1、請說明材料種類和其具有代表的特性

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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 2

4 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 (machine guarding) 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 3

5 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 4

6 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 Fire Extinguisher, 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 (Fire Extinguishing Bomb) 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 5

7 3. 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(FM200 FE227) HFC125 Novec 1230 Inergen(IG541 IG55) 及 Ar(IG01) 等五種海龍替代品, 均符合 NFPA 2001 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 6

8 9. 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 7

9 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 α W R β E θ 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 (cm 2 ) 衝擊值 (kgfm/cm 2 ) 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 9

11 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 10

12 (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 (load cell) 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 (extension meter) 與應變規 (strain gage) 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 11

13 (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 12

14 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 CNS 4 號 8 號及 10 號試焊, 如圖 24(a) 扁平狀試片如 CNS 5 號 6 號 7 號試片, 如圖 24(b) 其他用途試片可參考 CNS 2112 號規範 直徑標點距離平行部位之長度肩部半徑 D L P R 約 以上 CNS 4 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 R 8A 約 13 約 以上 13

15 8B 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 D L P R 約 以上 CNS 10 號試片 寬度 標點距離 平行部位之長度 肩部半徑 厚度 W L P R T 約 以上 材料之厚度 CNS 5 號試片寬度 標點距離 平行部位之長度 肩部半徑 厚度 W L P R T 15 8 A L+ 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 W L P R T T 以上 4 A 約 1.2L 約 15 材料之厚度 CNS7 號試片 R D 22 L 220 P R (a) 圓形試桿 T w L P (b) 扁平形試桿 14

16 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/mm 2 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 A 0 ( 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 (l 0 ), 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 26 PM PB 荷重 kg 最大荷重 斷裂點 應力 ( 荷重 / 面積 ) kgf/mm 2 伸長量 (mm) 應變 ( 伸長量 / 標點距離 ) 15

17 (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 kg A B C D A C D 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 σ S =P M /A 0 破斷強度 σ B =P B /A 0 荷重 kg A: 彈性區 B: 降伏區 C: 應變硬化區 A C D: 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 (A 0 ), 橫軸除以材料 原長 (l 0 ), 便得到應力 應變圖, 如圖 25(b) 2. 比例限 (proportional limit) 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 16

18 荷重 kg (1) 畫直線做圖線 (2) 求頂端交點荷重 P P (3) PP P2 σ P = P P A 0 (b) 比例限求法 P1 X1 X2 伸長量 (mm) (a) 荷重 伸長量曲線圖 圖 27 比例限與彈性係數 E= (P 2P 1 )/A 0 (X 2 X 1 )/L 0 (c) 彈性係數求法 3. 彈性限與彈性係數 (elastic limit & modulus of elasticity) 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 & yield strength) 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 Lüders bands) 降伏強度便是降伏點的應力值 17

19 σ=p M /A 0 (kgf/mm 2 ) (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 (offset yield), 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 A 0, 既為降伏強度 (b) 0.2 %橫距法(offset yield strength method): 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 100 mm, 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 σ y 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 18

20 5. 抗拉強度 (tensile strength or ultimate tensile strength) 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=p M /A 0 (kgf/mm 2 ) 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/mm 2 min(jis 規格 ), 或 7~70kg/mm 2 min(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 (fracture stress) 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=p f /A 0 A0: 材料原斷面積 真實破斷應力 σ= P f /A f Af: 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 19

21 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 =(A 0 A f )/A 0 *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 20

22 4 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 (fibrous zone) 輻射區(radial zone) 剪唇區 (shear lipzone) 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 21

23 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 (50 mm) 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 : 22

24 (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 21 23

25 材料種類試片編號熱處理方法試驗前 D 0 (mm) 直徑試驗後 D f (mm) 面積原面積 A 0 (mm 2 ) πd 2 /4 試驗後 A f (mm 2 ) 標點試驗前 L 0 (mm) 距離試驗後 L f (mm) 伸長率伸長量 L=L f L 0 (mm) % 伸長率 L/L 0 *100% 斷面縮率 % (A 0 A f )/A 0 *100% 荷重 P P (kgf) 比例限比例限 P P /A 0 (kgf/mm 2 ) 降伏強度抗拉強度破斷應力彈性係數 降伏荷重 P y (kgf) 強度 =P y /A 0 (kgf/mm 2 ) 最大荷重 P m (kgf) 強度 =P m /A 0 (kgf/mm 2 ) 破斷荷重 P f (kgf) 破斷應力 =P f /A 0 真實破斷應力 =P f /A f E= 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 24

