平均值60以上,最大差數4以上時(2)平均值30以上,最大差數3以上時(3)平均值30以下,最大差數2以上時3.硬度表示法:HS數值(表示至小數點以下第一位),如:HS各種硬度試驗的比較各種硬度試驗有其特色與適用材料,不同的試驗方法所用的壓痕器與荷重便不相同,對材料的影響也不相同使用者除了熟悉各種硬度試驗方法外,更重要的必須依據材質處理操作簡便性誤差...等因素選擇適合的測試方法表464547是常見的硬度試驗比較表表46常見硬度試驗比較表勃氏洛氏洛氏維小維克維克氏(C標準)(B標準)氏蕭氏代號HBHRCHRBHVHmVHS(D型)壓痕器直徑105mm鋼球頂角120頂角136金鋼石錘1/16"合金頂角136度度鑽石圓度鑽石方19mm高度鋼球鑽石方錐錐錐落下荷重kgf150kgf100kgf1120kgfkgf36.2g計算公式2P22D(DDd)hhP/dP/d2140h/h0量測器壓痕直徑d(mm)壓痕二對壓痕二對壓痕深度壓痕深度小錘反跳高角線平均角線平均h(mm)h(mm)度h(mm)長d(mm)長d(mm讀表方式查表直接讀表直接讀表查表查表直接讀表試片處理量壓痕前磨平不需特別不需特別光滑乾處理處理淨對稱拋光光滑平行壓痕大小大(1~7mm)中小深極小(0.115mm0.115mmmm(40μm))極小試用材料鑄件或鍛件鑄件,鍛鑄件,鍛件,表面細加表面層或件,粗糙同彈性係數粗糙機械工或薄試組織硬度機械加工材料加工零件片測量零件6硬度值的換算1.各種硬度值之間的換算不同的硬度試驗(例如HB或HV)或不同尺度的硬度(例如HRC或HRB)使用不同的原理壓痕器或荷重,對於材料硬度的描述必須基於同一尺度才能相互比較對於各種硬度尺度的互換大多是經由經驗公式求出概略性的互換公式,或是製作成互換表,以工廠一般的硬度互換大多利用硬度互換表求得互換公式或互換表大多針對鋼鐵材料為主,應用於其他材料時所產生的誤差會較大常見的硬度互換表如表47,常見的硬度互換公式如下:(1)勃氏硬度值與蕭氏硬度值之換算公式:HBHS亦即HB10(HS10)(2)勃氏硬度值與洛氏硬度值之換算公式:464847表47硬度換算表維克氏硬度HV勃氏硬度HB)(洛氏硬度洛氏表面硬度蕭氏硬度HS抗拉強度kgf/mm2維克氏硬度HV標準球Hultgren球碳化鎢球A60kgf荷重,金鋼石圓錐B100kgf荷重,1/16鋼珠C150kgf荷重,金鋼石圓錐D100kgf荷重,金鋼石圓錐15N15kgf荷重30N30g荷重45N45kgf荷重(767)(757)(745)(733)(722)(710)(698)(684)(670)(656)(647)(638)(630)(505)(496)(488)(480)49(473)(465)(456)(448)(110.0)(109.0)(108.0)(107.0)(105.0)(104.0)(103.5)(102.0)(101.0)(18.0)(17.5)(13.4)(11.0)(8.5)(6.0)50(3.0)(0.0)註:1.表中()內數字已在常用範圍之外2.本硬度換算表以HV應度為基準,所換算出來的各種硬度數值HB130HRB(40HRB<100)1,520,HRCHB2(100HRC)(HRC<40)225,00010(57HRC)HB(40HRC<70)100HRC(3)勃氏硬度值與維克氏硬度值之換算方式:HB=HV20040)4951(2)含碳量推測C%=(HB60)/300(3)切削性粗略判斷HB小於150HB介於HB介於HB大於500(4)其他機械性質衝擊值與硬度成負相關疲勞強度2(kgf/mm)16切削性良好切削性不良切削性困難切削性極困難HB六實驗步驟:(一)勃氏硬度1.試片準備(1)試片原則上為平面,表面不得有污垢(2)試片厚度:不使背面產生變化,一般需為壓痕深度的8倍(1cm以上)(3)試片寬度:兩壓痕間距為壓痕直徑4倍以上壓痕距離材料邊緣2.5倍壓痕直徑以上2.儀器操作(1)檢查儀器:液壓油是否充足(2)選定壓痕器及荷重:視材料軟硬而定(建議值:鋼鐵3000kgf銅1500kgf鋁500kgf)(3)加荷重砝碼:將荷重砝碼同時放在兩邊荷重架上,荷重架本身重500kgf(4)放置試片:試片放在鉆座上,旋轉升降手輪使試片和壓痕器輕微接觸(5)關閉釋壓閥(6)加壓:用油壓槓桿將壓力加至所加砝碼重量(7)充分變形:保持荷重30~60秒(8)去除壓力:緩慢鬆開釋壓閥,使壓力降為零,並將荷重砝碼取下(9)取試片:旋轉降低升降手輪,取下試片3.量測利用計測顯微鏡量測壓痕直徑,量測方法如下(圖49):(1)調整目鏡,使刻度清晰0(2)對焦:調整鏡筒鎖環將鏡筒上下調整至壓痕清晰,再將鎖環鎖緊(3)讀取壓痕直徑:利用刻度量取兩正交方向壓痕直徑再求平均值4.硬度表示52(1)硬度值求法圖49計測顯微鏡量測壓痕直徑硬度試驗求出壓痕直徑後,可以利用公式求出勃氏硬度值,或是利用查表(表48)方法求出硬度值(2)勃氏硬度值的表示方法荷重為3000kgf,鋼球直徑為10mm,硬度標示為HBS***,簡寫成HB***其他荷重P,鋼球直徑D,硬度表示為HB(D/P)***表48勃氏硬度表BRINELL硬度數(鋼球直徑10MM)壓痕HB壓痕HB壓痕HB壓痕HB壓痕HB直徑直徑直徑直徑直徑MMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGF(二)洛氏硬度測試1.試片準備(1)試片兩面需為平面而且需互相平行,以及表面平滑清潔(2)試片厚度需為壓痕深度10倍以上(建議3mm以上),且不使背用產生變化5153(3)兩壓痕間距需為壓痕直徑的4倍以上,且壓痕中心距試片邊緣2.5倍以上表48勃氏硬度表(續)BRINELL硬度數(鋼球直徑10MM)壓痕HB壓痕HB壓痕HB壓痕HB壓痕HB直直徑直徑直徑直徑徑MMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGFMMKGFKGF儀器操作(1)試驗尺度選定:HRC:荷重150kgf,鑽石壓痕器,硬材料;HRB:荷重100kgf,鋼球壓痕器,軟材料(2)掛荷重:將砝碼掛上並使其靜止(3)刻度歸位:將刻度set或黑刻度0對到垂直位置(4)放試片:選擇適當鉆座將試片置於其上(5)施加基準荷重:旋轉升降手輪使壓痕器輕壓入試片,讓長針轉三圈並且對到垂直位置,此時小指針應對準小紅點中心(6)指針歸零:調整刻度盤使指針歸零(7)施加大荷重:輕推大荷重搖柄向後,由油壓自行控制加負荷速率保持10秒,使材料充分變形(8)移除大荷重:扳回大荷重搖柄5254(9)讀硬度值:HRC為黑刻度;HRB為紅刻度(10)移除基準荷重:轉動升降手輪降下試片,取下荷重砝碼3.硬度表示法洛氏硬度測試直接由刻度盤讀出硬度值,不需再表49洛氏硬度表示例量測壓痕或查表硬度值的表示調整至整數第一位,尺度硬度表示例但尺度A及C的硬度值大於50時,要取至小數點下C60.3HRC60.5第一位,將其2捨3入調整至0.5單位例如表49:B45.2HRB45(三)維克氏硬度試驗1.試片準備(1)試片的表面需為平面且需磨光(建議:微小硬度需經拋光處理)(2)試片厚度需大於壓痕對角線長1.5倍以上(微小硬度一般在0.1mm以上便可)(3)微小硬度測試時,若試片尺寸過小或形狀複雜得將試片鑲埋穩固,但不得影響試片的硬度值(4)微小硬度測試時,應去除試片表面取樣時的加工層氧化層油脂等2.儀器操作本試驗以微小維克氏試驗機操作步驟為主:(1)選定荷重:若無特別規定一般選用較大荷重(1kgf)(2)打開電源(3)試片對焦:(a)轉至10倍物鏡,轉動升降手輪對焦使試片表面清晰(b)轉至40倍物鏡,轉動升降手輪對焦試使片表面清晰(4)施加荷重:對焦後,直接轉至壓痕器,轉動荷重鈕由白線到紅線,保持15秒(5)移除荷重:轉動荷重鈕由紅線到白線3.量測(需立即測量)(1)觀察:將壓痕器換成40倍物鏡,將壓痕輪廓調到最清晰(2)量測:利用螺旋測微器將目鏡中之兩條黑線與壓痕尖端相切,如圖410並將螺旋測微器的數值紀錄將目鏡轉90度以同樣方式求出對角線長,將兩對角線長平均(3)取下試片:轉動升降手輪使試片下降圖410量測對角線距離的方法53554.硬度表示法(1)求硬度值:由於利用顯微鏡觀察得到的數值是經過顯微鏡放大,故需將對角線長利用查表換算成Hmv值,換算表如表210(2)硬度表示法維克氏:HV(試驗荷重)數值,例如:HV(30)250,維荷重30kgf,數值250可簡寫成HV=250M微小維克氏:HV(試驗荷重/保持時間)數值,例如HV(0.3/30)250,試驗荷重視需要標示,保持時間不為15秒時才需標示(四)蕭氏硬度試驗1.試片準備(1)試片原則上須為平面,特別指定時可為曲面(2)試片重量愈重愈好,原則上須大於0.1kgf(3)試片面積愈寬愈好測量點須距離邊緣4mm以上,測量點與點間距離須大於1mm以上2.儀器操作(1)機台垂直校正:將試驗機置於平穩之工作台上,利用水平調整螺絲使小指針對正圓孔中心調整試驗機的垂直度(2)放入試片:用左手轉動計測筒升降手輪使筒上升,將試片放置於砧座上,再轉動計測筒升降手輪使筒下降,壓緊試片以避免慣性之影響(3)施加荷重:用右手往順時針方向轉動衝錘操作鈕到底,使衝鎚落下衝擊試片表面,聽到一聲咔聲之後,放開旋鈕,當鈕轉回至原位停止(4)讀值:直接讀取指針盤上,指針所指之刻度,即是HS值原則上讀至0.5單位(5)測定五點求其平均值,平均值表示至小數點以下第一位(第二位以下二捨三入,七捨八入)但同一點不可重複試驗(6)取下試片3.硬度表試法蕭氏硬度試驗係直接讀表,不須另外量測或查表,讀表值直接寫在HS後表示即可如:HS25或HSD25表是使用機型為D型七注意事項:1.適用於鋁銅等非金屬合金鑄件及熱加工材料(因晶粒粗大)限制:不能用於極硬極薄表面硬化層材料2.荷重越大壓痕越大,實驗時應依材料慎選荷重及壓痕器3.試驗時間須達30sec4.本試驗所用試片因與蕭氏硬度試驗相同,應進行完蕭氏試驗後再進行勃氏試驗54565.試驗完成後應立即將重錘取下,以免彈簧彈性疲乏6.非試驗期間不可任意搖動油泵把手,以免液壓油洩漏7.試驗尺度選定:HRC,硬材料;HRB,軟材料8.讀硬度值時:HRC為黑刻度;HRB為紅刻度9.須注意洛氏硬度表示方法10.用左手轉動計測筒升降手輪使筒上升或下降時,應緩慢轉動11.用右手往順時針方向轉動衝錘操作鈕到底,聽到一聲咔聲之後,應迅速放開旋鈕12.須注意計測筒貼在砧座上時勿使衝錘落下成空打,否則會損傷砧座面八實驗結果分析硬度實驗除了各種硬度值的測量外,更需要做各種硬度值的互相換與比較,並對材料機械性質作推估,並判斷材料處理是否達到目標,例如淬火材料是否達到所需硬度硬度實驗結果與分析紀錄表如表211表211各硬度試結果記錄分析表材質熱處理硬度種類測量值硬度值平均硬度誤差分析勃氏硬度1.換算成HV:荷重:壓痕器:理論硬度值:洛氏硬度1.換算成HV:荷重:壓痕器:理論硬度值:維克氏硬度荷重:壓痕器:蕭氏硬度1.換算成HV:型式:理論硬度值:5.5557九實驗討論1.勃氏硬度試驗有何優點?適用於哪些材料?2.為何勃氏硬度試驗加壓須保持一段時間方可除去荷重?3.兩壓痕距離不可太近,其理由為何?4.勃氏硬度試驗有哪些限制?5.同種材料用不同的荷重進行試驗,其硬度值是否相同?試討論之6.維氏硬度試驗有何優點?7.試說明維氏硬度試驗,金鋼石方錐壓痕器對面角為136的理由?8.同種材料用不同的荷重進行試驗,其硬度值是否相同?試討論之9.微小硬度試驗有何優點?適用於哪些材料的測定?10.微小硬度試驗有哪兩種不同的型式?其硬度值如何表示?11.洛氏硬度試驗有何優點?12.洛氏硬度試驗先加一小荷重,其目的為何?13.洛氏硬度試驗各種尺度有其使用的範圍,例如B尺0~100,C尺20~80,為什麼?試說明之14.洛氏表面硬度試驗有何用途,與洛氏硬度試驗差別在哪裡?15.洛氏表面硬度尺度記號有T和N,各表示甚麼意思?16.蕭氏硬度試驗有何優點?17.蕭氏硬度試驗是利用何種原理?為何其較適用於具有相同彈性係數之材料?18.蕭氏硬度值偏高或偏低各由哪些因素造成?19.蕭氏硬度試驗應如何檢驗誤差?有誤差時應如何處理?h20.蕭氏硬度值HS是如何決定的?試說明之65h0十實驗心得5658第五章疲勞試驗一前言機件旋轉過程中常因彎曲或振動等因素影響,而承受反覆或週期性變化應力之作用,雖然此應力低於材料的抗拉強度或降伏強度,但經過多次的反覆做用致使材料發生破斷,此現象稱為疲勞破壞(fatigucfailure)依據美國金屬學會的調查研究顯示,現今機件之破壞大約百分之九十是因為疲勞所致,所以凡是承受覆變荷重之材料,均應實施疲勞試驗做為設計的參考,以免造成人員財物的損失,如連桿機構活塞銷汽車輪軸壓縮機或內燃機曲軸等破壞均是常見的實例機件發生疲勞破壞前不會形成明顯的塑性變形,因此不易被察覺,所以基於安全理由,對於迴轉傳動件應施予疲勞試驗,以其試驗結果作為機件設計比較參考之依據由材料的疲勞所引起的機械構造物之破壞事故相當危險,而且發生率比其他事故大,所以為了安全吾人必須尋求在使用期間不會發生疲勞破壞之荷重本實驗可測定材料的疲勞限,即測定材料在受到反覆多次變化的外加負荷之下,不發生破裂的最低應力此外並觀察疲勞破斷面,以瞭解疲勞斷裂過程二實驗目的1.觀察材料疲勞破斷面,以瞭解疲勞斷裂過程2.測定材料疲勞限,以求出材料受到覆變應力而不致發生破裂之最高應力3.瞭解影響材料疲勞破壞之因素三使用規範1.CNS編號4958金屬材料之疲勞試驗方法通則2.CNS編號7375金屬材料迴轉彎曲疲勞試驗法3.CNS編號7376金屬板之平面彎曲疲勞試驗法四實驗器材及設備1.疲勞試驗機:疲勞試驗機就其承受覆變應力方式不同可區分為拉伸壓縮疲勞試驗機扭轉疲勞試驗機及迴轉彎曲疲勞試驗機等三種,其中迴轉彎曲疲勞試驗機由於構造簡單震動較小操作簡易,且精確性及可靠度高,因此使用最為廣泛,其構造如圖51所示試驗時將試桿夾持於試驗機兩端夾頭上,試桿承受剪斷及彎曲荷重而斷裂試驗機附加高溫設備後,可測定材料之高溫疲勞性質(溫度一般在300~850oC)2.試片規格:疲勞試驗用之試片規格,如圖52所示3.游標卡尺分厘卡4.實體顯微鏡及附屬照相設備5759夾頭保護蓋夾頭平衡配重試片馬達床台計數器控制板砝碼手柄開關按鈕圖51迴轉彎曲疲勞試驗機及各部功能示意圖五實驗原理1.覆變應力與應力週期在工程上多數構件常受到反覆荷重的作用,因而產生週期性變化之應力,(1號試片)RD0dL平行部份符號d(mm)RL1~661~881~d以上3d以上1~1212原則上D0為8,12,15mm(2號試片)5860RD0d符號d(mm)R2~62~82~102~原則上D0為8,12,15mm圖52疲勞試片規格5d以上此應力稱為覆變應力(repeatedstess),其應力最大值雖遠低於材料之靜力破壞強度,但若超過材料的疲勞界限時,則將使材料於某一時間內發生疲勞破壞,此一疲勞限界之應力稱為疲勞限(fatiguelimit)或耐久限(endurancelimit),即表示材料承受週期應力無論經過多少反覆次數,皆不致產生疲勞破壞之最大應力對於許多鐵基合金而言,其疲勞限約是該材料抗拉強度的一半,疲勞限與抗拉強度之比稱為疲勞比(fatigueratio)或耐久比(enduranceratio)以覆變荷重所產生之變化性應力週期區分,疲勞應力常見有下列三種型態,如圖53所示(1)完全反覆應力型(completelyreversedstress)此類應力稱為規則週期應力,應力型態會改變(拉壓應力),且最大應力相同,如對車床夾頭軸而言,便是此類應力,如圖53(a)所示(2)重複應力型(repeatedstress)此類週期最大應力σmax並不等於最小應力σmin,應力型態不變,如衝床模座僅受規則之週期壓應力便是如圖53(b)所示圖中σa表應力振福,σr表應力範圍,σm表平均應力,則σr=σmaxσmin應力振福等於應力範圍一半,即,σa=σr/2=(σmaxσmin)/2平均應力等於此週期中,最大應力與最小應力之平均值σm=(σmax+σmin)/2(3)不規則應力型(irregularstress)此類應力由於具有相當複雜之應力週期或無週期性,應力型態會改變,因此在分析上較為困難,飛機機翼所承受支應力狀態,即為此型之實例,如圖53(c)5961圖53常見的疲勞應力型態2.試桿承受之作用應力迴轉彎曲疲勞試驗機係將試桿裝於兩端夾頭之夾持套筒中,其裝置如圖54所示試驗時依試驗條件選定荷重,當啟動馬達使心軸迴轉時,試桿承受彎曲應力之作用,在中央斷面下側處產生最大拉應力,上側產生最大壓應力,試桿每迴轉一圈,表面上任一點即完成一週期之完全反覆應力變化,若此反覆應力持續作用於試桿上,終將使其發生疲勞現象試桿所受之彎曲應力,可利用式(51)加以計算;圖54迴轉彎曲疲勞試驗試桿裝置及荷重示意圖dw()()16S=MC/I=22W.(51)43(d)/64dS:試桿之彎曲應力(kgf/mm2)6062M:試桿之彎曲力矩(khf.m)C:試桿軸心至軸面距離,即半徑(mm)I:慣性矩(mm4)W:所加荷重(kgf):夾持器支點至施力點之距離(mm)d:試桿中央平行部直徑(mm)3.SN曲線分析材料疲勞試驗結果常利用SN曲線,又稱疲勞曲線決定SN曲線的方法,一般準備8~12支試桿,試驗時先取一試桿,比較大荷重試驗則試桿會在較少之迴轉次數即產生破斷紀錄各試桿產生破斷所加之應力S與破斷時總迴轉次數N之關係,以直角座標描點加以表示;在縱座標上以線性刻度取應力大小,橫座標則以對數刻度取試桿破斷時之迴轉次數,將座標上各描點加以連接成曲線,即為SN曲線,如圖55所示材料疲勞限的求法,可利用圖55之SN曲線加以說明;(1)鋼鐵類材料:觀察曲線(0.47%碳鋼灰鑄鐵)可發現,迴轉次數N至107附近時,曲線呈水平趨勢,一般將此應力定為不致產生疲勞破壞的最大應力,即疲勞限(fatiguelimit)或稱為耐久限(endurancelimit)(2)非鋼鐵類材料:觀察曲線(AlCu合金)可發現,SN曲線並無水平部分,故無真正的疲勞限,因此一般取材料試驗至108至5*108時之斷裂應力作為材料的時間強度(需註記式片斷裂時之迴轉次數),有時亦稱疲勞強度(fatiguestrength)6163鋼鐵類材料非鋼鐵類材料圖55材料疲勞之應力迴轉數曲線大多數構造材料,疲勞限為靜力抗拉強度之0.2~0.6倍,此疲勞限對於抗拉強度比謂之疲勞比,鋼之疲勞比約為0.45~0.55倍4.勞破損機構疲勞破損可分為三個不同的階段:(1)裂縫起始,其中一小裂縫在高應力集中的某一點形成;(2)裂縫擴展,在此期間內隨著每個應力循環之增加,在此裂縫不斷前進;和(3)最後破損,一旦裂縫成長達到某一臨界尺寸,此破損非常快速伴隨疲勞破損的裂縫幾乎總是在零件表面某一應力集中點處起始(或孕核)裂縫孕核位置包括表面刮痕,尖銳倒角,鍵槽,螺紋,缺口,等等一旦穩定裂縫孕核,然後它以很慢速率開始擴展第二個擴展階段(階段Ⅱ)裂縫成長的過程係藉由在裂縫尖端反覆的塑性鈍畫和尖銳畫進行在應力循環的開始(零或最大壓縮負荷),裂縫尖端具有尖端雙凹痕的形狀當張應力作用時,局部變形在這些尖端凹痕的每一個上產生,是沿著相對於裂縫平面的45角方位的滑移面產生在階段Ⅱ擴展期間於破斷面表面所形成的區域其特徵可以以兩種型式痕跡稱海灘紋及條紋來表示海灘紋(有時也稱為蛤殼文)是巨觀尺度,只要用眼睛及可觀查這些紋路痕跡可在階段Ⅱ擴展期間經中斷的零件上發現另一方面,疲勞條紋在尺寸上屬微觀的,使用電子顯微鏡觀察(TEM或SEM)此種外觀的電子顯微鏡破斷照片每一條紋被視為在單負荷循環裂縫端前進的距離條紋寬度視應力範圍而是隨應力範圍增加而增加在循環應力的影響下,裂縫終將難於避免形成和成長;這些過程,若應力不減弱,試桿所殘留的截面積不再足夠承受所加的最大應力時,即突然的斷裂,故造成粗糙斷裂區疲勞研究的種種結果顯示結構零件的壽命與裂縫成長的速率有關5.疲勞破斷面觀察材料受到覆變應力作用而發生疲勞破壞的過程,包含四個時期:(1)裂口起始:此過程大多由表面或異相間的界面開始產生,在表面處會產生高低起伏的滑移帶突出與滑移帶凹入的現象而造成裂口起始,如圖56所示(2)滑移帶裂口成長:初生裂口生成之後,會以每週期數埃()的速率沿滑移帶成長是為第一期裂口成長(3)裂口沿高張應力面成長:完全成型的裂口會沿垂直於最大拉伸應力方向成長,是為第二期裂口成長,如圖47所示由圖中得知,每一應力週期裂口6264向前推進一步,在裂口成45o之兩面因剪應力最大而造成部分變形(4)斷裂:當裂口成長至相當大時,材料剩餘之截面積不足以承受外加應力,材料及發生斷裂圖56發生疲勞破壞的過程材料因疲勞斷裂所產之破斷面與脆性斷裂之破斷面,兩者均無明顯的塑性變形區,且破斷面垂直於主拉應力軸方向,因此就外觀上若不詳細觀察甚難區分其差異仔細觀察材料疲勞破斷面,可明顯分辨出兩個區域,如圖57所示(1)平滑區:疲勞裂痕往橫截面成長時,因兩斷面間摩擦作用而產生平滑區,同時可發現由斷裂的起始點(尖銳點刻痕處夾雜物應力集中區)向外擴張的環狀條紋,稱為海灘紋(beachmarks)海灘紋造成的原因可能是:1週期性應力負荷所產生的裂口成長2斷面氧化與腐蝕間差異3裂口尖端應力集中所造成的塑性流變在實驗所室所進行之疲勞試驗,由於應力較為穩定且試驗時間短,因此在斷口處較少發現海灘紋(2)粗糙區:疲勞裂縫持續擴大,直至試桿橫截面積不足以支撐疲勞荷重時即發生延性破斷,此部分斷面甚為粗糙與衝擊斷面類似,故稱粗糙區迴轉軸件之損壞一般皆由疲勞所致,觀察疲勞破斷面,可藉此推斷其破壞原因,茲將軸件之各種疲勞破斷面示意於圖57低應力高迴轉數時,裂縫增生較慢,但覆變效應明顯,故光滑區較細緻且光亮圖57疲勞破斷面示意,面積也較大;而高應力低迴轉數時,裂縫成長很快,覆變應力影響較小,光滑6365區較不光亮,且此區域面積也較小,反而粗糙之脆性破斷區所佔面積較大6.影響疲勞性質的因素甚多,但其中較重要者有下列諸項:(1)表面效應幾乎所有的疲勞斷裂皆由表面起始,因此試桿表面狀況對材料疲勞性質影響極大,其影響大致上可歸納成三點:表面粗糙不利於疲勞性質,材料疲勞強度會隨者刻痕空孔及夾雜物等應力集中源存在而降低材料經表面改質,如滲碳氯化或高週波硬化處理後,由於表面獲得強化,可增加疲勞壽命,但脫碳或電鍍處理則不利於疲勞性質在材料表面產生殘留壓縮應力,可增強疲勞性質,如輥壓噴砂珠擊等製程即此效應之應用實利(2)合金元素與晶粒大小一般添加合金元素可增加材料的抗拉強度及疲勞限,當晶粒減少,由於晶界對疲勞裂口成長具有良好阻力,因此材料勞強度相對地增加(3)應力系統在實驗室進行疲勞試驗時其應力振幅一般保持不變,但在實際狀況下應力振幅往往無法保持一定,因此使得材料疲勞性質發生變化(4)應變振幅疲勞試驗應變振福保持常數時,斷裂週次與材料塑性應變量之平方成反比,因此欲提高疲勞壽命,必需降低塑性應變(5)振動頻率一般而言,震動頻率增加其疲勞壽命增長,但必須在1000Hz以上頻率時,此效應才較為顯著(6)試片大小一般尺寸較大的材料,由於表面及內部存在瑕疵的機率較大,因而疲勞性質會比小尺寸的試片為差(7)溫度在低於室溫的疲勞試驗中,材料疲勞強度隨溫度下降而升高,且溫度低於靭脆轉換溫度,其疲勞性質不會突生變化在高於室溫的疲勞試驗中,材料疲勞強度隨溫度升高而降低,但軟鋼為一例外,溫度於250~350c時因發生應變時效現象,而使得疲勞強度達到最大值(8)腐蝕材料受到化學腐蝕容易造成蝕孔(pitting),蝕孔有如刻痕,當受到疲勞應力作用時,會造成應力集中而降低材料的疲勞強度(9)試驗速度試驗迴轉數在每分鐘次以下時,對材料疲勞限影響甚小,但於疲勞試驗進行時中斷實驗,休息長時間後再試驗會增加材料疲勞限,對於短暫休息,此影響不大6466六實驗步驟1.試片準備(1)依標準試桿規格製作試片(2)試桿夾持部須研磨,精度在0.02mm以內(3)量測試桿平行部直徑2.試驗機準備(1)調整平衡荷重砝碼使夾頭維持水平(2)加上荷重砝碼,測試荷重作用螺紋高度(3)測試自動停止開關(4)荷重作用螺紋上升至最高點(使夾頭處於無荷重狀態)3.裝置試片(1)夾具先裝固定端再裝活動端(2)鎖緊螺帽凸出彈簧筒夾一牙(3)試片夾持部與夾頭端面切齊4.進行試驗(1)空轉測試平穩性,以免機器振動而影響試驗(2)計數器歸零(3)開電迴轉(4)迅速加上荷重(順時針轉動荷重作用螺紋)(5)試驗機持續回轉直至試桿斷裂為止(6)計算:利用式(41)計算應力值6.紀錄及保養(1)紀錄迴轉次數(數字x100)(2)將實驗數據描點繪製SN曲線圖(3)折下斷裂試桿並保養機器(4)斷面觀察並拍照七注意事項1.試驗前先量測試片標點距離及截面直徑2.裝置好試片,記得將夾頭鎖緊,且蓋上護罩3.開啟電源,使其旋轉平衡後,再加上砝碼負載4.實驗結果須以半對數座標方格紙(橫軸為對數座標,縱軸為線性座標)畫出SN曲線圖5.為避免儀器損壞,試驗時須有一人在儀器旁邊,當試桿斷裂或有異狀時立即關掉馬達6567八實驗結果分析將實驗數據結果記錄表41中,且在圖411之SN曲線圖中描點表示,並拍照記錄試片破斷型態,以針對下列各項加以分析討論:1.將實驗值與理論值加以分析比較而討論之2.分析SN曲線(時間容許,可求出疲勞限)3.依據照片顯示之破斷型態,分析試片疲勞斷裂過程及破斷特性材料種類材料編號支點至施力點間距材料(熱處理)試桿直徑d荷重(Kgf)應力(S)迴轉數(N)Log10N備註九實驗討論1.討論疲勞試驗的意義及其重要性2.何謂疲勞限?如何求得?3.討論影響疲勞限的因素有哪些?4.討論材料疲勞斷裂之過程可分為哪幾個時期?5.試繪圖說明疲勞斷面的特微,並觀察比較試桿在低應力高迴轉數及高應力低迴轉數下破斷面的差異6.試比較疲勞破斷面及拉伸破斷面兩者間之差異並加以討論7.討論抗拉強度和疲勞限之間有何關係?十實驗心得6668第六章壓縮實驗一前言壓縮實驗利用壓縮求材料的強度與機械性質,在基本原理或使用的試驗機上都與拉伸實驗有相似之處壓縮實驗的應用範圍很廣,材料透過壓縮實驗可以求出材料的壓縮強度與降伏強度,做為設計或選材的參考,像是橋梁水泥柱耐壓性的測試鑄件機座承壓性測試;此外從壓縮的應力應變行為,可以觀察材料的成型性,像是軸承材料授荷重產生變形的特性金屬材料鍛造輥軋擠製等加工的成型性測試材料時,往往依實際之受力狀態而選用拉伸或壓縮試驗例如(1)金屬材料,原子以金屬鍵結合在一起,抵抗拉伸的能力較好,做拉伸試驗比做壓縮試驗更適當(2)水泥石磚陶瓷等脆性材料,其抗拉強度比抗壓強度低,適用於抵抗壓縮力的場合,故此類材料,做壓縮試驗較重要且有意義(3)有些金屬,如鑄鐵,其抗拉強度比抗壓強度低,但經常被用來抵擋壓力或拉力,故拉伸及壓縮試驗兩者都要做二實驗目的1.測定材料的抗壓強度降伏強度壓縮率及斷面膨脹率三使用規範1.CNS總號9211壓縮試驗機2.CNS總號9212壓縮試驗機檢驗法四實驗設備1.壓縮試驗機一般採用萬能試驗機,如第2章所述壓縮試驗時對萬能試驗機的使用須注意下列幾點:(1)試驗機最大能力:一般壓縮試驗所產生的變形量較大,且需要的荷重也較大,若要求材料的破斷強度則試驗機能量須較高,有些材料壓縮率達60%時的荷重甚至是降伏荷重的3.5倍(2)壓縮鉆座:壓縮試驗上下壓縮鉆座面必須為平面且和中心線垂直,否則試片在壓縮時容易造成彎曲若試片表面不平的材料,像是混擬土磚塊等材料的壓縮,可以在一端設計球面配合鉆座,以便自行校準中心,如圖616769下頰頭球面承座墊塊球面座試片墊塊床台圖61壓縮試驗示意圖及壓縮用球面砧座2.變形計及其它畫線工具變形計如拉伸實驗圖23所述,可採用壓縮專用計測器3.試片壓縮試驗試片尺寸規格在CNS中無特別規定,ASTM建議如表61表61ASTM建議壓縮試驗金屬圓桿試片尺寸試片型式直徑D(mm)高度H(mm)H/D用途短型H=0.9D軸承金屬測試中型13到到90H=3D一般測試用長型20到到320H=8D到10D測定材料彈性係數五實驗原理1.壓縮應力應變圖與抗壓強度壓縮試驗是將試片置於上下鉆座之間壓縮隨著荷重增加,試片被壓縮縮短,其荷重變形量曲線圖如圖62壓縮過程中各項機械性質的求法與拉伸試驗相近,若試片壓縮前截面積為A0,試驗後為Af,壓縮前試片長為,壓縮後長度為0f,各機械性質求法如下:(1)比例限:荷重變形量曲線圖中,直線部份的最大應力值pPp/A0,Pp為曲線圖中直線部份頂端的荷重(2)降伏強度:低中碳材料有降伏點,鑄鐵混擬土脆性材料無明顯降伏點,6870降伏強度yPy/A0,Py為降伏點荷重(3)抗壓強度:脆性材料一般以破斷點的強度為準uPu/A0,Pu為最大荷重延性材料若無法破斷時,可以用降伏強度取代抗壓強度或以一定壓縮率(一般以50%)時的荷重代表最大荷重Pu荷重kgPuPP伸長量(mm)50%(a)比例限求法(b)延性材料抗壓強度求法圖62壓縮荷重變形量曲線圖(4)壓縮率:試片縮短量與試片原長比值的百分率為100%(5)斷面膨脹率:為AA100%Af0/0f0/02.壓縮試驗產生的問題(1)試片彎曲現象(buckling)壓縮試驗過程中若發生彎曲現象,受到彎曲應力的影響,壓縮的各項應力數據將會產生誤差,在壓縮試驗的過程中不使產生彎曲應力相當困難,甚至非常小心的控制各個實驗步驟,仍可能發生彎曲現象彎曲現象產生的可能原因為:荷重軸中心校正不完全:荷重中心軸與試片中心是否同心荷重軸是否垂直試片中心軸試片傾斜:試片端面是否平直且垂直中心軸試片高/直徑(H/D)比太大:試片H/D值太大容易造成彎曲現象,一般試片的H/D值儘可能在10以下,但H/D值太低時鼓脹現象的影響將會增加,最常採用的H/D值為2若荷重軸定位不準或是試片傾斜,將導致試片產生側滑現象(2)鼓脹現象(barreling)6971延性較好的材料在做壓縮試驗時,依材料力學的原理得知試片會發生上墊塊側向膨脹(卜易生膨脹poissonexpansion),但是受到試片與壓縮鉆座試片間的摩擦力限制,會使得試片發生鼓脹現象,如圖63鼓脹現象會使壓縮試下墊塊驗結果的應力與應變資料產生偏差床台要降低鼓脹現象一般採用潤滑方式改善,例如在試片表面加上一層0.1mm圖63壓縮鼓脹現象厚的鐵氟龍(teflon)薄片在壓縮面加上硬且拋光的碳化鎢墊片或壓板上塗重油或石臘,但其缺點為使抗壓強度實測值降低甚多亦可使用圓錐壓板,將壓板製成凸出圓錐形,試件兩端製成凹進圓錐形,使與壓板吻合3.壓縮破斷面(1)脆性材料脆性材料的壓縮破斷面一般有斜面破斷圓錐破斷(圓桿試片)及角錐破斷(方形試片)幾種型態如圖64鑄鐵材料大多會以斜面破斷;混擬土石塊會以錐型破斷脆性材料的壓縮破壞主要是剪應力作用形成,依照材料力學原理可知壓縮時,最大剪應力面為應力軸夾角45度的平面,但由於材料內部摩擦力作用,會使得斷裂角並非45度而是以下述公式的角度破斷45/2其中為內摩擦角對鑄鐵混擬土陶瓷等材料而言,由於材料內部的不均質,在實際實驗的觀察中斷裂角和理論推算的又不相同一般鑄鐵混擬土磚塊砂石觀察得到的斷裂角約在50~60度之間(a)斜面破壞(鑄鐵類)(b)錐形造成剝裂(c)錐形造成沙漏破壞圖64脆性材料壓縮破裂型態(左為灰口3號鑄鐵)(2)延性與塑性材料對於延性較差的材料或表面硬化材料壓縮試驗後;會造成平行荷重軸的表面裂痕單純的壓縮並不會發生破壞,脆性材料造成斷裂通常伴隨著剪力破壞而7072試件內部最大剪應力平面與軸向成45,但由試驗所得,某些材料破斷面之方向往往比45還大,此乃由於兩破斷面間之摩擦阻力所引起,所以破斷面傾斜度受到剪應力及摩擦阻力兩者支配鑄鐵之摩擦阻力角約為20左右,其破壞角約為55~60延性材料如低碳鋼,受壓並不發生斷裂,而是被壓短與直徑不斷膨脹,使得應力迅速增加,很難產生壓縮破斷,直至壓縮負荷去除六實驗步驟1.鉆座安裝(1)下墊塊與底座配合,上墊塊放在下墊塊上(2)降下下夾頭,將上墊塊配合到下夾頭配合座內,並鎖緊鉆座支桿上螺絲,圖65再將下夾頭上昇至一適當高度(3)將試驗機四周裝設擋板,以防試片在壓縮時彎曲彈出2.試片準備(1)試片加工至適當尺寸,一般以中型試片為準(2)量測試片直徑與高度尺寸(3)裝變形計測器2.試片準備(1)試片加工至適當尺寸,一般以中型試片為準(2)量測試片直徑與高度尺寸(3)裝變形計測器3.試驗機準備(1)開電源開幫浦開關開燈(2)設定試驗機最大荷重(50Ton)4.放置試片(1)將試片放在下墊塊中心,可參考下墊塊同心圓刻環墊塊上墊塊下墊塊支桿試片圖65壓縮鉆座安裝示意圖(2)將荷重鈕轉至Open,待底座上昇後,將荷重鈕轉至Hold下頰頭下夾頭配合座底座(3)將下夾頭下降至上墊塊距離試片2~3mm再小心操作使上墊塊下降到將接觸試片注意:若下夾頭下降太快,撞擊試片易造成試片及機器損壞5.