26 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 30 kgm 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 750 mm, 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 25

27 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 26

28 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) 27

29 W R h 1 α β W h 2 假設 W= 擺錘重量 (kg) R= 擺擺錘的重心到迴轉中心的距離 h 1 = 撞擊前擺錘之高度 h 2 = 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 =Wh 1 =WR(1cosα) 擺錘餘留位能 =Wh 2 =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(h 1 h 2 )=WR(cosβcosα) 上式中 W R α 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 I E kgf m A cm 2 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 28

30 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 θ 2. 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 (Fracture transition plastic temperature, 29

31 FTPT), 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 30

32 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 31

33 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 144 O 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(cm 2 ) 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 (144 O ) 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 32

34 16. 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 θ 18. 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± 2 C 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 R W α β E A 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 33

35 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 Frederich Mohs ( ) 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 Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 石膏 CaSO 4 2H 2 O 2 3 方解石 CaCO 螢石 CaF 磷灰石 Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,Cl,F ) 48 6 正長石 KAlSi 3 O 石英 SiO 黃玉 Al 2 SiO 4 (OH,F ) 剛玉 Al 2 O 鑽石 C

36 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 (pure gold) 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 4 5 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 (stainless steel) 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 (Iron pyrite) 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 35

37 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 10 diamond nanorod, 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 36

38 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 37

39 3. 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 (Brinell Hardness) 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 38

40 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 H s =140h/h 0 H s =10000h/65h 0 硬度指示方式 指針表 目測盤 h: 落錘反跳高度 ;h 0 : 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 0.05 mm, 則勃氏硬度值 HB 可推導如下 : HB= P A 因 HB= 2P D( D D d P A D 而 t= 故 HB= P A P Dt D 2 2 d D( D 2 2P D 2 d 若以深度計量取凹痕深度 t, 則 HB= 2 P A P Dt 但因表面凹痕邊緣常隆起或陷下, 故不準確, 大都採用 P 2P HB= A 2 2 D( D D d 式中 HBS: 勃氏硬度值 ( 有時以 HB 表示 ) (Kg/mm 2 ) 但常不附單位 P: 所加的荷重 (kgf) 其範圍有 kgf A: 壓痕面積 (mm 2 ) D: 鋼球或超硬合金球之直徑 (mm), 通常有用 10 mm 5 mm±0.005 以內 d: 壓痕平均直徑 (mm), 目視公差須在 0.02 mm 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 d P D 39

41 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/D 2 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 (Rockwell Hardness) 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/2 h 為壓痕深度 (μm) (2) 球形壓痕器 HR=130h/2 40

42 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 A 60 氏 C 150 硬 度 F B 100 G 150 H 60 E 100 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/h 0~70 金鋼石圓錐 直徑 1/16" 的鋼球或 超硬合金珠 HR=130H/2 0~100 直徑 1/8" 的鋼球或 超硬合金珠 41

43 洛 15N 15 頂角 120 度, 尖端氏 30N 30 曲率半徑 0.2mm 之 20~95 表 45N 45 金鋼石圓錐 3 HR=100h 面 15T 15 直徑 1/16" 的鋼球或硬 30T 30 0~90 超硬合金珠度 45T 45 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: H V 2Psin / 2 P P / S d d H V : 維克氏硬度 P: 荷重 (kgf) S: 壓痕表面積 (mm 2 ) 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 42

44 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 43 H V = P/d 2 H V = P/d 2 H V = P/d 2 (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/d 2 Knoop 壓痕器 :HK=14229P/L 2 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 h 0 落下一小錘, 在觀測反彈高度 h, 利用 h 與 h 0 的比值定義蕭氏硬度值, 如圖 48 其公式如下 : H S k h h 0 H s : 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 h 0 h 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, 44

46 兩種形式相關比較如下 : 目測型 :H S =10000h/65h 0 小錘重 2.5gf h 0 =254mm 指示型 :H S =140h/h 0 小錘重 36.2gf h 0 =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 :H S =140h/h 0 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 h 0 10 英吋, 平均反跳高度 h 6.5 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 46 45

47 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 HB HRC HRB HV H m V HS(D 型 ) 壓痕器 直徑 10 5mm 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 kgf 150kgf 100kgf 1120kgf kgf 36.2g 計算公式 2P 2 2 D( D D d ) h h P/d P/d 2 140h/h 0 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 (0.115mm 0.115mm mm (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 : HB HS 亦即 HB 10 (HS10) (2) 勃氏硬度值與洛氏硬度值之換算公式 : 46

48 47 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/ mm 2 維克氏硬度 HV 標準球 Hultg ren 球碳化鎢球 A 60kgf 荷重, 金鋼石圓錐 B 100kgf 荷重, 1/16 鋼珠 C 150kgf 荷重, 金鋼石圓錐 D 100kgf 荷重, 金鋼石圓錐 15N 15kgf 荷重 30N 30g 荷重 45N45 kgf 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 HB 130 HRB (40 HRB<100) 1,520, HRC HB 2 (100 HRC) (HRC<40) 2 25,000 10(57 HRC) HB (40 HRC<70) 100 HRC (3) 勃氏硬度值與維克氏硬度值之換算方式 : HB = HV 200 < HV < 400 ( 鋼球 ) HB = HV 200 < HV < 700 ( 碳化鎢球 ) (4) 洛氏硬度值與維克氏硬度值之換算方式 : HRC 240<HV<1040 ( 鋼料 ) HV HRC 900<HV<1800 ( 碳化鎢材 ) HV 2. 硬度與其他機械性質的換算由於硬度試驗機較萬能試驗機便宜許多, 又由於從硬度值可以推算其他機械性質, 因此硬度試驗懬為工廠所採用 硬度與其他機械性質的經驗公式如下 : (1) 抗拉強度 ( 鋼鐵材料 ) 2 ( kgf / mm ) HB (HB<175) 2 ( kgf / mm ) HB (HB 175) 2 ( kgf / mm ) 2550/(130 HRB) (HRB 90) 2 ( kgf / mm ) 2500/(130 HRB) (90<HRB<100) 2 2 ( kgf / mm ) /(100 HRC) (HRC 10) 2 2 ( kgf / mm ) /(100 HRC) (10<HRC 40) 2 ( kgf / mm ) 8600/(100 HRC) (HRC>40) 49

51 (2) 含碳量推測 C%=(HB60)/300 (3) 切削性粗略判斷 HB 小於 150 HB 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 ) 1 6 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 MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF ( 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 51

53 (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 MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF MM KGF KGF 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 52

54 (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 C 60.3 HRC 60.5 第一位, 將其 2 捨 3 入調整至 0.5 單位 例如表 49: B 45.2 HRB 45 ( 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 53

55 4. 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 :HS 25 或 HSD 25 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 30sec 4. 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 54

56 5. 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. 55

57 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? h 20. 蕭氏硬度值 HS 是如何決定的? 試說明之 65 h 0 十 實驗心得 56

58 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 (fatiguc failure) 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 300~850 o C) 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 57

59 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 ) R D 0 d L 平行部份 符號 d(mm) R L 1~6 6 1~8 8 1~ d 以上 3d 以上 1~12 12 原則上 D 0 為 8,12,15mm (2 號試片 ) 58

60 R D 0 d 符號 d(mm) R 2~6 2~8 2~10 2~ 原則上 D 0 為 8,12,15mm 圖 52 疲勞試片規格 5d 以上 此應力稱為覆變應力 (repeated stess), 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 (fatigue limit) 或耐久限 (endurance limit), 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 (fatigue ratio) 或耐久比 (endurance ratio) 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 (completely reversed stress) 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 (repeated stress) 此類週期最大應力 σ max 並不等於最小應力 σ min, 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 σ a 表應力振福,σ r 表應力範圍,σ m 表平均應力, 則 σ r =σ max σ min 應力振福等於應力範圍一半, 即, σ a =σ r /2 =(σ max σ min )/2 平均應力等於此週期中, 最大應力與最小應力之平均值 σ m =(σ max +σ min )/2 (3) 不規則應力型 (irregular stress) 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) 59

61 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 d w ( ) ( ) 16 S=MC/I= 2 2 W.(51) 4 3 ( d ) / 64 d S: 試桿之彎曲應力 (kgf/mm 2 ) 60

62 M: 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 (mm 4 ) 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 10 7 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 (fatigue limit) 或稱為耐久限 (endurance limit) (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 10 8 至 5*10 8 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 (fatigue strength) 61

63 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 62

64 向前推進一步, 在裂口成 45 o 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 (beach marks) 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 63

65 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 250~350 c 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 64

66 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 65

67 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 66

68 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 61 67

69 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 61 ASTM 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 90 H=3D 一般測試用 長型 20 到 到 320 H=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 A 0, 試驗後為 A f, 壓縮前試片長為, 壓縮後長度為 0 f, 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 p P p / A0, P p 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, 68