進行壓縮(1)將荷重鈕轉至適當壓縮速率進行壓縮(2)延性材料壓縮到降伏點或縮短率50%時停止;脆性材料則可壓縮到試片破斷為止(3)壓縮完成後,將荷重鈕轉至Return6.觀察及量測(1)觀察材料降伏或破斷點之荷重(2)量測材料斷面直徑高度(3)觀察試片破斷型態及斷裂角71737.計算與保養七實驗結果分析試驗結果記錄於表62中,並和查閱理論值對照比較材料種類熱處理方式試直徑d(mm)驗前試驗後長度0(mm)斷面積A0(mm2)直徑d(mm)長度l(mm)斷面積A(mm2)降伏荷重(kgff)降伏強度(kgff/mm2)最大荷重(kgff)抗壓強度(kgff/mm2)壓縮率(%)斷面率膨脹率(%)破斷狀況破斷角八實驗討論1.討論何種材料須做拉伸試驗?何種材料須做壓縮試驗?2.討論影響壓縮試驗結果正確性的因素有哪些?3.討論減少加壓板與試片間之摩擦有哪些改善的方法?4.討論比較脆性及延性材料壓縮試驗時斷裂之情況?5.何謂抗壓強度?延性材料做壓縮試驗時並不斷裂,其抗壓強度如何求得?6.討論數種不同等級的灰口鑄鐵試件,其抗壓強度與壓縮率的關係,並觀察每一試件上裂縫與軸線間的角度關係九實驗心得7274第七章彎曲試驗一前言工程上如鑄鐵陶瓷玻璃等脆性材料,質脆而缺乏延性,因此以拉伸試驗測定其延性時,往往因伸長率太小而難以計測,故利用抗彎試驗以決定其強度及延性,是較為合適之機械試驗方法延性材料機械強度之測定方法,已如前述具有多種試驗方法,然於彎曲造型過程中,往往較重視材料之塑性變形能力,因此以冷彎試驗測定其產生裂縫時之彎曲角度,藉以表示材料延性大小,並分析材料塑性變形能力之優劣,此實驗就顯得重要了抗折試驗為測定脆性材料之抗彎強度與彎曲彈性係數彎曲試驗為測定延性材料之冷彎角度及觀察冷彎裂痕二實驗目的1.測定脆性材料之彎曲撓度彈性係數及抗彎強度,並觀察其破斷情形2.測定延性材料產生裂縫之彎曲角度,藉以表示延性大小三使用規範1.CNS總號3940金屬材料彎曲試驗試片2.CNS總號3941金屬材料彎曲試驗法四實驗器材及設備1.萬能試驗機(參閱圖21)及彎曲試驗附件(衝頭及可調式支座),其試驗裝置如圖71所示2.游標卡尺及分厘卡3.試片:彎曲試片因材質特性不同,分成抗彎試片(脆性材料)及冷彎試片(延性材料)兩種,其試片之形狀及規格,分別如圖72表71及圖73表72所示圖71彎曲試驗示意圖7375荷重D支點LP支點圖72抗彎試片表71抗彎試片規格(單位mm)試片種類直徑(D)支點間距離(L)長度(P)A13±約300B20±約350C30±約500D45±約650tWL(a)D圖73L(b)冷彎試片表72冷彎試片之種類規格及用途種類圖形用途直徑D或寬度t寬度W長度L備註1號試片(a)原材t>35,或加鋼板扁鋼及型鋼原厚>35>250工成t>352號試片(b)原材D>35,或加鋼棒非鐵金屬棒原尺寸>250工成D>353號試片(a)薄金屬板原厚>20>1504號試片彈簧用磷青銅板原厚>10>150(a)彈簧用白銅板原厚>20>1505號試片鍛鋼件5A>150(a)鑄鋼件5B>1507476五實驗原理1.彎曲應力分析試片承受負荷彎曲變形時,其應力分佈如圖74所示試片在負荷側內緣承受壓應力,外緣則承受拉應力,而剪應力平行於橫斷面當荷重在材料之比例限內時,應壓力與拉應力呈線性變化,愈接近試片表面其應力值愈大,向內逐漸減小,至中性軸NN'處,兩應力皆為零,而此處之剪應力達至最大值試片所承受之彎曲應力大小及分佈,主要受負荷彈性係數斷面形狀及尺寸之影響常見彎曲試驗之負荷作用方式有中心負荷式及兩點負荷式兩種,其彎曲應力依試片斷面形狀分析所得之計算公式,如表73所示NAσCP荷重ANBB+σC圖74彎曲應力分佈示意圖中心荷重(3點彎曲試驗)兩點荷重(4點彎曲試驗)符號說明表73圓形及矩形斷面試片之彎曲應力計算公式荷重方式圓形斷面矩形斷面Pl/2l/2lP/2PPl1l2l1lmaxmaxmaxmaxmaxmax32P3d8P23d34P43dE32P13d16P23d8P1(343dE)maxmaxmaxmaxmaxmax3P22bh3P4bh3P34bhE6P12bh3P26hP1(332bhE24σmax:最大彎曲應力(kgf/mm2)d:圓直徑(mm)τmax:最大剪應力(kgf/mm2)h:矩型高度(mm)δmax:最大撓度(mm)b:矩型寬度(mm)E:彈性係數(kgf/mm2)21)75772.彎曲試驗種類彎曲試驗主要在測定材料之延性及強度,因此依測試目的不同可分為抗彎試驗及冷灣試驗兩種,茲分別說明如下:(1)抗彎試驗抗彎試驗常用之試驗方法採中心負荷者為多,其試驗裝置如圖71所示,主要用於測定脆性材料之強度及延性當試片承受垂直縱軸之壓力作用下,常於甚小之撓曲角度時便發生斷裂,此時以破壞荷重表示材料之強度,而以最大撓度表示材料之延性,其計測有下列兩種方式:強度計測:將試片之破壞荷重代入表73公式中即可求出抗彎強度σmax,亦稱破壞係數(modulusofrupture)延性計測:試片彎曲變形所生之最大撓度,係指試片彎曲前中心軸至彎曲後中性軸間之垂直位移,可利用針盤指示器配合輔助裝置固定於試片上加以計測獲得由於試驗時試片所承受之應力,往往超過材料之彈性限,因此表73之彎曲應力計算公式不能切合實際,但一般尚能在工程應用所允許之誤差範圍內,所以仍受到廣泛應用(2)冷彎試驗延性材料做彎曲試驗時,不會折斷,所以不能求其抗彎強度通常將材料彎曲到外側出現裂縫時,求其彎曲角度,來比較材料之延性,或將其彎曲至180而檢視試桿是否有龜裂,以做為品管接受基準的認定;或彎曲至試片產生裂縫時,量測其彎曲角度以表示延性之優劣,此種延性材料之彎曲試驗稱為冷彎試驗(coldbendtest)例如:冷彎試驗可一測出鋼棒中的含碳或含磷量是否過高,或者滾軋過程是否適當用來強化混凝土中的鋼筋,在檢驗其品質時,冷彎試驗便是一種很重要的試驗中國國家標準規定,建築用的各號鋼筋在彎曲至180時,不能有裂痕產生銲件之融熔區及熱影響區經銲接熱力循環溫度升降後,皆會使強度及性質改變,為檢測銲件材料性質之良莠及銲接是否完整,可用圖75所示之彎曲夾具施行彎曲試驗,其合格標準為導彎後,試件凸面任何方向之裂痕總長不得超過3.2mm才算合格冷彎試驗常見的方法有纏繞彎曲法及V型彎曲法兩種,分別說明如下:(a)圖75壓彎法(b)7678壓彎法:此種彎曲法示意於圖75(a),試片裝置於支持器之圓形輥輪上,以鼻端半徑為r之衝頭於試片中央處施加負荷,試片即受力而彎曲變形若彎曲角度需為180時,則支持座間距與衝頭半徑r即試片厚度d之關係應為=2r+3d;可先將試片壓彎至170後,在利用圖75(b)所示之裝置使其進一步彎曲至180圖76(a)沿圓軸捲彎法(b)沿型板捲彎法捲彎法:將試片沿圓軸如圖76所示,或型板如圖76所示逐漸施力,使試片彎曲至所規定形狀之方法,試片受力沿著半徑r之模子而彎曲變形,模子半徑依試驗要求而定V型槽彎曲法:將試片置於V型槽鐵塊上,再將壓彎工具置於V槽之中央逐漸施力,使試片彎曲至所規定形狀之方法,如圖77所示V槽法之使用,須依個別材料標準之規定施行,同時V槽鐵塊之形狀大小與彎曲工具均須符合個別材料標準之規定圖77V型槽彎曲法六實驗步驟1.試片準備(1)抗彎試片:依表71及圖72所示規格製作試片(2)冷彎試片:依表72及圖73所示規格製作試片2.試驗裝置安裝(1)裝上衝頭(2)裝上支持座並調整輥輪跨距(須使衝頭對準跨距中心)77793.試驗機準備(1)打開電源幫浦開關及開燈(2)依試片材值將荷重選擇鈕調整至適當位置4.試片安裝:(1)將試片置放在支持座上(2)將撓度測試裝置安裝於試片上5.彎曲:其操作方法與拉伸及壓縮試驗相同(1)抗彎試驗:緩慢施加荷重,直至試片破斷為止(2)冷彎試驗:緩慢施加荷重,直至試片發生裂縫或規定之彎曲角度為止6.觀察及計測(1)抗彎試驗:觀察試片破斷過程,並記錄最大破壞荷重及最大撓度,依據表73公式計算試片之抗彎強度及彈性係數(2)冷彎試驗:觀察試片彎曲變形過程,並紀錄試片發生裂縫之彎曲角度7.機器保養:關閉油壓幫浦及總開關,取下試片並保養機器七實驗結果分析1.將實驗直與理論值加以比較分析,以驗證實驗之正確性2.本實驗主要在測定材料之強度及延性,請依試驗種類將實驗結果記錄於表74中,並根據實驗變項加以比較分析表74彎曲試驗結果紀錄表試片試片尺熱冷彎試驗抗彎試驗種類寸及跨處產生裂縫之破壞荷最大抗彎強度彈性係數距理彎曲角度重(kgf)撓度(kgf/mm2)(kgf/mm2)(mm)八實驗討論1.討論抗折試驗與彎曲試驗其不同點為何?2.試將所得到之抗彎強度與該材料的可能抗拉抗壓強度做一比較,並討論之3.銲接件往往須做彎曲試驗,討論理由為何?4.何謂冷彎試驗?討論有何用途和規定?九實驗心得7880第八章剪斷實驗一前言一般螺栓鉚釘及銷等固定鎖緊零件,常因承受剪力負荷而斷裂,因此須經由剪斷試驗求出剪力強度,以做為承受剪力負荷零件設計之參考依據欲求得鑄鐵等脆性材料之抗剪強度時,需使用剪斷試驗因為此種材料之試桿還未達抗剪強度以前,就會由其斜向的拉應力先行破壞,故無法以扭轉試驗取代此外,棒材及薄板的加工,常利用剪斷方式,故加工過程中衍生之剪應力及彎曲應力等問題,亦須藉由剪斷試驗加以分析,以期獲得最佳之剪斷加工模式二實驗目的1.測定材料之抗剪強度2.觀察材料剪斷過程及剪切斷面之變化三實驗器材及設備1.萬能材料試驗機,如圖21所示2.游標卡尺分厘卡3.剪斷試驗裝置:一般分為單剪式及雙剪式兩種,須視試片形狀設計適當夾具,固定於萬能材料試驗機上進行剪斷試驗,其裝置分別例舉如圖81所示剪切刃及固定模座應具有高硬度及光製表面,前者使用材料一般採用冷軋工具鋼加以油淬處理,而後者則是採用合金或高碳鋼材料,若使用率較高,可改以硬化工具鋼,以延長模座壽命荷重試片圖81剪斷試驗裝置與單剪式(左)雙剪式(右)剪斷裝置示意圖79814.試片規格:剪斷實驗所用之試片,常見為方棒或圓柱,其尺寸一般無特別規定,主要能與試驗裝置之夾具配合即可四實驗原理1.剪斷之作用應力在前述之拉伸及壓縮實驗單元中,試片所承受之應力係由垂直於作用面之拉力及壓力所造成,當試片承受之外力與作用平面時,即發生剪力作用此剪力在單位面積上所生之應力,即稱為剪應力(shearstress)材料受到剪應力作用時,晶體內的原子會產生滑移而導致塑性變形,因此在探討材料變形及破斷強度上,剪應力分析是不容忽視的部分2.剪斷試驗方式剪斷實驗主要在於測定材料之抗剪強度,就剪力作用形態不同可分為直接剪斷試驗(directsheartest)及扭轉剪斷試驗(torsionsheartest)兩種,本實驗單元主要針對直接剪斷試驗加以說明若剪斷時受彎曲力矩影響,只能求得近似的抗剪強度而且實驗中不易測得應變量,因此不能求出剪斷時之彈性限及剛性係數,所以材料精確之剪斷性質宜用扭轉試驗直接剪斷試驗係將方棒或圓柱之金屬試片夾持其一部分,施以荷重而剪斷試片剪斷試驗時,剪切刃與固定模座應選擇適當間隙,以免因配合過於緊密而產生摩擦阻力;或配合太鬆致使材料大量彎曲變形而難以剪斷由以上說明得知,剪斷試驗過程中除剪應力作用外,摩擦及彎曲應力常伴隨產生是難以避免的事實,因此以理論公式所計算之抗剪強度值會有誤差,故直接剪斷試驗僅能測定材料近似之抗剪強度此外,由於直接剪斷試驗無法獲悉材料的應變量,因此不能決定材料之降伏強度及剛性係數,相較於扭轉剪斷試驗,此為其最大之應用限制直接剪斷試驗依其試驗裝置方式不同,可分為單剪式及雙剪式兩種,茲分述如下:(1)單剪式其剪斷方式示意於圖82,由於剪斷過程試片受剪部分僅一斷面,因此稱為單剪(simgleshear)剪刃荷重P與試片垂直,若剪力平均分佈於試片斷面積上,則其抗剪強度可利用下式計算求P得sA式中s:抗剪強度(kgf/mm2)P:荷重(kgf)A:試片斷面積(mm2)試片PaP圖82單剪式當剪切刃切入試片時,材料發生塑性變形,此時隨伴產生彎曲力矩,整個剪斷過程中所生之最大彎曲力矩M=Pa(kgfm)(2)雙剪式8082其剪斷方式示意於圖83,由於試片受剪部分有兩斷面,因此稱為雙剪(doubleshear)剪斷過程中若忽略微小之摩擦阻力,則試片之抗剪強度計算如下:dP2A雙剪時試片易受彎曲力矩作用,其大小計算如下:dPabPbpbMaP2A雙剪時試片易受彎曲力矩作用,其大小計算如下:試片P/2P/2PabPbpb圖83雙剪式Ma純剪應力為單位切斷面積上所受的剪切力,因此不論是單剪或雙剪,理論上其抗剪強度應相等但是兩種型式所承受之摩擦力與彎曲力矩卻不盡相同,故實際所得的抗剪強度會有差異abPa3.剪切斷面觀察試片經剪斷後,觀察其剪切斷面一般皆可發現模輥剪切面斷裂面及毛邊等四部分,如圖84所示(1)模輥(dieroll):彈性變形部份,就鐵板而言約為5%t,t為料條厚度此部份因受沖頭或母模刀刃之作用,材料被拉而輥轉稱為模輥圖84a模輥區b光滑區c破斷區d毛邊(2)剪切面(burnishedsurface):塑性變形部份,就鐵板而言約為1/3t此部份因材料緊貼在沖頭或母模壁的周圍,故形成一亮帶,其光澤可與沖頭及母模光度相比擬(3)斷裂面(fracturesurface):撕裂面部份,材料因失去抵抗力而被撕斷,此面傾斜且甚為粗糙,約為材料厚度或直徑之62%(4)毛邊(burr):在材料完全被撕裂的瞬間,剪切刃所受阻力遽減而導致剪切速度增加,於是在斷裂後之邊緣處留下一小部分材料,此即為毛邊,約為材料厚度或直徑之5~10%試片經剪斷試驗後其剪切斷面一般皆具有上述四個部分,但基於某些目的而改變試驗條件時,各部斷面之百分比將有所改變這些影響剪切斷面之因素,主要有材料性質剪切刃及模具銳利度剪切刃與模具間隙試片固定方式及剪切速度等8183五實驗步驟1.試片準備(1)製作方棒或圓柱,形狀及尺寸無一定規格,但須與剪斷試驗裝置相配合(2)量取試片截面積或直徑2.試驗機準備(1)打開電源幫浦開關及開燈(2)裝記錄紙(3)依試片材質將荷重選擇鈕轉至適當位置3.試片安裝(1)將試片安裝於剪斷試驗裝置上(2)將剪斷試驗裝置安裝於萬能材料試驗機上(注意單剪試驗須使模具底座凹槽卡入試驗機台座上之圓榫內)4.剪斷過程(1)將荷重鈕調至適當剪斷速率進行剪斷(2)剪斷試片後將荷重鈕轉至RETURN(3)記錄剪斷試片之最大荷重值5.觀察及計測(1)觀察試片剪切斷裂過程(2)觀察材料降伏及最大剪斷荷重(3)觀察試片剪切斷面型態(4)計算試片抗剪強度6.保養機器:關閉油壓幫浦及總開關,取下試片,並保養機器六實驗結果分析1.本實驗主要在測定材料之抗剪強度,請將相關資料填入表81中,並利用前述公式計算出抗剪強度,與理論值對照並加以分析比較之2.觀察試片剪切斷面形態並加以拍照記錄,且依試驗條件不同比較其差異表81剪斷實驗結果記錄表剪斷方式材料種類熱處理方式試片直徑斷面積(mm2)最大荷重(kgf)抗剪強度(kgf/mm2)理論抗剪強度(kgf/mm2)剪切斷面照片單剪A雙剪2A8284七實驗討論1.直接剪斷法所得之抗剪強度是一種近似值,其原因為何?2.單剪與雙剪所得之抗剪強度是否相同?試討論之3.何種材料需做剪斷試驗?4.直接剪斷法有哪些限制?如何補救?5.試將各種材料的抗剪強度與其他的機械性質一併討論之八實驗心得8385第九章磨耗試驗一前言機件在傳動過程中因滑動或滾滑動現象,而造成相互間的摩擦作用,此摩擦作用將使得材料表面產生應變而掉落下細小之粉末顆粒,如此即發生磨耗現象機件表面磨耗程度若持續擴大,將使得機件原始機能逐漸喪失,終致完全喪失功能,因此探討材料之耐磨耗性,對於材料機械性質研究是相當重要的磨耗試驗是一種測定材料表面耐磨耗性之材料試驗方法,經由分析磨耗量大小及觀察磨耗狀況,即可了解材料表面抗磨損之優劣程度,藉此做為選擇材料或改善材料耐磨耗性的依據二實驗目的1.測定材料滾動磨耗及滑動磨耗,以瞭解材料表面抗磨耗的能力2.分析鋼鐵材料之耐磨耗性三實驗器材及設備1.