70 降伏強度 y P y / A0, P y 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 u P u / A0, P u 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 P u 荷重 kg Pu PP 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 A A 100% A f 0 / 0 f 0 / 0 2. 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) 69

71 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 poisson expansion), 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 70

72 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 (50 Ton) 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 Return 6. 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 71

73 7. 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 A 0 (mm 2 ) 直徑 d (mm) 長度 l (mm) 斷面積 A (mm 2 ) 降伏荷重 (kgff) 降伏強度 (kgff/mm 2 ) 最大荷重 (kgff) 抗壓強度 (kgff/mm 2 ) 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 72

74 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 73

75 荷重 D 支點 L P 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) A 13± 約 300 B 20± 約 350 C 30± 約 500 D 45± 約 650 t W L (a) D 圖 73 L (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>35 2 號試片 (b) 原材 D>35, 或加鋼棒 非鐵金屬棒原尺寸 >250 工成 D>35 3 號試片 (a) 薄金屬板 原厚 >20 >150 4 號試片彈簧用磷青銅板原厚 >10 >150 (a) 彈簧用白銅板原厚 >20 >150 5 號試片鍛鋼件 5A >150 (a) 鑄鋼件 5B >150 74

76 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 N A σ C P 荷重 A N B B +σ C 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 P l/2 l/2 l P/2 P P l 1 l 2 l 1 l max max max max max max 32P 3 d 8P 2 3 d 3 4P 4 3 d E 32P 1 3 d 16P 2 3 d 8P 1 (3 4 3 d E ) max max max max max max 3P 2 2bh 3P 4bh 3 P 3 4bh E 6 P 1 2 bh 3P 26h P 1 (3 3 2bh E 2 4 σ max : 最大彎曲應力 (kgf/mm 2 ) d: 圓直徑 (mm) τ max : 最大剪應力 (kgf/mm 2 ) h: 矩型高度 (mm) δ max : 最大撓度 (mm) b: 矩型寬度 (mm) E: 彈性係數 (kgf/mm 2 ) 2 1 ) 75

77 2. 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 σ max, 亦稱破壞係數 (modulus of rupture) 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 (cold bend test) 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) 76

78 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 77 V 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 ) 77

79 3. 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/mm 2 ) (kgf/mm 2 ) (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 78

80 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 79

81 4. 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 (shear stress) 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 (direct shear test) 及扭轉剪斷試驗 (torsion shear test) 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 (simgle shear) 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 s A 式中 s : 抗剪強度 (kgf/mm 2 ) P: 荷重 (kgf) A: 試片斷面積 (mm 2 ) 試片 P a P 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=P a(kgf m) (2) 雙剪式 80

82 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 (double shear) 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 : d P 2A 雙剪時試片易受彎曲力矩作用, 其大小 計算如下 : d P a b P b p b M a P 2A 雙剪時試片易受彎曲力矩作用, 其大小 計算如下 : 試片 P/2 P/2 P a b P b p b 圖 83 雙剪式 M a 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 a b P a 3. 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 (die roll): 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 84 a 模輥區 b 光滑區 c 破斷區 d 毛邊 (2) 剪切面 (burnished surface): 塑性變形部份, 就鐵板而言約為 1/3 t 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 (fracture surface): 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 81

83 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 (mm 2 ) 最大荷重 (kgf) 抗剪強度 (kgf/mm 2 ) 理論抗剪強度 (kgf/mm 2 ) 剪切斷面照片 單 剪 A 雙 剪 2A 82

84 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 83

85 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, 84

86 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 70 rpm, 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 n 1, 對磨標準試片齒 輪數為 n 2, 且 n 1 >n 2, 則兩者間之滑動比為 (n 1 n 2 )/n 1 100% 左右兩側 磨輪與試片的接觸壓力均為 5 Nt, 針對不同試材可利用成對荷重砝碼 (5Nt 3.75Nt 及 2.5Nt 各一對 ) 調整其他荷重, 如 1.25Nt 2.5Nt 6.25Nt 7.5Nt 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 85

87 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 (adhesive wear) 刮擦磨耗(abrasive wear) 表面疲勞磨耗 (surface fatigue wear) 及腐蝕磨耗 (corrosive wear) (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 86

88 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 87

89 3. 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 88

90 4. 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 SELECT TEST CYCLES 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 RESET CYCLES COMPLETED 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 89

91 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 90

92 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 3000~3600 r.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 12 mm, 長度約 120 mm, 如圖 102 所示 91

93 3. 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 92

94 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 SUY SxxC SNC xxx SCM xxx SCr xx SNCM xxx SK xx SKS xx SKH xx SUH xxx SKD xx,skt x SUS xxx SUJ x SUP xx FC xx FCD xx FCM xx C C Mn Ni Cr C Mn Cr Mo C Cr Mn C Mn Ni Cr Mo C Si Mn C V Cr W C Mo W V Co C Si Mn Ni Cr C Si Mn Cr W V Mo C Si Mn Ni Cr Mo C Cr Si C Si Mn Cr V C Si C Si C Si 93

95 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 94

96 C% < >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 :Mn Cr V 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 :Si Mo W Ni 等元素可阻止碳火花分枝的爆裂 此外氧化性元素, 如 A1 Mn Si Ti 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 Ni Ci W 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 95

97 表 103 碳鋼之火花型態描述 圖號 鋼種 化學成分 (%) C Si Mn P S Ni Cr 106(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) S10C 96

98 (c) S15C (d) S20C (e) S30C (f) S45C 圖 106 各種成份碳鋼之火花照片 97

99 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 98

100 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 C Si Mn Ni Cr W Mo V 1. 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 SCM 1. 具 0.4%C 碳鋼火花特徵 具有 Mo 之箭頭狀火花 SCM 1. 具 15%C 碳鋼火花特徵 具有 Mo 之箭頭狀火花 SUS4 1. 流線中央部有三分枝 J2 2. 流線花端較粗 SUS3 1. 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 99

101 108(a) SK3 108(b) SKS2 108(c) SKD11 108(d) SKD61 108(e) SKH55 108(f) SUJ2 100

102 108(g) SCM (h) SCM (i) SUS420J2 108(j) SUS (k) SUP6 圖 108 常見合金鋼之火花照片 101

103 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 0.2 5% 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 Cr SUJ3 有特殊火低合裂較清楚花金鋼 Si 彈簧鋼 SUP6 白玉彈簧鋼 SUP7 102

104 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 103

105 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 104

106 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 105

107 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 1000 Å ~ 數十 Å 約數 Å ~ 10 Å 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 106

108 三 使用規範 1.CNS 2910 鋼內非金屬夾雜物之顯微鏡試驗方法 2.ASTM 標準 vo Standard Definitions of Terms Relating to Metallography 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 107

109 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 150 kgf/cm min 熱固性 有顏色 尿素 * 約 110 約 150 kgf/cm min 熱固性 有顏色 壓克力 * 約 120 約 150 kgf/cm min 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 (0.3μ 0.1μ 0.05μ 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 (brightfield illumination): 一般金相觀察大多以此種為主, 屬於垂直光源 (2) 暗視野 (darkfield illumination): 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 (oblique illumination): 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 (polarized light): 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 108

110 (5) 相對比光源 (phase contrast illumination): 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 (interferencecontrast illumination): 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 109

111 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 (immersion oil) 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 110

112 2. 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 : 111

113 (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 # 112

114 150 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/cm 2 ) 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 113

115 (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 114

116 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.c 1000c.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 115

117 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 5~50 c.c. 鹽酸 10c.c.+ 硝酸 3 c.c.+ 乙醇 100 c.c. (A) 硝酸 10 c.c.+ 鹽酸 20~30 c.c.+ 甘油丙三醇 20~30 c.c.(villella) (B) 硝酸 10 c.c.+ 氟化氫 20 c.c.+ 甘油丙三醇 20~30 c.c. (C) 硝酸 10 c.c.+ 鹽酸 20 c.c.+ 甘油丙三醇 20 c.c.+ 雙氧水 (30%)10 c.c. 赤血鹽 10g+ 氫氧化鉀 10g+ 水 100 c.c. (A) 氯化鐵的飽和鹽酸溶液 + 少量的硝酸 (B) 氯化鐵 5g+ 鹽酸 50 c.c.+ 水 100 c.c. (C) 氯化鐵 10g+ 鹽酸 30 c.c.+ 水 120 c.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 116