磨耗試驗機磨耗試驗機的種類很多,一般係針對研究機件之運轉特性而設計,大致上可分為滑動磨耗式及滾動滑動磨耗式兩種,二者可依試材使用環境選擇乾式試驗或濕式試驗,然一般磨耗試驗仍以乾式試驗居多(1)滑動型磨耗試驗機滑動磨耗類似機件中滑塊或引擎活塞的磨耗現象,通常為機件固定施壓,另一機件作往復或旋轉運動圖91所示為此型磨耗試驗機之裝置,試驗時試片固定不動,與承受一選定荷重之轉動磨輪相互接觸,由於彼此造成滑動摩擦而使試片產生磨耗P標準圓輪試片圖91滑動型磨耗試驗機(2)滾動滑動型磨耗試驗機滾動磨耗則類似齒輪凸輪及鋼軌的磨耗行為,兩機件作純滾動,8486接觸面間無相對速度產生而滾滑動則是兩互相接觸滾動件之間有相對速度產生,而併存有滑動磨耗其行為以滑動比來描述圖92(a)所示為此型磨耗試驗機之裝置,試驗時轉動之試片與承受選定荷重的磨輪相互接觸,磨輪受到試片帶動而旋轉,由此試片與磨輪間產生滾動與滑動的現象,而使得試片產生磨耗圖92(b)所示之FRANK磨耗試驗機即利用此種裝置設計而成,主軸轉速約70rpm,可依試驗要求預先設定停止轉速滾滑動磨耗中,測試試片與對磨標準試片若都是圓輪,兩者的轉速可經由齒輪調整而有快慢假定測試試片齒輪數為n1,對磨標準試片齒輪數為n2,且n1>n2,則兩者間之滑動比為(n1n2)/n1100%左右兩側磨輪與試片的接觸壓力均為5Nt,針對不同試材可利用成對荷重砝碼(5Nt3.75Nt及2.5Nt各一對)調整其他荷重,如1.25Nt2.5Nt6.25Nt7.5Nt及10Nt等例如鋼材試驗採10Nt荷重,除扣掉磨輪接觸壓力5Nt外,在左右兩側之荷重支臂上應同時再加上5Nt荷重砝碼2.試片磨輪及荷重砝碼:試片規格磨輪種類及荷重選擇依試驗材料而異,如表91所示3.鑽石削整器及集塵設備4.分厘卡5.電子天平荷重磨輪試片圖92滾動滑動型磨耗試驗機表91常見材料之試片規格荷重擊磨輪種類試驗材料試片規格荷重磨輪種類外徑中心孔厚度(Nt)鋼鐵(含硬化處裡表面)非彈性中粒度及硬結合之燒結砂輪玻璃陶瓷及其他脆性材質非彈性中粒度及中硬結合之燒結砂輪地板皮革塑膠及纖維織物非彈性粗粒度及硬結合之燒結砂輪8587四實驗原理1.滾動滑動原理分析FRANK磨耗試驗機,其構造原理為滾動滑動型磨耗方式試驗時繞垂直軸轉動的試片帶動兩承受選定荷重之磨輪使其相互逆向轉動,於是在兩磨輪間形成與磨輪相同寬度的同心圓磨痕若試片與磨輪的轉速相同,則僅發生滾動磨耗;當試片與磨輪轉速不等時,則滑動與滾動磨耗皆會發生2.磨耗型式GaVan將磨耗定義為當兩平面互相擦拭的機械行為,造成一物體表面持續性的剝落損失磨耗與摩擦的關係密切,在磨蝕過程中,兩材料的相對硬度很重要,因為硬性材料會在軟材料上形成鑿槽或抓痕徵觀上,鑿刻成份類似於撕裂(tearing)當一個彈性體移動過一平面,禪性體和表面粗糙處接觸會造成很大的變形,如果這些局部變形夠大的話,彈性體就發生撕裂而剝落一般而言,磨耗產生的型式可分為:黏著磨耗(adhesivewear)刮擦磨耗(abrasivewear)表面疲勞磨耗(surfacefatiguewear)及腐蝕磨耗(corrosivewear)(1)黏著磨耗兩固體表面相互接觸時,若接觸面間有凹凸不平的峰端,則突出的接觸部分會因承受大壓力而產生塑性變形,最後發生冷焊作用而彼此黏合在一起,如圖93(a)所示黏著部分因進一步的摩擦滑動而使鍵結較弱材料之一側發生剪斷,而被黏著至鍵結較強材料之一側如圖93(b)所示此作用若持續進行將使得材料表面產生嚴重磨損,此種現象稱為黏著磨耗壓力弱鍵結材料強鍵結材料(a)黏著圖93黏著磨耗(b)黏著部弱建結材料被剪斷(2)刮擦磨耗兩個硬度不同的固體表面相接觸時,較硬固體表面的峰端刺入較軟物體的表面,經磨耗作用而刮除較軟固體的表面而形成坑孔,如圖94所示,此種磨耗稱為刮除磨耗在兩個接觸面間,如果有外界的硬質顆粒(如砂)介入也會引起刮除磨耗8688圖94刮擦磨耗(3)表面疲勞磨耗疲勞所導致的磨耗常發生於滾動接觸的場合,這是反覆的週期變化應力作用在一固體表面,經連續操作後,微小的裂縫在物體表面或內層產生,並且繼續擴大,當裂縫延伸至表面後,致使材料成碎塊而脫落此種磨損常在表面留下大小不一的坑孔此類疲勞磨耗的型式經常發生在齒輪軸承等機件上,如圖95所示圖95表面疲勞磨耗1在時間t1時,裂縫形成2在時間t2時,裂縫延伸3在時間t3時,裂縫生長至表面,使材料成碎塊而脫落(4)腐蝕磨耗金屬表面存在於具有腐蝕性氣體或液體的環境中,表面易生腐蝕而形成硬脆的氧化膜,這層膜與基材的結合力較弱,容易與其他固體表面接觸時發生剝離現象,此過程若持續進行,將導致腐蝕磨耗,如圖96所示圖96腐蝕磨耗腐蝕膜被剝離的情形87893.磨耗量度一般試材磨耗量度方式可採用重量體積磨痕寬度或深度及其他幾何形狀改變來加以表示,但其中以重量計測與磨耗痕跡之量度方式較為普遍(1)重量計測一般試材發生大量磨耗時,以試材重量損失來計測磨耗量大小是甚為合適的方式試驗時按試片材料種類選擇合適的磨輪與荷重,在數個不同轉數下測試,然後再分別計測出各轉數時試片所損失之重量(即磨耗量),以轉數為橫座標,磨耗量為縱座標,即可描點連接成曲線,稱為磨耗量迴轉數曲線,如圖97所示由此一曲線吾人可瞭解試片的磨耗情形,若將同一試驗條件的各類試材之實驗結果同時呈現在座標圖中,如此便能比較其耐磨耗性,圖中顯示鑄鐵之耐磨性優於NiCr鋼0.06鋼鑄鐵磨耗量(g)迴轉數(N)圖97磨耗量迴轉數曲線雖然利用試片重量損失作為磨耗量計測的方式是相當簡便的方法,但仍有下列兩項限制:1磨耗主要是因試片表面材料被移除而發生體積改變,所試材密度不均勻,則重量損失並不能提供真正的磨耗結果2磨耗過程中試片表面材料之移除量難以實際計測獲得,這是因為被移除材料在轉移過程中,可能會受到壓力擠壓而再次黏著於材料表面上,而使得材料重量增加(2)磨耗痕跡計測試片體積或尺寸的減少,雖然可表示磨耗量大小,但除了磨痕具有簡單幾何形狀外,這種計測方式相當複雜且費時利用磨耗痕跡之深度或寬度以計測試片磨耗量是常用的方法,但由於磨耗痕跡的深度及寬度甚為細微須藉助顯微設備觀察而計測,因此耗時較多,且磨耗往往各處不是很均勻,計測結果誤差較大,所以實用上受到限制88904.影響材料耐磨耗性的因素(1)黏著性:不易黏著的材料組合耐磨性較大(2)表面氧化膜:氧化膜可防止黏著者較好,若易黏著或脫落,則磨耗增多(3)化學安定性:易腐蝕者容易引起腐蝕磨損(4)熱傳導性:摩擦熱散熱較快者較不易磨損(5)硬度與強度:硬材料接觸點變形少,耐磨耗性好,但接觸不良時,不易牢貼,會增加磨耗量(6)表面粗糙度:粗糙度大時,易引起刮除作用,故磨耗量大(7)潤滑劑:潤滑劑可以形成油膜,減少磨耗量,但接觸壓力大時,油膜破裂,金屬會因黏著而增加磨耗量五實驗步驟1.將主機及吸塵器電源打開(ON)2.設定測試圈數:按下SELECTTESTCYCLES鍵,輸入測試圈數,再按ENTER鍵3.試片準備(1)根據試材種類依表91所示規格製作試片(2)以丙酮清洗表面污物(3)量測試片硬度值4.將試片用電子天平秤其重量,量測精度到1mg*電子天平使用方法:(1)打開電源開關,此時電子天平可自動歸零(2)開啟天平左右側門,將試片輕放稱盤上,再將天平左右側門關上(3)待天平顯示之重量穩定後,直接讀取重量5.將試片置於試片架並用試片夾夾緊6.試驗機準備(1)將成對磨輪裝置於左右兩側荷重支桿上(2)選定成對荷重砝碼並固定於兩側荷重支桿上(鋼:左右側支桿各加5Nt),然後放下吸塵器吸嘴(3)調整計數器歸零7.按START鍵開始進行測試,直至試片架停止轉動若試驗中要終止試驗可按下STOP鍵(緊急停止鍵)8.測試完成後,取下試片觀察並用電子天平秤其重量,而磨耗量則以試驗前後重量的改變決定9.若要繼續下一個測試,則按下RESETCYCLESCOMPLETED鍵歸零,再依上述程序操作10.觀察試片表面磨耗情形11.紀錄繪製磨耗量與迴轉數曲線12.卸下試片保養機器8991六注意事項1.使用電動天平時,須保持平衡勿產生震動或空氣對流,以免影響顯示準確性2.試驗時,順便紀錄試驗時間,亦繪製磨耗量與迴轉時間數曲線3.磨輪若發生偏磨耗,則使用所附砂紙置於試片架上當試片做修正4.吸塵器抽風速度須能吸取磨耗顆粒,一般設定在70七實驗結果分析1.將實驗數據記錄於表92中2.繪製磨耗量與迴轉數曲線,以討論材料對不同迴轉數及荷重之變化?3.磨耗量與材質硬度間有何關係?表92磨耗試驗結果記錄表材料種類熱處理方式硬度荷重(砝碼重量)編號測試圈數磨耗量(mg)備註八實驗討論迴轉圈數1.何謂磨耗?基本上可分為哪四種機構?2.討論影響耐磨耗性的因素有哪些?3.討論滑動滾動,滾滑動磨耗三者間有何差別?4.何謂滑動比?如何求得?九實驗心得9092第十章火花試驗一前言鋼鐵材料之化學組成,對其熱處理程序及機械性質影響甚鉅現今利用化學分析技術以鑑定材料成分是最準確之科學方法,但由於化學分析儀器昂貴且操作過程繁複須時較長,因此現場工作者而言,火花試驗不需昂貴設備,又可迅速判定鋼鐵中所含成分,為各種成分分析中最方便與經濟的方法其限制為:(1)只能概略估算成分百分比,且判別之精確性與經驗有關(2)無法判別碳鋼與合金鋼以外之材料二實驗目的1.利用鋼料內部所含碳量及各種元素成份的不同,於高速旋轉中的砂輪加以研磨時,由產生的火花所表現的特質,迅速的鑑定鋼料的種類及化學成份2.廢料材質之檢視,以分類及利用3.推定材料表面脫碳,滲碳及氮化的程度4.推定鋼料在高溫時的耐氧化性5.判定鋼料是否已淬火6.不同鋼料混雜時,檢別其異種鋼材,以免誤用材料7.機械之成品欲判別其各部材料而無法取樣時,以手砂輪機研磨其不重要之表面而得火花特質以判別材質8.推定展性鑄鐵的石墨化程度9.鍊鋼爐鍊出之鋼,藉其火花特質可立即得知成份三使用規範1.CNS總號3915鋼之火花試驗法四實驗器材及設備1.火花試驗櫃:櫃子本身具有隔風及遮光裝置,內部背景暗黑,以使火花明顯清晰,如圖101所示櫃內設備含兩部分:(1)砂輪機:電動固定式,轉速約在3000~3600r.p.m之電動式砂輪機最為常用(2)砂輪:使用CNS911(瓷質燒結研磨輪)規定之磨輪,其粒度為36~46,結合度為P或Q,圓周速度在20m/sec以上2.標準火花試驗棒:為已知化學成分的各種鋼棒,直徑約12mm,長度約120mm,如圖102所示91933.安全眼鏡及防塵口罩4.照相機及其附件圖101火花試驗櫃圖1022標準火花試驗棒五實驗原理鋼材以砂輪機磨削時,切削發熱而溫度上升,觀察此時所產生之光芒及顏色這種發熱現象起因於(1)因砂輪機受加壓而產生摩擦(2)當砂輪摩擦鋼料時產生塑性變形及削出小片時之黏著阻力而起之發熱現象當磨削溫度繼續上升,其表面開始氧化,而行融解鋼中有碳成分時,會變成一氧化碳,突破磨削粉之表面氧化皮膜而噴出(螺旋運動)或破裂而出磨削一旦達到最高溫之後,逐漸冷卻而火花消失,仔細觀察過程時,偶而會發現暗後復而明之現象,此乃因於變態熱鋼鐵在砂輪上摩擦時,彼此因硬度不同,使鋼鐵在摩擦下產生微小顆粒,此微小顆粒將摩擦時所產生之高熱帶出,在空氣中高速進行,因燃燒狀態而呈現金黃色的火花線條鋼鐵中若含有不同合金元素,則會產生各種形狀與顏色的線條火花微小顆粒中若含有碳素,則碳與氧作用而產生二氧化碳,大量二氧化碳的產生,使顆粒的體積膨脹,並且形成高氣壓,終致突然爆裂而產生火花分枝;由於粉末顆粒是連續性拋出,因此可觀察到光亮的火花條紋,稱為流線火花之形狀及各部名稱如圖103所示圖中顯示整個火花束可區分為三段,花根(根部)中央部及花端(稍部)火花試驗除可藉由火花型態之差異來判別鋼材種類及成分外,尚具有下敘功能:1.判定材料有無淬火,一般淬火過的鋼料,火花量較多,火花流線角度較大2.檢定鋼料之高溫耐氧化性在氧氣中做火花試驗時,易生火花之鋼料耐氧化性較差,反之,不易產生火花之鋼料耐氧化性較佳3.鑑定有無脫碳滲碳及氮化之程度,脫碳層有低碳鋼火花,爆發極少;滲碳層有高碳鋼火花,爆發極多,而氮化層發生之火花極少4.判定展性鑄鐵石墨化程度,隨石墨化程度增加,火花型態越接近碳鋼9294圖103火花之形狀及各部名稱鋼鐵中因內含不同之合金元素,因此產生各種形狀及顏色的火花其中之碳元素在火花形成過程中會與氧作用而產生二氧化碳,隨者二氧化碳的連續產生,使得細小的火花顆粒體積持續擴大,並且形成高壓,終致突然爆裂而產生火花分枝鋼中含碳量越多,爆裂火花分枝越多;含碳量愈少,爆裂火花分枝愈少如果是合金鋼材料,由於受到合金元素的影響,因此顯現不同的火花特徵由以上瞭解,鋼鐵材料由於成分相異而呈現不同的火花特徵,所以可藉此鑑別鋼材種類常見鋼鐵材料編號,如表101所示1.碳鋼之火花碳鋼之火花主要受到含碳量之影響,當碳鋼進行火花試驗時,鋼料粉末中之碳受高熱燃燒而產生火花,由於含碳量不同,因此火花流線分枝數量顏色及亮度呈現各種型態,不同含碳量之火花特性,如圖94及表92所示表101常見鋼鐵材料編號材料種類編號主要成分純鐵碳鋼鎳鉻鋼鉻鉬鋼鉻鋼鎳鉻鉬鋼碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼耐熱鋼模具鋼不銹鋼軸承鋼彈簧鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵展性鑄鐵SUYSxxCSNCxxxSCMxxxSCrxxSNCMxxxSKxxSKSxxSKHxxSUHxxxSKDxx,sktxSUSxxxSUJxSUPxxFCxxFCDxxFCMxxCCMnNiCrCMnCrMoCCrMnCMnNiCrMoCSiMnCVCrWCMoWVCoCSiMnNiCrCSiMnCrWVMoCSiMnNiCrMoCCrSiCSiMnCrVCSiCSiCSi9395圖104碳鋼火花與含碳量的關係圖105碳分枝形態與含碳量之關係圖圖105顯示火花分枝狀態與碳鋼含碳量之關係;流線中段或尾端出現的分枝稱為刺,分枝上分叉又有小枝稱為二段花,二段花再有分枝稱為三段花;三段花處枝小火星稱為花粉,碳鋼含碳量越多,火花爆裂分枝越多,且常伴隨出現花粉在0.5%含碳量以下之碳鋼,每差0.05%含碳量即可分辨火花分枝的差異,當含碳量高於0.5%時,由於火花型態甚為複雜,因此甚難分辨9496C%<>0.8流線火花分枝顏色亮度長度粗細數量形狀大小數量花粉橙色暗長粗少無火花分枝*2分枝3分枝多分枝3分枝2段花多分枝2段花多分枝3段花亮長粗大無開始有有手的感覺紅色暗短細多複雜小多多硬綜合圖104表102結果,針對碳鋼類材料之火花特性說明如下:(1)純鐵:火花流線角度大,數量多,但無分枝,花根為暗紅色,向外漸亮,中央呈金黃色(2)低碳鋼(0.25%C以下):火花流線多而細,但略少於純鐵,花根及中央部均有分枝;花根為暗紅色,中央為金黃色(3)中碳鋼(0.25%~0.5%C):火花之流線角度大於低碳鋼,流線短而分枝多,且有二段花,三段花及花粉產生,全束火花呈現金黃色(4)高碳鋼(0.5%C以上):火花流線角度比中碳鋼大,流線細而短,除多分枝三段花外,伴隨有花粉產生,除花跟呈紅色外,其餘部位皆呈黃色各種成分碳鋼之火花型態描述及照片,分別如表103及圖106所示小少無無無軟2.合金鋼之火花合金鋼火花特徵除碳鋼量影響外,尚受到合金元素之影響,一般分成助長碳火花分枝及阻止火花分枝柳類,如表104所示(1)助長碳火花分枝之元素:MnCrV等元素可助長碳火花分枝的爆裂(2)阻止碳火花分枝之元素:SiMoWNi等元素可阻止碳火花分枝的爆裂此外氧化性元素,如A1MnSiTi等元素可增加火花光輝,使火花呈現白色或金色;非氧化性元素,如NiCiW等元素可減少火花光輝,使火花呈現橙色或暗紅色合金元素所形成之火花特徵,如圖107所示常見合金鋼之火花狀態描述及照片,分別如表105及圖108所示9597表103碳鋼之火花型態描述圖號鋼種化學成分(%)CSiMnPSNiCr106(a)純鐵SUY(b)S10C(c)S15C(d)碳鋼S20C(e)S30C(f)S45C火花型態描述1.流線明亮2.全束火花沒有分枝1.有三分枝及四分枝2.流線光亮1.流線光亮2.末端有分枝產生1.有多分枝二段花2.花根部位有少量火花分枝出現1.有多分枝二段花2.有三分枝1.分枝大且附花粉2.流線多而細(a)SUY(b)S10C9698(c)S15C(d)S20C(e)S30C(f)S45C圖106各種成份碳鋼之火花照片9799表104合金元素對合金鋼火花特徵之影響影響區別助長碳破裂阻止碳破裂添加流線破裂手的特徵元素色亮度長度粗度色形狀花粉數量感覺形狀位置淡黃複雜細Mn明短粗白色有多軟花粉中央色樹枝狀Cr橙色暗短細橙色菊花狀有不變硬花花端變化變化變化變化變化V細多少少少少少細波暗紅水滴狐狸W暗短狀斷紅色無少硬花端色狐狸尾尾續Si黃色暗短粗白色白玉無少白玉中央黃紅紅黃膨脹閃膨脹Ni暗短細無少硬中央色色光閃光橙紅澄紅Mo暗短細箭頭無少硬箭頭花端色色圖107合金鋼所含合金元素之火花特徵98100表105常見合金鋼之火花型態描述化學成分(%)圖號鋼種火花型態描述CSiMnNiCrWMoV1.火花成滴狀碳SK末梢有少量花粉素1.火花成三角狀108(a)工SK火花末端有花粉產生具1.流線平直鋼SK末端有分枝產生合108(b)金工具鋼108(c)模具鋼108(d)高108(e)速鋼軸108(f)承鋼108(g)鉻鉬108(h)鋼108(i)不銹108(j)鋼彈108(k)簧鋼SKS沒有碳分枝2.流線細呈暗紅色3.末端有鎢白鬚矛尖出現SKS分裂火花數目較SKS2少2.流線極短1.流線細極短SKD末端有少量爆裂火花分11枝1.流線平直SKD少量流線花端膨脹,並附61有花粉1.有裂花及小三角SKD整體火花為紅色無碳分55枝SUJ流線細2.中央部有花粉產生SCM1.具0.4%C碳鋼火花特徵具有Mo之箭頭狀火花SCM1.具15%C碳鋼火花特徵具有Mo之箭頭狀火花SUS41.流線中央部有三分枝J22.流線花端較粗SUS31.大部分僅有流線近花根處為暗紅色1.線花端較粗大2.流線色澤為金黃色SUP少量產生Si白玉火花4.分枝細99101108(a)SK3108(b)SKS2108(c)SKD11108(d)SKD61108(e)SKH55108(f)SUJ2100102108(g)SCM(h)SCM(i)SUS420J2108(j)SUS(k)SUP6圖108常見合金鋼之火花照片101103碳鋼或低合金鋼3.鋼種鑑別程序鋼種鑑別一般分成碳鋼或低合金鋼高合金鋼之鑑別程序,分別如表106及107所示試驗時通常先以有無碳火花分枝區分為兩部分,即碳鋼低合金鋼群及高合金鋼群,然後再進行細部鑑別工作表106碳鋼或低合金鋼之鋼種鑑別程序第1分類第2分類第3分類鋼種推定觀察特徵分類觀察有有碳破無碳破裂碳破裂的破裂系多裂少特徵多枝破裂多枝數段破裂破裂多樹枝狀分類0.25%以下超過%C至0.5%C以下超過0.5%C觀察特徵分類特徵鋼種推定例特無特殊火碳鋼S10C,S15CK殊花僅有碳碳鋼普通鋼(SS41)火火花花羽毛狀末淨綱膨脹閃光分裂Ni鎳鉻綱(SNC415)劍花菊花狀,手有特殊火低合中感覺硬花金鋼花根附近破裂較Cr鉻綱(SCr420)清楚單純箭頭Mo鉻鉬綱(SCM415)特殊火無特殊火碳鋼鍛鋼品SF55花花僅有碳碳鋼碳鋼S30C,S45C火花特膨脹閃光分裂Ni鎳鉻綱(SNC631)殊劍花Ni菊花鉻綱(SCr440)火有特殊火低合狀,手中感覺硬鉻鉬綱(SCM440)花花金鋼花根附近破裂較Cr鎳鉻鉬綱清楚單純(SNCM447)箭頭Mo錳鉻綱(SMnC443)特碳工具鋼SK3無特殊火殊SK5花僅有碳碳鋼火彈簧鋼SUP3火花花SUP4菊花狀,手中感軸承鋼SUJ1,SUJ2覺硬花根附近破CrSUJ3有特殊火低合裂較清楚花金鋼Si彈簧鋼SUP6白玉彈簧鋼SUP7102104高合金鋼之鋼種表107碳鋼或低合金鋼之鋼種鑑別程序第1分類第2分類第3分類鋼種推定觀特分觀察特徵分類觀察特徵分類特徵鋼種推定察徵類例有無流流線橙色橙色特殊無分純鐵SUY1*無分線色系火花枝碳枝系橙紅橙色特殊磁性SUS420J2火色系火花非磁性SUS304花暗紅暗紅特殊花端不銹鋼分色色系火花膨脹枝細流特殊無分耐熱鋼SUH3線火花枝花端膨脹特殊無分高速鋼裂花小滴SKH2火花枝斷裂花小滴SKH3續波裂花無小滴SKH4狀流花端附膨脹花SKH9線特殊附白合金工具鋼SKS2火花鬚矛(SKS系)SKS3尖SKS4特殊細小合金工具鋼SKD1火花菊花(SKD系)SKD11狀六實驗步驟1.關閉室內燈光,打開火花試驗機電源2.試驗者戴上安全眼鏡,穿著長袖衣物3.將標準試棒於砂輪上磨削而產生火花施加於試棒上之壓力應維持一定(0.2%碳鋼棒能產生約500m常火花),並使火花方向為水平或略為傾斜向上,觀察比較其成分及火花的顏色分叉數量角度等,拍照記錄或描繪火花狀態4.觀察火花時,應分別就根部中央前端三部分加以觀察,要注意:(1)火花流線(顏色數量角度亮度長度及粗細)(2)火花分枝之顏色數量花粉形狀大小5.以未知成分鋼材試棒做火花試驗,觀察並拍照記錄或描繪火花狀態,以判斷預估含碳量或合金種類6.整理並保養機器103105七注意事項1.火花試驗時穿著上衣長褲,並戴護目鏡,以防火花灼傷2.盡量背光測試,或在暗室中進行,以觀察較完整的火花3.試材異質表面(脫碳氮化滲碳層)除非試驗需要保留外應加以去除,以免發出之火花與母材有異4.火花應避免受風吹影響,不可逆風產生火花八實驗果分析1.拍照記錄或描繪標準試棒之火花形態,並與課文中照片比較是否吻合2.將未知成分碳鋼試材之實驗結果填入表108中,並與標準試棒火花形態比較,判定鋼材成分表108火花型態記錄表試片編號或名稱火花形態流線分枝顏色亮度長度粗細顏色形狀數量火花照片或描繪圖形判定鋼材成分3.將未知成分合金鋼試材之實驗結果填入表109之鋼種鑑別程序記錄表中,依分類程序推定鋼材種類,並將其火花形態與標準試棒比較分析,以校正結果4.由拍攝之火花狀態圖,推定鋼材是否有淬火,或具有滲碳脫碳及氮化等異質表層104106試片編號或名稱觀察有花無分碳之火表109鋼種推定程序記錄表第1分類第2分類第3分類鋼種推定特徵分類碳枝線火系系花或分流觀察分或枝流數線量色特徵分類碳顏含色量系或觀察特殊火花特徵分類合金鋼碳鋼或低高特徵結果九實驗討論1.討論火花試驗有何優點?又有何限制?2.討論何謂碳花?其主要受何種因素而改變?3.討論爆裂分枝形態與含碳量之關係如圖104所示而流線和分枝的特徵與含碳量之關係則如圖105所示4.討論碳鋼與合金鋼之火花特徵有何不同的地方?5.討論火花試驗除判別成分外還有哪些用途?如何判別?十實驗心得105107第十一章金相技術一前言材料透過機械性的試驗可以瞭解材料的機械性質,然而對於材料組織型式晶粒形狀晶粒大小或是成分特性的認識,必須靠金相實驗觀察從材料組織的觀察可以瞭解組織對材料機械性質的影響判斷材料熱處理的成敗觀察加工方式對組織的影響及材料成分的判定金相試驗一般是透過光學顯微鏡觀察材料組織的試驗金相技術包括了試片表面準備腐蝕選用顯微鏡操作暗房工作等手續,金相技術的好壞決定材料組織觀察的成敗本章將針對金相技術部分做探討,對於金相照片分析與材料組織觀察將留在後面的章節中探討金相試驗在材料檢驗方面的應用包括:1.材料熱處理成敗的檢驗2.材料製程後檢驗,例如鑄件鑄態石墨型態檢驗冷加工晶粒形狀判斷焊件熱影響區組織檢驗3.碳鋼成分判斷4.材料缺陷檢驗,例如夾雜物碳化物析出顯微裂痕檢驗5.破斷面分析,利用實體顯微鏡或電子顯微鏡觀察金相試驗是材料組織觀察最基本的技術,對於其他常見的顯微鏡檢驗還包括:電子顯微鏡檢驗及實體顯微鏡檢驗,其相關的比較如表111表111常見的顯微鏡檢驗比較實體顯微鏡金相顯微鏡掃描式電子顯微鏡穿透式電子顯微鏡(SEM)(TEM)解析度約數μm約2000Å約1000Å~數十Å約數Å~10Å基本原理光學光學電子束電子束針測區域表面表面微細組織微細組織用途低倍率長景深巨觀組織觀察表面組織微結構化學組成成份分佈及鍵結晶體結構微結構化學組成成份分佈及鍵結晶體結構二實驗目的1.熟練金相試片準備的處理2.熟悉金相顯微鏡的構造原理與操作方式3.熟悉金相拍照與暗房作業4.能利用金相設備做材料組織觀察106108三使用規範1.CNS2910鋼內非金屬夾雜物之顯微鏡試驗方法2.ASTM標準voStandardDefinitionsofTermsRelatingtoMetallography四實驗設備與器材1.試片準備相關設備(1)金相切割機:金相切割機是高速並能充份冷卻的精密切斷機器,如圖111金相切割機所用的砂輪片一般都非常的薄,切割砂輪片選用除了尺寸外必須考慮砂輪材質與結合材料表112為金相切割砂輪片選用參考照明電燈保護蓋開啟準備夾持試片電燈開起按鈕電源顯示燈電源開起按鈕保護蓋冷卻水開起按鈕電源關閉按鈕保護蓋把手進刀手輪砂輪鋸片冷卻水管試片固持夾具圖111金相切割機(2)鑲埋設備:鑲埋可分成冷鑲埋與熱鑲埋熱鑲埋:大多以鑲埋機(如圖112)將鑲埋材料予以加熱加壓,使鑲埋材料與試片嵌合成型常用的鑲埋材料與其鑲埋條件如表113壓力錶冷鑲埋:是針對組織亦受溫度影響的材料而設計,一般利用樹脂時間設定加入硬化劑採用化學反應硬化的方式將試片固定上蓋手把模具上蓋加熱開關電源開關溫度設定及顯示錶油壓把手圖112金相鑲埋機107109表112金相切割砂輪片選用參考材料砂輪條件適用材料碳化矽非鐵金屬或非金屬粗顆粒鐵金屬:大斷面快速切割冷卻較佳氧化鋁細顆粒鐵金屬:光滑表面易造成少許燒焦薄管硬結合度切割軟材料軟結合度切割硬材料表113常見鑲埋材料的鑲埋條件鑲埋材料設定溫度成型壓力保持時間特性電木粉約150約150kgf/cmmin熱固性有顏色尿素*約110約150kgf/cmmin熱固性有顏色壓克力*約120約150kgf/cmmin熱塑性透明*註:數據為實驗所得(3)研磨:手工研磨用玻璃板與#150,240,400,600,800,1000,1200碳化矽水砂紙(號數愈大砂紙愈細)機械研磨包括迴轉式研磨拋光機(如圖113)及圓形各號數水砂紙(4)拋光:迴轉式研磨拋光機拋光絨布拋光劑(0.3μ0.1μ0.05μ氧化鋁粉或鑽石膏)(5)吹風機或熱風乾燥器保護蓋轉速錶圖113迴轉式研磨拋光機電源開關轉速鈕水管研磨盤及砂紙2.金相顯微鏡光學顯微鏡是金相組織觀察最重要的設備,一般組織觀察與材料特性皆可以由光學顯微鏡達成光學顯微鏡依其光源與試片位置區分成直立式與倒轉式顯微鏡,一般大多以直立式使用較多如圖104若依照觀測光源模式區分成:(1)明視野(brightfieldillumination):一般金相觀察大多以此種為主,屬於垂直光源(2)暗視野(darkfieldillumination):斜角光源,得到的影像和明視野相反,適合觀察斜面組織的情況(3)傾斜式光源(obliqueillumination):斜角光源,使用很少,粗糙表面經由傾斜式顯微鏡可顯現陰影而強化3D的效果(4)偏光(polarizedlight):加上偏光鏡及分析鏡,適合特定異向性金屬觀察,如鈦鋯鈾等金屬腐蝕困難,但經適當拋光可透過偏光觀察108110(5)相對比光源(phasecontrastillumination):加裝環狀盤與相板,適合拋光後或輕腐蝕材料微小相變化觀察(6)干涉對比(interferencecontrastillumination):加裝一個雙稜鏡使入射光束分成兩道相位不同的平行光,試片反射光再由稜鏡合併適合觀察材料表面輪廓,能強調拋光後輕微高低差的相金相顯微鏡的主要系統包括:(1)光源系統;(2)聚光系統:用鏡頭將光源聚集到觀察點上;(3)過濾片:改善光線對比;(4)物鏡;(5)目鏡;(6)載物台:用於放置試片同時可移動及將試片對焦;(7)支持架如圖104圖104金相顯微鏡的主要系統設備109111一般金相顯微鏡的觀察倍率為物鏡放大倍率與目鏡放大倍率的乘積高倍率觀察時常需在物鏡與試片間滴入浸泡油(immersionoil)以增加解像度3.暗房設備(科技發達已被數位相機取代現多已不再使用)包含:(1)放大機(2)沖片夾及沖片罐(3)照片沖洗盤(顯影停影定影水洗)及藥水五實驗原理1.顯微鏡原理金相組織成像的原理隨使用的顯微鏡不同而不同以最常用的直立式明視野顯微鏡為例,其光源與成像原理如圖105光源系統路徑如下:(1)入射光路徑:光源(燈泡)聚光鏡濾光片光圈半分光鏡物鏡聚焦到試片(2)反射光路徑:試片反射光物鏡分光稜鏡目鏡(或照像裝置)圖105金相組織成像的原理1101122.腐蝕原理利用直立式明視野顯微鏡觀察試片時,光源照射到試片表面後,隨著材料處理條件的不同,光線會產生反射或折射,因此成像的影像變有黑白的差異,如圖106圖106(a)未拋光材料由加工留下的痕跡,形成黑白灰相間聚焦不準的線條圖106(b)僅經拋光後的材料,表面光線幾乎都反射成白色光亮區,僅留下一些小黑點(碳化物)或裂痕等缺陷圖106(c)僅拋光的鑄鐵,基地為白色光亮區,由於石墨為黑色,所以不經腐蝕便可觀察到圖106(d)單相金屬經拋光腐蝕後,晶界最易被腐蝕而低陷,光線被折射掉而成黑色,晶粒未被腐蝕光線反射呈白色圖106(e)兩相金屬拋光腐蝕後,其中一相被腐蝕低陷使光線折射而呈黑色或灰色,另一相未被腐蝕而呈白色圖106腐蝕與金相組織示意圖3.影像判斷一般使用的金相照片以黑白為主,其主要的原理是利用光線反射或折射造成影像的黑白對比,因此在不知道材料背景的情況下不易做材料成份分析,因此做金相實驗之前最好能大致知道材質,以方便分析金相影像判斷的項目大致可以做到下列幾項:111113(1)組織分析:不同組織的形狀不同,由組織的觀察可以判斷材料熱處理或其他處理狀況是否成功例如波來鐵為層狀麻田散鐵為針狀延性鑄鐵石墨為球形(2)晶粒形狀大小分析:判斷材料冷加工或熱處理晶粒改變的狀況例如冷加工材料做再結晶退火的觀察(3)缺陷分析:觀察顯微裂痕或碳化物析出的情形(4)成份推測:用低倍率觀察材料黑白組織的百分比可以推估材料成份例如碳鋼退火後黑白比約為1:1時,其含碳量約為0.4%六實驗步驟金相實驗一般流程如圖取樣(1)切取試片的部位及方向,須符合觀察的需要例如經滲碳處理的試片必須取材料表面至中心的方向觀察(2)試片取樣不可太大或太小通常取10~25mm直徑或邊長材料,厚度約10mm以下(3)取樣應避免過熱影響材質,以砂輪切割機切取時應加充分冷卻劑金相切割機的操作:(1)開照明燈(2)打開保護蓋夾緊試片(3)調整冷卻劑水管出口確保可噴到切割試片關上保護蓋(4)開冷卻按鈕沖到試片上(5)開動砂輪機以手動前進緩慢切削(6)切斷後關閉砂輪及冷卻劑電源(7)打開保護蓋取下試片2.粗磨圖107金相實驗流程試片切取後,切割面若出現過熱變形或不平整的現象時,可用#112114150號以下的碳化矽砂紙進行手磨,或用細砂輪側面磨平,亦可使用磨床磨平此外,務必把試片邊緣毛邊去除並作倒角,以免研磨拋光時刮損砂紙或圓布輪3.鑲埋當試片太過薄小不易握持時,或欲觀察試片邊緣組織時,試片就需要鑲埋鑲埋分成熱鑲埋及冷鑲埋兩類熱鑲埋機操作步驟如下:(1)鑲埋機幫浦開關打開,下模上昇(2)將試片欲觀察面朝下模具放置(3)將下模具下降4~5cm,倒入鑲埋粉(4)將上模鎖緊(5)設定鑲埋溫度(如:110度)並加熱(6)溫度將到達設定前(如:80度)加壓(7)壓力保持(150kg/cm2)一段時間(如8min)(8)關電熱,開冷卻系統(保持3mis)(9)關冷卻系統,模具降壓退出,取試片冷鑲埋步驟如下(圖118):(1)金屬管(或塑膠管)內壁塗上一層凡士林(或黃油)以利脫模(2)將試片(太小時可用夾子固定)欲觀察面朝下放在模具內(3)依比例(重量比為約5:1)調配環氧樹酯及硬化劑當鑲埋材料注意流動性(4)將鑲埋材料倒入模具中,數分鐘後將硬化(5)從管中頂出鑲有試片的透明圓柱體圖118冷鑲埋過程4.細磨細磨是由粗(號數小)到細(號數大)的水砂紙依序研磨試片,其目的一則是要去除材料表面變質層,再則是使材料表面平整光滑常用的水砂紙號數有#細磨可以利用手工研磨或迴轉研磨機研磨手工研磨步驟為:(1)將玻璃墊版砂紙試片清洗乾淨113115(2)玻璃板傾斜放置使水及研磨顆粒及產物流掉(3)研磨至試片平整且去除前次加工痕跡(4)換更細水砂紙重複1,2,3步驟,每換一號數數砂紙時必須徹底清洗試片砂紙及墊板,並將試片轉90度方向再研磨機械研磨:迴轉研磨機使用方法與拋光機大致相同,研磨機以水砂紙研磨,拋光機以拋光絨布及拋光粉拋光操作方法如下:(1)研磨輪裝上適當水砂紙(2)開電,設定迴轉數約200~300R.P.M.(3)開水,清洗砂紙(4)由研磨盤中心向外,逆迴轉方向研磨5.