118 (3) 銅及銅合金名稱 成份 摘要 NH 4 OH 10c.c. 將研磨面浸入約 1 分鐘, 然後用棉花擦乾, 適濃氨水過 N 2 O 2 (3%) 5~10 c.c. 宜銅 黃銅 青銅用, 使用時調配之 氧化氫水 10 c.c. FeCl 銅 黃銅 青銅 鋁青銅 白銅 磷青銅等適 Grad HCl 用 指示液水 100 單位 :c.c. (4) 鋁及鋁合金 名稱 成份 摘要 氟酸 HF 0.5 c.c. 浸入約 15 秒, 一般鋁合金用, 粒界特別明顯 水 99.5 c.c. 示出 氫氧化鈉 NaOH 1~10g 浸入 5~10 秒, 一般輕合金用, 肉眼組織用 溶液 水 100 c.c. 者,NaOH 量多 (5) 鎳及鎳合金名稱 成份 摘要 硝酸 硝酸 50 c.c. 使用前調合, 腐蝕 5~20 秒, 鎳 蒙鈉合金 冰醋酸 冰醋酸 50 c.c. 及其他 NiCu 合金適用 王水 HNO 3 5 c.c. 腐蝕 30 秒 ~2 分,Inconel 合金適用 HCl 25 c.c. 水 30 c.c. (6) 鎂及鎂合金名稱 成份 摘要 乙二醇 乙二醇 75 c.c. 進入 10~15 秒, 一般用 (Glycol) HNO 3 1 c.c. 水 75 c.c. (7) 鉛 錫及其合金名稱 成份 摘要 硝酸 NHO 3 2 c.c. 含錫多之合金用 酒精 98 c.c. 硝酸 NHO 3 5 c.c. 含鉛多之合金用 水 95 c.c. 醋酸 冰醋酸 30 c.c. 適宜鉛及錫合金用 H 2 O 2 (3%) 95 c.c. (8) 鋅及其合金名稱 成份 摘要 Palmeton CrO 3 (99.95%) 200g 一般用, 搖動浸入 試藥 NaSO 2 15g 水 1000c.c. 117

119 9. 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 118

120 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 119

121 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 120

122 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 A 1 波來鐵 沃斯田鐵溫度 A 3 肥粒鐵 沃斯田鐵溫度 材質 A cm 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 o C 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 (full annealing): 以軟化為主要目的 加熱溫度範圍 : 亞共析鋼 (A 3 線上 30~50 ) 共析及過共析鋼(A 1 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 (A 3 線上 30~50 ) 共析及過共析鋼(A CM 線上

123 30~50 ) 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 (A 3 線上 30~50 ) 共析及過共析鋼(A 1 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 ~A 1 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 Acm A3 A1 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 (recrystallization annealing), 再結晶退火依照前述原理可以分成三個階段 : 122

124 回復期 (recovery) 再結晶期 (recrystallization) 和晶粒成長期 (grain growth) 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 123

125 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 (chill zone) 柱狀區(columnar zone) 等軸區 (equiaxed zone) 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 124

126 (2) 銲接組織銲接組織基本上可以區分成三個區域 : 熔融區 (fusion zone) 熱影響區(heat affect zone, HAZ) 及母材區(base metal) 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 1000~1200 C 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 125

127 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 HRc 10~35 126

128 (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 HRC 38~45 (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 127

129 (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 (tempered martensite): 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 HB 250~500 (7) 殘留沃斯田鐵 (retained austenite): 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 HB 150 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 128

130 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 A3 Ι ΙΙ A1 Acm 0.8% 2.0% ΙV Ι: 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 126 ΙΙΙ 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 (Level rule) 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 129

131 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 130

132 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 (thermal refining) 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 (lath martensite): 麻田散鐵次結構含有許多差排單元 變 131

133 態型式是 fcc bcc, 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 (plate martensite): 麻田散鐵次結構包含許多內部雙晶 變態型式是 fcc bct( 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 (sheet martensite): 無次結構 變態型式為 fcc hcp, 常見於錳含量高於 15% 的鐵錳合金, 圖 143 (4) 殘留沃斯田鐵 (retained austenite): 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 132

134 2. 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 Fe 2 3 C 析出溫度約在 100~250 ; Fe C 5 2 析出溫度約 250~350 ; Fe 3 C ( 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 133

135 (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 145 SK5 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 ~ 250 Fe 2 3 C 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 Fe C 5 2 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

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SW cdr 1~2 3 4 5~6 7~8 9~10 11 12 13 14 15 16~18 16 16 17 17 18 18 18 19 19 19 20 21 22 23~26 23 24 24 25 26 27 27 27 : 110V 1 110V 110V 15A 2 3 23 24 4 ( ) 5 6 1 2 26 20 l 1 7 3 4 5 15 17 18 12 7~13 6 ~ 8 ~

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