拋光拋光的目的是使試片達到鏡面,以利顯微鏡反光採用氧化鋁粉或鑽石膏拋光,鑽石膏拋光痕跡較細且拋光較快但較貴一般以氧化鋁粉使用較多,粗拋光可用0.3CR或0.1CR拋光懸浮液,細拋光用0.05CR拋光懸浮液拋光機操作同研磨機,但須注意粗細拋光絨布不可互相混用拋光時試片不宜固定在同一位置,應把試片沿逆時針方向來回移動使圓布輪均勻磨耗,並避免試片產生單方向的痕跡若有大量試片需要拋光時,可使用全自動研磨機來拋光,以期在短時間內得到大量拋光良好的試片6.乾燥處理乾燥處理的目的在防止試片氧化,避免試片留有水紋一般處理步驟為:(1)試片直力握持(2)水洗(3)酒精清洗(4)熱風吹乾7.觀察第一次觀察目的在觀察拋光效果材料缺陷碳化物析出石墨組織(鑄鐵)金相顯微鏡的操作如下:(1)用黏土和壓平器將試片固定在載物片上(2)試片放到置物台上將載物片固定(3)打開顯微鏡電源,並調整亮度(4)調整明暗對比(5)調整置物台移動鈕選定觀察位置(6)選用低倍率鏡頭(如物鏡10X)(7)試片上升到接近物鏡(8)試片緩慢下降且從目鏡觀察對焦(9)更換較高倍率時,直接轉動物鏡盤(10)微調對焦8.腐蝕腐蝕使試片組織有光線反射差異而造成成像的黑白區間腐蝕條件需依照試片材質選用,常用的腐蝕條件如表104一般腐蝕條件最好選用較低濃度長時間腐蝕,其原因一為安全顧慮,再則腐蝕不足可再繼續腐蝕,若腐蝕過度而燒蝕則必須重新拋光再做腐蝕114116表104顯微鏡試片的腐蝕液(1)碳鋼低合金鋼中間合金鋼名稱成份摘要硝酸酒精溶液(Nital)硝酸1~5c.c.+酒精(乙醇)100c.c碳鋼低合金鋼中間合金鋼鑄鐵等一般的組織,數秒~1分鐘苦味酸酒精溶液(Picral)苦味酸4g+乙醇100c.c.碳鋼一些低合金鋼或鑄鐵的淬火回火組織,但是肥粒鐵相不被腐蝕,故此相的結晶粒境界顯示不出來回火鋼10~20秒淬火鋼1分鐘以上,正常組織30秒~2分鐘酸性苦味酸的酒精鹽酸15c.c.+苦味酸1g+乙醇100c.c.可使沃斯田鐵結晶粒現出,試用於淬火或回火鋼比Picral的腐蝕快也有用硝酸1c.c.+溶液苦味酸4c.c.+少量酒精的溶液適用於FeCr,FeCrNi,FeCrMn合金鹽酸鹽酸(濃)1c.c.+水100c.c.用於淬火鋼,如果加入500c.c.的水可作為弱電流的電解腐蝕液苦味酸鈉的酒精溶液苦味酸2g+苛性鈉25g+水100c.c.適用於鋼鐵中雪明碳鐵或其他碳化物的著色將試片致於此溶液中加熱(80)5~10分鐘,雪明碳鐵等的碳化物會由褐色變成黑色配置此液的方法是先將苛性鈉25g,溶於60~70c.c.的水中,再加入苦味酸2G,緩慢加熱溶解之,再加水稀釋到100c.c.置存於棕色瓶內新鮮溶液,腐蝕效果較大酸性氯化氯化銅10g+氯化鎂此兩種氯化物以溫水溶解後,加入乙醇至銅溶液40g+鹽酸(濃)20c.c+溫水以及乙醇1000c.c1000c.c.用於磷的偏析狀態的檢查將試片的研磨面置於此液中1分鐘後,取出擦乾,再置於另一新液中,如此反覆操作數次,含有P的相上會有銅的沉著然後以沸騰水再以酒精洗淨而觀察之特殊苦味苦味酸20g+表面活性用於鋼的回火脆性的檢查酸溶液劑2c.c.+水100c.c.+醚(Ether)100c.c.(2)高合金鋼不銹鋼高速鋼耐熱鋼等名稱成份摘要王水鹽酸(濃)3:硝酸(濃)2適用於不銹鋼,配置後放置隔日後再使用因為此液腐蝕性強,顧在操作時必須特別注意混合酸(A)硝酸30c.c.+醋酸適用於不銹鋼及其他含Ni,Co2的合金20c.c.(B)鹽酸92c.c.+硫酸5c.c.+硝酸3c.c.適用於一般合金鋼的組織觀察,依合金鋼的種類,其腐蝕的難易不同115117鉻酸溶液混合酸的酒精溶液混合酸的甘油丙三醇溶液赤血鹽的鹼性溶液氯化鐵溶液鹽酸25c.c.+鉻酸10%的水溶液5~50c.c.鹽酸10c.c.+硝酸3c.c.+乙醇100c.c.(A)硝酸10c.c.+鹽酸20~30c.c.+甘油丙三醇20~30c.c.(villella)(B)硝酸10c.c.+氟化氫20c.c.+甘油丙三醇20~30c.c.(C)硝酸10c.c.+鹽酸20c.c.+甘油丙三醇20c.c.+雙氧水(30%)10c.c.赤血鹽10g+氫氧化鉀10g+水100c.c.(A)氯化鐵的飽和鹽酸溶液+少量的硝酸(B)氯化鐵5g+鹽酸50c.c.+水100c.c.(C)氯化鐵10g+鹽酸30c.c.+水120c.c.適用於188鋼的熱處理組織腐蝕度可由鉻酸的含量調節之此溶液再加倍量的酒精及甘油丙三醇(Glycerine)可作為電解腐蝕液適用於淬火鋼的結晶粒界的檢查及淬火回火高速鋼的組織,2~10分鐘FeCr合金,高速鋼;不銹錳鋼,NiCr鋼,研磨與腐蝕反覆操作而得之高矽合金(Duriron等)甘油丙三醇量可適當調節用之適用於FeCrNi,FeCrMn及其他FeCr基的合金適用於Cr鋼W鋼或高速鋼的碳化物或複碳化物的檢查同時也可用於磷化鐵共晶的組織檢查使用於室溫或較高的溫度下1分鐘以內,新配置的溶液較有效適用於不銹鋼適用於沃斯田鐵系不銹鋼,以棉花浸於液中取出後試片研磨面上拭擦30秒以下,水洗後再酒精洗之(2)高合金鋼不銹鋼高速鋼耐熱鋼等名稱成份摘要氯化銅的混合酸溶液鹽酸30c.c.+硝酸10c.c.+氯化銅(飽和之)不銹鋼高Ni或高Cr合金以棉花吸取溶液於研磨面上拭擦腐蝕之氯化銅的鹽鹽酸100c.c.+氯化銅5g+適用於沃斯田鐵鋼或肥粒鐵鋼酸酒精溶液乙醇100c.c.硫酸銅的鹽硫酸銅4g+鹽酸20c.c.+適用於不銹鋼氮化鋼酸溶液水20c.c.硝酸亞汞的鹽酸溶液硝酸亞汞7g+鹽酸100c.c.+水100c.c.適用於不銹鋼配製法,先加熱使完全溶解後,冷卻用之雙氧水的鹼性溶液雙氧水(工業用)10c.c.+氫氧化鈉溶液(10%)20c.c.用於無碳FeW合金,其化合物呈黑色,含有碳時,複碳化物呈一層暗黑色以新配置液使用較有效腐蝕時間10分鐘為佳116118(3)銅及銅合金名稱成份摘要NH4OH10c.c.將研磨面浸入約1分鐘,然後用棉花擦乾,適濃氨水過N2O2(3%)5~10c.c.宜銅黃銅青銅用,使用時調配之氧化氫水10c.c.FeCl銅黃銅青銅鋁青銅白銅磷青銅等適GradHCl用指示液水100單位:c.c.(4)鋁及鋁合金名稱成份摘要氟酸HF0.5c.c.浸入約15秒,一般鋁合金用,粒界特別明顯水99.5c.c.示出氫氧化鈉NaOH1~10g浸入5~10秒,一般輕合金用,肉眼組織用溶液水100c.c.者,NaOH量多(5)鎳及鎳合金名稱成份摘要硝酸硝酸50c.c.使用前調合,腐蝕5~20秒,鎳蒙鈉合金冰醋酸冰醋酸50c.c.及其他NiCu合金適用王水HNO35c.c.腐蝕30秒~2分,Inconel合金適用HCl25c.c.水30c.c.(6)鎂及鎂合金名稱成份摘要乙二醇乙二醇75c.c.進入10~15秒,一般用(Glycol)HNO31c.c.水75c.c.(7)鉛錫及其合金名稱成份摘要硝酸NHO32c.c.含錫多之合金用酒精98c.c.硝酸NHO35c.c.含鉛多之合金用水95c.c.醋酸冰醋酸30c.c.適宜鉛及錫合金用H2O2(3%)95c.c.(8)鋅及其合金名稱成份摘要PalmetonCrO3(99.95%)200g一般用,搖動浸入試藥NaSO215g水1000c.c.1171199.觀察第二次觀察主要在觀察材料的組織與分析,操作方法同第一次觀察10.照相金相照相可由照相機或熱感式印表機照出金相組織,照相工作應注意的項目包括:(1)焦距調整:由於每個人視力不同,因此清晰影像焦距的調整必須事先校正,一般金相照大多先在目鏡上將雙十字線對至清晰,再對準試片焦距後照相(2)比例標示:照片經顯微鏡放大再經沖洗放大,因此組織比例有所改變,若要觀察組織尺寸則一般會在拍照時加拍微縮尺(micromrter)以顯示相對比例11.暗房工作(若使用數位相機照像,直接由相館沖洗照片)暗房工作室專業而複雜的,對金相實驗而言,僅能簡略說明暗房工作簡單分成沖底片與洗照片兩個步驟沖底片步驟如下:(1)依藥水指示調配顯影停影定影劑(2)在全黑暗房中捲片(3)將捲片夾放入沖片罐,蓋起上蓋,開燈(4)由蓋上通水口倒入顯影劑(5)顯影(約8分鐘),倒出顯影劑(6)停影:清水沖洗3~4次(7)定影(約10分鐘)(8)底片取出水洗(約40分鐘)(9)晾乾洗照片步驟如下:放大機操作(1)抽出底片夾,放入欲洗底片,插回底片夾(2)開曝光燈,調整放大倍率(3)對焦距(4)設定光圈與曝光時間(5)調整曝光板曝光影像大小與位置(6)關曝光燈,裁切相紙(7)擺相紙於曝光板上(藥膜面朝上)(8)曝光沖洗步驟如下:(1)顯影:藥膜面朝下,時間1.5~2分鐘(2)停影:1%冰醋酸,15秒(3)定影:10分鐘(4)水洗:40分鐘(5)晾乾118120七注意事項1.若太黑則曝光時間減少或光圈減少2.相紙號數愈大,反差(對比)愈大3.每換一號數數砂紙時,試片轉90度方向再研磨4.拋光絨布清洗可用手指由內向外清洗直至水不再混濁八實驗結果分析金相實驗結果記錄於表105中表105金相實驗數據材質組織分析金相照片放大倍率:倍熱處理腐蝕劑腐蝕時間晶粒形狀大小分析其他處理九實驗討論6.討論金相試驗可以應用在那些方面?7.討論鑲埋的目的和方法8.討論研磨的目的和方法9.討論拋光的目的和方法10.討論乾燥處理的目的和方法11.討論腐蝕的目的和方法十實驗心得119121第十二章熱處理與冷加工一前言影響材料組織的因素很多,簡單分類包括:材質熱與變形其中材質屬於內在因素,熱與變形是屬於外在因素熱對材料組織影響的處裡包括:熱處理鑄造銲接;變形對材料影響主要在於各種冷卻加工,特別是對材料的晶粒形狀與大小影響本章主要針對熱處理與冷加工的影響作簡單說明二實驗目的1.了解一般連續冷卻熱處理對材料組織的影響2.熟悉一般連續冷卻熱處理的操作3.了解製程中產生的熱對材料組織的影響4.了解冷加工對材料組織的影響三實驗規範1.CNS總號鐵及鋼之高週波淬火回火熱處理2.CNS總號鋼鐵熱處理詞彙3.CNS總號8103鋼鐵之正常化及退火熱處理四實驗設備與器材1.高溫熱處理爐如圖冷卻水槽及油槽3.拉伸試驗機4.銲接設備(視需要而定)五實驗原理圖121程式控制高溫熱處理爐1.熱處理鋼鐵熱處理係指為得到鋼鐵所需的性質,而實施之加熱及冷卻的各種組合操作由於鋼鐵材料在高溫會產生同素異形變態,使得材料結構特性產生改變,利用鋼鐵材料相變態能控制材料的性質,是鋼鐵材料熱處理的主要機構表111是鋼鐵熱處理常見的結構變態對於鋁銅材料而言,固態時沒有如鋼鐵的相變態發生,因此熱處理偏重於固溶時效析出再結晶(退火)等處理120122表111鋼鐵熱處理常見的變態變態線變態組織影響變態溫度的因素A1波來鐵沃斯田鐵溫度A3肥粒鐵沃斯田鐵溫度材質Acm雪明碳鐵沃斯田鐵溫度材質鋼鐵材料常做的熱處理包括恆溫熱處理與連續冷卻熱處理,恆溫冷卻熱處理是將材料加熱到沃斯田鐵化後,將材料迅速放到一個恆溫的環境中使其變態的處理,連續冷卻熱處理理則是將沃斯田鐵化的鋼放入一個特定冷卻介質中,使其連續冷卻並變態的處理恆溫熱處理需有恆溫裝備,一般多採用鹽浴方式處理,公害較大,使用較少連續冷卻熱處理操作簡單且公害較低,常施行的熱處理包括:正常化完全退火再結晶退火淬火回火其中淬火回火又稱為調質處理施行熱處理時最重要的三項基本步驟為:加熱保溫冷卻一般以熱處理單線作業圖標示,例如圖122溫度oC保溫(30min)冷卻(空冷)加熱121時間圖122碳鋼正常化熱處理操作示意圖加熱:最重要的是加熱溫度範圍,隨材質與熱處理方法改變保溫:注重於保溫時間,隨材料尺寸改變冷卻:注重冷卻速率(或冷卻方法),隨熱處理方法改變其中加熱及保溫的目的是要使材料充分沃斯田鐵化,並保持細小晶粒,冷卻則是控制組織的生成以下對一般連續冷卻熱處理做簡要說明:(1)完全退火(fullannealing):以軟化為主要目的加熱溫度範圍:亞共析鋼(A3線上30~50)共析及過共析鋼(A1線上30~50)如圖123(a)保溫時間:直徑每25mm須1小時冷卻方法:爐中冷卻可能得到的組織:肥粒鐵(或雪明碳鐵)+粗波來鐵(2)正常化(normalizing):消除鋼鐵前加工的影響,得到一種微細標準組織加熱溫度範圍:亞共析鋼(A3線上30~50)共析及過共析鋼(ACM線上12330~50)如圖123(b)保溫時間:直徑每25mm須1小時冷卻方法:空冷可能得到的組織:肥拉鐵(或雪明碳鐵)+中波來鐵(3)淬火(quenching):使材料急冷硬化加熱溫度範圍:亞共析鋼(A3線上30~50)共析及過共析鋼(A1線上30~50)如圖123(a)保溫時間:直徑每25mm須1小時冷卻方法:急冷(水冷)可能得到的組織:肥粒鐵+麻田散鐵+殘留沃斯田鐵(4)回火(tempering):將淬火組織繼續進行變態或析出使其組織趨於安定,改善材料靭性加熱溫度範圍:低溫回火(約100~200)高溫回火(400~A1以下)視所需的機械性質而定如圖123(c)回火時間:視所需機械性質而定冷確方法:回火不經過相變態溫度,操作時著重在回火溫度與時間的控制,對冷卻速率要求較不注重,一般可用空冷可能得到的組織:回火麻田散鐵+析出物或肥粒鐵+波來鐵AcmA3A1高溫回火(a)完全退火與淬火(b)正常化(c)回火圖123一般連續冷卻熱處理加熱溫度範圍示意圖低溫回火2.冷加工與再結晶退火材料經過冷加工會使材料內差排數量增加且互相糾結,造成材料加工硬化經過冷加工不一定會使材料組織型態改變,但會使材料晶粒形狀與方向改變,在金相顯微鏡觀察會發現晶粒呈一定方向拉長與排列銅或鋁材料經過冷加工後,由於差排增加或雙晶會造成顯微組織產生不同結果冷加工過的材料造成材料晶粒變形與差排增加,同時造成材料硬化但韌性降低,冷加工時的部份能量積存在材料內形成差排糾結,當材料重新加熱時,熱能將使差排爬昇滑移而減少,熱能繼續增加新晶粒開始成核,隨後開始產生再結晶,新的細小晶粒生成而改善材料的韌性,若持續加溫或保持在高溫,將使材料晶粒成長變大一般為了改善冷加工材料的韌性或降低其硬度,經常會施以再結晶退火(recrystallizationannealing),再結晶退火依照前述原理可以分成三個階段:122124回復期(recovery)再結晶期(recrystallization)和晶粒成長期(graingrowth)其原理與說明如圖124圖125為經冷加工的黃銅施行再結晶退火的金相照片圖124黃銅再結晶退火之機械性質組織與退火溫度示意圖3.影響金相組織的其他製程材料在加工的過程中,常會因為受熱或變形而影響其金相組織,材料變形的影響如前段所述,材料受熱的影響,除了專門為了改善材料而施行的熱處理之外,許多熱是加工過程中隨之產生的,這些改變材料組織的受熱常被忽略而使材料提前破損由於影響材料組織的因素很多,無法一一列舉,本段落僅配合相關課程略加說明銲接與鑄造對組織的影響123125圖125黃銅之退火組織金相(a)580.8秒(b)580.1小時(1)鑄造與均質化鑄造材料最常觀察到的組織型態是一種樹枝狀(dendrite)結構,由於樹枝狀結構的產生造成材料局部的化學成分不均勻(顯微偏析)如圖126(a)和126(b)是型的樹枝狀結構鑄造組織觀察的另一個重點是晶粒的成長方式,一般鑄造依照晶粒成長情形可以區分成三個區域:激冷區(chillzone)柱狀區(columnarzone)等軸區(equiaxedzone)說明如下:圖126(a)(b)樹枝狀(dendrite)結構1激冷區:與模壁接觸造成極大的過冷度,同時模壁提供許多成核的機會,形成細小等軸的晶粒2柱狀區:由激冷區的晶粒繼續順著熱流方向及晶粒最易成長方向成長形成晶粒長而細的柱狀3等軸區:在鑄件中心由異質成核(合金雜質斷裂樹枝結構顆粒)造成等軸的晶粒124126(2)銲接組織銲接組織基本上可以區分成三個區域:熔融區(fusionzone)熱影響區(heataffectzone,HAZ)及母材區(basemetal)以下略加說明:1熔融區:材料重新熔解固化,常可觀察到鑄件的樹枝狀結構,由於銲接熱流方向與材料成長方向的控制,巨觀顯微組織常呈一定方向排列2熱影響區:材料受熱雖未融化但組織受到影響的區域由於銲接的熱使材料如同熱處理般被加熱冷卻,由於加熱冷卻速率較快,組織和熱處理不完全相同鋼鐵材料可能會產生過熱變態部分變態結晶成長等現象3母材區:材料組織未改變的區域偏析的材料在施行高溫加工或重新加熱時很容易造成缺陷生長或是熱裂,為了改善材料偏析現象,經常將材料施以均質化(Homogenizing)處理或稱擴散退火,將材料加到較高的溫度讓偏析的組織充分的擴散,而達到均質的效果以碳鋼為例,常需將材料加熱到1000~1200C的高溫下熱處理,消除樹枝狀結構六實驗步驟本章主要係針對影響材料組織觀察的因素作理論探討,在實驗時得視需要規劃不同的設計可以配合後面的章節設計亞共析鋼共析鋼過共析鋼的正常化處理,或是低中高碳鋼的淬火回火處理實驗者可自行設計實驗,或針對現有工廠與實驗室的產學合作設計實驗,例舉幾種實驗設計如下:1.冷加工與再結晶退火冷加工:取低碳鋼或中碳鋼在萬能試驗機上做拉伸試驗,當伸長率分別到達5%10%15%斷裂時將材料取下觀察其金相改變情形2.鑄件:取鑄造後材料觀察其組織均質化:將鑄件施以高溫均質化處理後,觀察組織改變情形3.焊接:利用氣銲或電銲在材料上銲一銲道,觀察材料熔融區熱影響區及母材區組織改變情形七實驗結果分析請參考第11章金相實驗紀錄表114,將實驗結果記錄於表格中,再和本章敘述理論相對照比較八實驗討論5.討論材料經過冷加工後會有那些變化?6.討論影響材料金相組織的因素有哪些?7.討論鑄造材料最常觀察到的組織型態有那些?8.討論銲接組織?九實驗心得125127第十三章碳鋼正常化組織一前言正常化(Normalizing)的退火熱處理主要為用來細化晶粒而產生更均勻且想要的晶粒尺寸大小的分佈顯微結構正常化藉著加熱到高於上臨界溫度A1以上55到85(100到150)來完成,在保持一段足夠時間之後,使合金變態成單一沃斯田鐵稱(為沃斯田鐵化),然後再將合金以在空氣中冷卻的方式冷卻到溫室,可消除材料前加工得到的一種標準組織觀察碳鋼正常化組織可以推估材料大致的含碳量,並且能對鋼鐵平衡圖組織有更深一層的認識基於金相的觀點,碳鋼正常化組織具有代表性的應包括亞共析鋼共析鋼及過共析鋼三類,與市面上所稱的低碳鋼中碳鋼高碳鋼不相同本章將介紹碳鋼正常化組織的觀察與碳鋼中含碳量的推估二實驗目的1.瞭解碳鋼正常化組織的形成2.觀察碳鋼正常化組織,並推估材料含碳量三使用規範1.CNS總號鋼鐵熱處理詞彙2.CNS總號8103鋼鐵之正常化及退火熱處理四實驗設備與器材1.高溫熱處理爐,如第12章所述2.金相設備,如第11章所述五實驗原理1.鋼鐵常見的顯微組織鋼鐵的顯微組織隨不同熱處理不同材質呈現不同的結果,常見的顯微組織(圖131)包括下列:(1)肥粒鐵(ferrite):固溶少量的碳(0.02%以下),顯微組織觀察一般呈白色,HB約90(2)波來鐵(pearlite):肥粒鐵與雪明碳鐵的層狀共析組織,細波來鐵或中波來鐵(層狀間距小)在低倍率觀察時可能成黑色或灰色,粗波來鐵在高倍率時呈黑白相間層狀硬度隨層狀間距大小而定,間距愈小硬度愈大,硬度約為HRc10~35126128(3)雪明碳鐵(cementite):含碳6.67%的鐵碳化合物,可能會以網狀片狀層狀球狀等型態出現硬度極高,HV約為800~1100(4)變韌鐵(bainite):肥粒鐵與雪明碳鐵的非層狀混合物,其中的雪明碳鐵多呈小板狀或片狀,變韌鐵在顯微鏡下可能成羽毛狀或針狀硬度較波來鐵硬,約為HRC38~45(a)細波來鐵(黑色)肥粒鐵(白色)(b)粗波來鐵(層狀)雪明碳鐵(網狀)(c)上變靭鐵(d)下變靭鐵(e)麻田散鐵圖131碳鋼中常見的組織(f)回火麻田散鐵127129(5)麻田散鐵(martensite):急速冷卻使鐵中含有過飽和的碳,造成晶粒變形針狀,極硬,HRC約為68(6)回火麻田散鐵(temperedmartensite):麻田散鐵重新加熱得到的組織,最後為極細肥粒鐵與雪明碳鐵混合物,硬度隨回火而定,大約為HB250~500(7)殘留沃斯田鐵(retainedaustenite):由於含碳量較高或合金影響使Mf低於室溫,使沃斯田鐵來不及變態,而留到常溫的不安定組織一般呈白色且無特定形狀質軟約為HB150左右2.鋼鐵正常化操作這是使鋼成為標準狀態(常態化)的熱處理操作,可除去加工所致組織的均勻,使結晶粒微細化,提高機械性性質普通正常化:將鋼加熱至A3或Acm以上3050之溫度,保持適當時間,空冷至室溫,圖132(a)兩段正常化:大型或複雜工件,空冷至550或火色消失,移置爐冷或灰中冷卻,以免冷卻過快導致變形或殘留應力,圖132(b)圖132(a)普通正常化(b)兩段正常化3.鋼鐵正常化組織碳鋼正常化所得到的組織與鐵碳平衡圖所估計的組織應該不盡相同,因為平衡圖的組織是在極緩慢的冷卻速率下得到,而正常化則是採用空冷,冷卻速率較快,組織會有所不同,例如0.4%碳鋼經過正常化處理的組織和平衡組織可能會產生的不同點包括:(1)初析肥粒鐵易在晶界生成較寬的網狀組織;(2)初析肥粒鐵量可能比槓桿定律計算所得的少因此要觀察碳鋼的平衡組織,採用完全退火處理會比較接近平衡組織為配合理論含碳量推估平衡圖理論驗證,本單元將以平衡組織的介紹為主,而碳鋼正常化組織的推斷則可以參考平衡組織作修正依照金相組織的觀點,可以將鐵碳平衡圖(圖123)中鋼鐵的組織區分成四個部份:純鐵區亞共析鋼共析鋼及過共析鋼(1)純鐵區:含碳量極少,一般小於0.02%,金相組織多為白色肥粒鐵,黑線為晶界,黑點為碳化物,圖124(2)亞共析鋼:含碳量從0.02%~0.8%之間,平衡組織為初析肥粒鐵(析出過程中會先出現肥粒鐵)和共析波來鐵,肥粒鐵一般為白色,波來鐵為黑色128130灰色或層狀組織,圖125含碳量愈高則波來鐵愈多,層狀黑色區域愈多由於正常化冷卻速度較平衡狀態快,組織在析出的過程中,初析的肥粒鐵會從晶界上開始析出,但變態完成時間較短,因此在低含碳量時波來鐵與肥粒鐵晶粒(多)可能是單獨的晶粒,但含碳量較高時,肥粒鐵(少)很容易沿著晶界析出網狀晶粒A3ΙΙΙA1Acm0.8%2.0%ΙVΙ:純鐵區ΙΙ:亞共析鋼ΙΙΙ:共析鋼ΙV:過共析鋼(3)共析鋼:含碳量0.8%平衡組織全為共析的波來鐵,圖126ΙΙΙ圖123鐵碳平衡圖圖124純鐵圖125亞共析鋼(4)過共析鋼:含碳量介於0.8~2.0之間平衡組織為初析的雪明碳鐵(在晶界上先行析出)和波來鐵,含碳量愈多雪明碳鐵量增加變粗,圖碳鋼含碳量推估從金相照片推估碳鋼含碳量應選擇愈趨近於平衡狀態的處理愈好,一般用爐冷退火較佳根據平衡固化的槓桿定律(Levelrule)可知,含碳量0.02%的碳鋼100%肥粒鐵,因此金相照片為100%白色組織隨含碳量增加波來鐵組織增加,照片中黑色組織增加,含碳量約在0.4%時,金相照片約為黑白組織各為50%直到含碳量0.8%時,全部為波來鐵,金相照片應為100%黑色的層狀組織含碳量超過0.8%時,開始在波來鐵晶粒邊界析出白色網狀雪明碳鐵,當含碳量達2.0%時,白色網狀雪明碳鐵組織約佔20%含碳量推估時為減少取樣誤差應選較低倍率觀察拍照,可用100倍拍照129131圖126共析鋼圖127過共析鋼六實驗步驟本章偏重於實驗設計,相關試驗步驟已於前面章節敘述,故僅列出實驗設計參考步驟如下:1.選材:選取適當材質材料,例如含碳量0.02%,0.2%,0.4%,0.8%,1.0%,1.2%材料各一塊2.熱處理:依材質施以正常化處理3.金相觀察:製作金相試片觀察照相4.比較分析:分析金相照片組織種類與各組織所佔比例,並反推含碳量七實驗結果分析本章實驗主要針對不同材質做正常化處理後金相組織的觀察,主要觀察項目為組織種類各組織所佔比例實驗結果請填入下面表格中八實驗討論9.討論鋼鐵常見的顯微組織?10.討論鋼鐵正常化操作有那些方法?11.討論由碳鋼正常化組織如何推估含碳量?九實驗心得130132第十四章碳鋼淬火回火組織ㄧ前言碳鋼經由適當的熱處理調整後,可以使材料得到比正常化組織更強靭的組織,這種在工廠中常見的熱處理稱為調質處理調質處理事實上是由淬火及回火兩種處理組合而成的,淬水調整材料組織成硬度極高的麻田散鐵組織,但此種組織脆而無靭性,回火能使淬火材料硬度少許降低但靭性提高,依使用場合可分成高溫回火與低溫回火,高溫回火主要在提高材料靭性為主,使材料得到細而均勻的吐粒散鐵(troostite),這種處理又稱為熱調質(thermalrefining)低溫回火主要在保持材料硬度的情況下增加靭性,因此組織偏重於回火麻田散鐵本章將探討碳鋼淬火回火組織為主,對於淬火回火材料機械性質的探討,實驗者可以自行配合實驗設計做探討二實驗目的1.觀察並瞭解碳鋼淬火組織及其特性2.觀察並瞭解碳鋼不同回火階段的組織三實驗規範1.CNS總號鋼鐵熱處理詞彙2.CNS總號鐵及鋼之高週波淬火回火熱處理四實驗設備與器材1.高溫熱處理盧,如第12章所述2.金相設備,如第11章所述五實驗原理1.碳鋼淬火組織碳鋼淬火是將沃斯田鐵狀態的材料急速冷卻的處理由於材料在沃斯田鐵狀態時晶粒結構是面心立方(fcc),急冷時原子來不及擴散成體心立方(bcc)的肥粒鐵和波來鐵,造成晶粒變形的麻田散鐵組織麻田散鐵組織是一種極硬的組織,其硬度提高歸因於:(1)組織內含有許多的過飽和碳,造成結構膨脹變形,形成應力場;(2)細小的晶粒尺寸或麻田散鐵次結構(substructure);(3)含有置換型合金元素(次要因素)一般碳鋼常見的淬火組織包括下列幾種:(1)針狀麻田散鐵(lathmartensite):麻田散鐵次結構含有許多差排單元變131133態型式是fccbcc,常見於含碳量低於0.4%的低中碳鋼淬火鐵鎳合金鐵錳合金,圖141(2)片狀麻田散鐵(platemartensite):麻田散鐵次結構包含許多內部雙晶變態型式是fccbct(體心正方),常見於含碳量高於1.0%碳鋼淬火鐵鎳鈦合金,圖142(3)薄板狀麻田散鐵(sheetmartensite):無次結構變態型式為fcchcp,常見於錳含量高於15%的鐵錳合金,圖143(4)殘留沃斯田鐵(retainedaustenite):當碳鋼含碳量高於0.6%時,將材料淬火至常溫,無法完全得到麻田散鐵,部份組織仍以沃斯田鐵結構留至常溫,這是由於麻田散鐵變態完成溫度隨含碳量增加而降低,含碳量超過0.6%後麻田散鐵變態溫度會低於室溫殘留沃斯田鐵組織軟而不安定圖141針狀麻田散鐵圖142片狀麻田散鐵麻田散鐵生成區針狀麻田散鐵混合區片狀麻田散鐵殘留沃斯田鐵增加圖143薄板狀麻田散鐵圖144含碳量對麻田散鐵型態影響示意圖圖144說明含碳量對麻田散鐵與殘留沃斯田鐵型態影響的情形,實驗者若能知道材料的材質,對於淬火後組織的判斷也能更正確的掌握1321342.影響淬火的因素(1)冷卻劑的冷卻能:包括冷卻劑種類及淬火時攪拌的程度冷卻能愈大(例如鹽水中強烈攪拌淬火),則淬火效果愈好(2)材料的硬化能:材料的硬化能直接影響到淬火的硬化深度,對於淬火後材料不同深度的麻田散鐵量也影響極大材料硬化能可以由喬米尼(Jominy)硬化能實驗求得(3)淬火缺陷:淬火常見的缺陷包括變形殘留應力及裂痕尤其在含碳量高的碳鋼更加嚴重3.回火過程與組織經過淬火後的材料重新加溫會發現有下列現象產生:碳偏析碳化物析出殘留沃斯田鐵分解組織再結晶這些階段發生時期可能互相重疊,因此回火組織較複雜以下將鋼料回火會發生的反應略加說明:(1)碳偏析:回火溫度在25~100時,低碳鋼(針狀麻田散鐵)會產生碳偏析到差排的情形,高碳鋼(片狀麻田散鐵)會產生析出物預先聚集現象此階段材料金相組織並不會改變,但電阻會改變(2)碳化物析出:碳化物析出過程隨回火溫度不同,析出的碳化物種類便不同Fe23C析出溫度約在100~250;FeC52析出溫度約250~350;Fe3C(雪明碳鐵)析出溫度約250~700;合金碳化物(視材質合金成分而定)析出溫度約為500~600(3)殘留沃斯田鐵分解:發生於回火溫度200~300,僅發生在含碳量超過0.4%的碳鋼,殘留沃斯田鐵變態成變靭鐵(4)組織再結晶:低碳材料回火溫度400以上時麻田散鐵內的差排開始發生回復現象(recovery);600~700時開始產生再結晶,並產生晶粒成長中高碳鋼受到碳化物析出阻礙再結晶發生回火若依照回火溫度可以區分成幾個階段,回火組織照片如圖145,其說明如表141(a)SK5從800淬火後組織(b)200回火1小時133135(c)300回火1小時(d)400回火1小時(e)500回火1小時(f)600回火1小時圖145SK5從800淬火後,不同溫度回火組織表141回火溫度對組織的反應回火溫度發生的反應備註別稱25~100碳偏析到差排或析出物預先聚集金相無法觀察100~250Fe23C碳化物析出低碳鋼無此階段回火第一階段200~300殘留沃斯田鐵變態成變靭鐵低碳鋼無此階段回火第二階段250~~600板條狀雪明碳鐵析出高碳鋼析出FeC52麻田散鐵次結構差排發生回復現象板條狀雪明碳鐵變成球狀雪明碳鐵回火第三階段500~600合金碳化物析出鋼內需有合金元素回火第四階段600~700低碳鋼產生再結晶與晶粒成長碳化物粗化中高碳鋼無再結晶134展开 Similardocuments SWcdr 1~2345~67~89~10111213141516~181616171718181819191920212223~262324242526272727:110V1110V110V15A2323244()56122620l17345151718127~136~8~ Moreinformation untitled R().5..52..2..245777778880024555788PC0安全注意事項及緊急處理方法請務必遵守警告發生異常或故障時應立即停止使用拔下電源插頭恐會導致冒煙起火觸電異常或故障事例即使接上電源開關有時也不會運轉插拔電源線時有時通電有時不通電運轉中有燒焦味或異音本體部分變形或異常發熱請立即連絡服務站進行檢查及修理 Moreinformation 碳石墨產品特種石墨(1)單晶矽製造設備(2)臨界電漿測試設備(JT-60)*照片由日本原子力研究開發機構提供(1)(2) 碳石墨產品特種石墨(1)單晶矽製造設備(2)臨界電漿測試設備(JT-6)*照片由日本原子力研究開發機構提供(1)(2)特種石墨產品特性(CIP)等方性石墨等方性石墨和異方性石墨1µm可靠性高超強耐熱性2,2,5卓越的導電性出色的耐化學性輕量且便於加工1µm51152[Mg/m3]5製程/6用途LEDEDM環境和能源* Moreinformation 00=10=01==11=00=1 00=10=01=011=11=00=1:={0,1}:3(,,)=+(,,)=++(,)=+(,,,)=(+)(+)+(+)(+)+=+==++=+=(+)+=+(+)()=()(+)=++=(+)(+)+==+0 Moreinformation 016_Ma-Gonio_web_tw.pdf 測面中度用具頭度測度轉用用測用開具用用用度轉反用用用度度轉H()度12()度旋轉面中心度心高面用螺固定螺孔面度面度面度面度面面面面用度用分用用用面用面用用分用分分面用用面度2度19002544866880511001900 Moreinformation 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低功率電波輻射性電機管理辦法第十二條經型式認證合格之低功率射頻電機,非經許可,公司商號或使用者均不得擅自變更頻率加大功率或變更原設計之特性及功能第十四條低功率射頻電機之使用不得影響飛航安全及干擾合法通訊;經發現有干擾現象時,應立即停用,並改善至無干擾時方得繼續使用前項合法通訊, 使用說明書TMAX機車在騎乘機車之前,請務必仔細閱讀這本使用說明書XP00XP00APW--T低功率電波輻射性電機管理辦法第十二條經型式認證合格之低功率射頻電機,非經許可,公司商號或使用者均不得擅自變更頻率加大功率或變更原設計之特性及功能第十四條低功率射頻電機之使用不得影響飛航安全及干擾合法通訊;經發現有干擾現象時,應立即停用,並改善至無干擾時方得繼續使用前項合法通訊, Moreinformation EISEN針規栓規環規PinGage.ThreadGage主要螺絲規格一覽表建大貿易股份有限公司 EISEN針規栓規環規PinGage.ThreadGage主要螺絲一覽表EISENEP系列針規精度表mm長度mm容許差真圓度硬度HRC0.05-1.4940±1.0µm1.50-10.005010.01-20.00±1.5µm0.8µm58以上數量金額EP-0A0.200.50mm31支/盒13,850EP-0B Moreinformation MicrosoftWord-ACIchapter00-1ed.docx 前言ExcelExcel-v-財務管理與投資分析-Excel建模活用範例集5相關平衡敏感-vi-前言模擬If-Then規劃ERPBI-vii-財務管理與投資分析-Excel建模活用範例集ERP+BI+ERPBIExcel88Excel1.ExcelExcel2.Excel3.Excel-viii-前言1. 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.1/1582/158.-()..3/1584/158.5/1586/1587/158http://140.124.100.107/dcse/8/1589/158-10/158.A.B.C.D.E.F.11/15812/158****13/158A.B14/15815/15816/15817/158機械危害-機械捲入點定義In-running Moreinformation ThreePointInsideMicrometers 三點式內徑測微器(刻劃式)ThreePointInsideMicrometer(Vernier)TP-9006TP-9008TP-9010TP-9012TP-9016TP-9020TP-9025TP-9030TP-9040TP-9050TP-9062TP-9075TP-90876-8mm8-10mm10-12mm12-16mm16-20mm20-25mm Moreinformation 1 磁軌式讀卡機1288系列使用手冊Version1.01234567891011121288MSRMicrocontroller:WithDecoderOpenVisualCOMporttoreaddata(UARTInterface)From1288Ordirectcontrol1288bysendingCommand Moreinformation 1970新技術的應用X=20+B13Bδ13cX1X 凡發生過的必留下痕跡同位素分析的考古應用?如何考古0620139489經由人骨中碳和氮同位素的分析,提供考古學家另一個探討古代攝食系統的途徑另外,可以藉由鍶同位素分析了解人群的來源與遷移過程1970新技術的應用1315131215141315131215131513X=20+B13Bδ13cX1X2013948907δ Moreinformation Chapter3CameraRawStepnegativeclarity+25]P/Step40(下一頁)CameraRawChapter3089 PhotoshopCCCameraRawPhotoshopCameraRawStep13123SCOTTKELBYStep2BCameraRaw088Chapter3CameraRawChapter3CameraRawStep3-4-100negativeclarity+25]P/-75-50Step40(下一頁 Moreinformation untitled 3435耐酸鹼抗化學防凍傷防靜電防高溫防刀切3738依防護衣具使用的材質來分有天然橡膠(natural依防護衣具使用的材質來分有天然橡膠(naturalrubber)rubber)聚氯乙烯(poly聚氯乙烯(polyvinylchloride)聚乙烯醇chloride)聚乙烯醇(poly(polyvinylalcohol)晴橡膠alcohol) Moreinformation 戒菸實務個案自助手冊105年Ver.2 本計劃經費來自品健康福利捐支應衛生福利部國民健康署我名字為了以下理由1.2.3.4.5.決定從年月日起簽署人(簽章)見證人(簽章)年月日a準備戒V環境的準備排除讓自己想吸自己戒的環境V心理的準備瞭解自己的吸的環境建立能提醒行為強化戒決心V身體的準備評估身體的尼古丁依賴度必要時找尋藥物降低戒戒的難度 Moreinformation 96030_catering.ai 第45期2009年6月引言體力處理操作即人力提舉及搬運在日常工作中是在所難免的而不正確的體力處理操作容易導致肌肉筋骨勞損甚至身體受傷2008年在飲食業及旅遊業因提舉及搬運而受傷的意外數字佔整體約14%及20%而業內一些工作崗位經常涉及體力處理操作例如食肆的樓面和廚房員工酒店的行李員和房務員領隊導遊或司機亦時常會協助旅客以人力提舉及搬運行李等所以他們要緊記有關的危害控制方法和安全要點 Moreinformation 人為疏失人與人之間的溝通合作,往往是事故的最終防線,若能發揮團隊合作的功能,則比較能克服其他因素所造成的危害 人為因素與飛航安全人為因素778人為因素的類別H1972E.EdwardSHELLSSLEsoftware,Hhandware,Eenvironment,LlivewareLSHELL2020143495人為疏失人與人之間的溝通合作,往往是事故的最終防線,若能發揮團隊合作的功能,則比較能克服其他因素所造成的危害20143495 Moreinformation 生與死的尊嚴生與死的尊嚴 生與死的尊嚴目錄生與死的尊嚴2認識生命的實相3生從何處來?死往何處去?8佛教徒的生死觀10如何面對死亡?如何使得死亡有尊嚴?20生與死的尊嚴生與死的尊嚴認識生命的實相認識生命的實相(一)由生命的無奈無所依賴及無所適從,轉變為生命的可愛可貴與自我的肯定(二)生命的出生與死亡,關係密切,不可分割出生之時已確定了死亡的必然到臨生未必可喜,死未必可哀, Moreinformation 2(Diffraction)400nm700nmYoung 990026Physics24830(02)2299-9006(02)2299-91109942000Wave2(Diffraction)400nm700nmYoung20088163mm4LED5注意:噴灑過硫酸銅水溶液的酒精燈一定要清洗乾淨,否則沒有燃燒到的銅離子附著在酒精燈外,必定會使酒精燈的金屬外殼逐漸氧化LED678CQ提示 Moreinformation MicrosoftWord-結案報告.doc 2345~61.2.3.4.7~89~10111213141596年原住民族電視節目增製計畫結案報告五執行方式一甄試過程照片161718夣1920212223242596年原住民族電視節目增製計畫結案報告262728.2930313233.34.3596年原住民族電視節目增製計畫結案報告( Moreinformation 衛生福利部藥物化粧品檢驗機構認證證明書(副頁)認證機構名稱:財團法人紡織產業綜合研究所檢驗機構名稱:檢測及驗證部檢驗機構地址:23674新北市土城區承天路6號檢驗機構負責人:周國村認證編號:D015認證之檢驗事項:檢驗項目檢驗方法檢驗範圍報告簽署人透濕度 認證機構名稱:財團法人紡織產業綜合研究所檢驗機構名稱:檢測及驗證部檢驗機構地址:23674新北市土城區承天路6號檢驗機構負責人:認證之檢驗事項:透濕度(氯化鈣法)(防護衣)經濟部標準檢驗局2009中華民國國家標準CNS總號12222,類號L3223,紡織品透濕度試驗法(A-1)0~10000g/m2/24h1.經濟部標準檢驗局 Moreinformation 老人憂鬱症的認識與老人自殺問題 18-2425-4445-64651086420(40%15%AffectCognition:driveBehaviorDSM-Vmajordepressiveepisode295ElectronicConvulsionTherapy;ECTRabins651%Rabins,199220%-30%Blazer,19946512.9 Moreinformation 侧侧侧侧侧侧滤爲侧2-1ρ2-2舉例說明相關閥類與配件的阻抗係數K可參考圖[2.3]選取代入上式即可求得該部分之壓損圖2.3不同閥及裝置的阻抗係數K(3)直管配件閥件串聯成一條管線的阻力壓降或頭損2-32-42-5敍2-6侧2-72-8侧2-92-102-112-122-132-142-152-16 Moreinformation ()()()()()(CNS)1387A()B()C()(AB)D()(CNS)1387ABCBCDABCXXXXXXXXDXXXXXX()X()B()CNS441()()12111301()BC()ABCABC()D()C()BCABC Moreinformation 推理證明本節性質與公式摘要1推理與證明:1已知2求證3證明2思路分析與證明:3輔助線:四邊形四邊中點連線性質:例ABCDEFGHAC6BD8EFGHACBD14EAHBFCGD 403-1推理證明本節性質與公式摘要1推理與證明:1已知2求證3證明2思路分析與證明:3輔助線:124四邊形四邊中點連線性質:例H68H14H4141基礎題1aba366b122a36證明10分10分P1312a366b1221a6b122366b1266b1266b186b636b3b1b3b1 Moreinformation CO2以鄰為壑的台灣建築產業 620114460台灣綠建築政策的成就台灣的建築產業消耗了大量的水泥,也排放了很多的營建廢棄物,建築物的壽命卻嚴重偏低建築的環保時代已來臨1992199212UnitedNationsCommissiononSustainableDevelopment,UNCSD19981996CO2以鄰為壑的台灣建築產業27.2234162011446078201144604 Moreinformation 度量衡的知識與權力研究報告 IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIXIIIXIVXVXVIXVIIXVIIIXIXXXXXIXXIIXXIIIXXIVXXVXXVIXXVIIXXVIIIXXIXXXXXXXIXXXIIXXXIIIXXXIVXXXVXXXVI11source:http://news.sina.com.tw/sinanews/rtn/twsociety/2001/0115/2603584.html Moreinformation 2313172226128100738+86(10)85085000+86(10)85185111www.kpmg.com.cn2006420022006128%200617850020062006200672.52150050040%500101614121086422002-20065.15.9 Moreinformation 治療血管的雷射portwinestain1988FDAKTPKTP 您選對雷射了嗎4019171959Maiman1963201983AndersonParrish2220135485以往須以手術磨皮等方法才能去除的刺青,現在用雷射就可以輕易處理此外,各種皮膚血管病變痣疤痕,乃至於皺紋的去除,也可以用雷射來達成治療血管的雷射portwinestain1988FDA5855905956001.5404 Moreinformation 2016台灣工具機暨零組件進出口分析2016AnalysisofTaiwanMachineTool&Accessory放電雷射超音波工具機EDM,LasermachinescuttingM/C,etc.綜合加工機Machiningcenters車床Lat 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中華民國第49屆中小學科學展覽會 中華民國第49屆中小學科學展覽會作品說明書高中組生活與應用科學科040814太陽能光控節能窗簾學校名稱:基隆市私立二信高級中學作者:指導老師:高二許栢豪王永富高二林宸漢高二謝誌倫高二許硯鈞關鍵詞:太陽能光控電路窗簾CO21619001384580CO21-12003CO24.57CO21.431-21-1CO21-2 Moreinformation ...03...102...15...20...26...30...34 99...03...102...15...20...26...30...3434567891011121314151617181920212223242526272829303132認知概念發展教具概念類1.理解概念2.空間概念3.速度概念4.專注力5.記憶力6.數概念理解概念空間概念認知概念發展教具 Moreinformation 第二節研究方法本論文第一章緒論說明研究動機與目的研究方法及研究的範圍及限制並對飲食散文的義界作一觀念的釐清第二章文獻探討就將本研究的理論建構中的概念作釐清分別為現代文學飲食文學的重要論著等兩個部分來描述目前文獻的研究成果並探討其不足待補述的地方本研究以文化研究為主要研究基礎統攝整個研究架構在不同章節裡佐以相關研究方法進行論述茲圖示如下研究方法 Moreinformation 男人的大腦女人的大腦 4620146498男女大乾坤男女的戀愛行為男人的大腦女人的大腦20146498474820146498女人的戀愛行為70900男人的戀愛行為820146498495020146498對於愛與性的混淆男女所面臨的問題和我一樣喜歡做愛除了我,不可以看別人相信我,沒有問題現在,和我做愛知道如何引燃我從不傷害我朋友關係和性嫉妒和占有欲 Moreinformation 6000EN00_08Mountinganddismounting p256-273.indd2562010/5/2010:41:39AM...258...258...258...260...260...261...262...263...267...268...268...270...273...273257p256-273.indd2572010/5/2010:41:39AMSKF1065SKFSKFSKF Moreinformation 在餐點設計時,往往會運用不同的質地做搭配,以達到食用者口感的最佳平衡與變化 百變的廚房世界廚藝與感官的饗宴52620142494在餐點設計時,往往會運用不同的質地做搭配,以達到食用者口感的最佳平衡與變化20142494272820142494食物的物理變化5廚房好比是一個食物實驗室,運作時,都在進行無數的物理與化學變化,才能把樸實的原料食材轉為一道道令人驚嘆的美味食物的化學變化C20142494296265廚房的魔術秀 Moreinformation 國立中山大學學位論文典藏.PDF AnalysisandExperimentalInvestigationonEnergyConsumptionofaScienceandTechnologyMuseumIIIIIIIVVVIVIIVIIIAbstractIX12345.Q=mCpTQ:CP:.m:T:678EUI=DUI=91011 Moreinformation BrinellRockwellVickersHardnessTester(Manual)BrinellRockwellVickersHardnessTester(Electric)BrinellHardnessTester(Electronic) BrinellRockwellVickersHardnessTester(Manual)BrinellRockwellVickersHardnessTester(Electric)BrinellHardnessTester(Electronic)手動布洛維硬度計BRV-9000MBrinellRockwellVickersHardnessTester(Manual) Moreinformation 的友誼而且無論外貌怎樣改變自信心是自己給自己的發自內心的自我認同感是無法改變的只要自我認同才能得真正的心靈富足而不是單純的改變外表不同的整容公司亦會利用現今社會的價值觀來作宣傳誇大整容後的效果又用明星效應令消費者認為整容真的能變成明星一樣整容這個風氣是由人們的價值觀造成的有人指出我們要接納整容後的人以及香港社會應對此持更開放的態度但相反地為什麼不能接納那些我們認為不 Moreinformation 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