§ 4-4-4 衝擊試驗(Impact Test)※衝擊試驗目的有二：

1. 決定材料在使用中耐受衝擊的能力。2. 以冶金學上的觀點判定金屬的品質。

※ 由衝擊試驗的結果，可以推算材料之韌性(或脆性程度)、凹痕感度(notch sensitivity)及試驗溫度對材質影響等特性；此外，尚可用以決定那一種製造程序可以產生韌性最大的材料。

後者在需用不同的熱處理以得到預定硬度與彈性強度值之鐵類合金尤顯重要。

※ 衝擊試驗分效用衝擊試驗(utility impact test)及標準衝擊試驗(standard impact test)兩類。

※ 效用衝擊試驗用以檢查脆性之存在或材料之相對韌性，常施於鋼軌、螺桿、扣件、齒輪及其齒部以及非金屬材料如：混凝土、石材、木材、搪瓷、塑膠等。

※標準衝擊試驗依荷重之不同有三種：

1. 樑試驗法 (最為常用)2. 拉伸試驗法3. 扭轉試驗法

※樑試驗法又可分為兩種：

1. 愛曹特(Izod)試驗法：為固定一端成肱樑。2. 夏比(Charpy)試驗法：為固定二端，衝擊荷重加於中央，成一簡單樑。

※ 新式的衝擊試驗機可作夏比及愛曹特兩種試驗，有些甚至還可作拉伸衝擊試驗。

※機器的構造可以分成三大部份：

1. 由軸承安裝，可自由擺動的重擺。2. 由支架與承載試樣的虎鉗或砧組成的承載部份。3. 測定並記錄擺角之裝置。

※ 夏比及愛曹特試驗之試樣皆銑有一V型或鑰孔形(keyhole)─或U型缺口(notch)，以使斷裂發生於局部─缺口根部，確保試驗結果之一致。

愛曹特試驗法 夏比試驗法

主要不同點，在於試樣支撐方式、衝擊部位及試樣缺口型式

1. 試樣具有V型缺口(缺口並不在試樣中央)，並須以虎鉗夾緊一端成肱樑，故須較長。

2. 對於韌性金屬，或以具有V型缺口之試樣比夏比試驗為佳。

1. 試樣常銑成鑰孔形缺口(位於試樣中央)，由於兩端支撐，故毋須以虎鉗夾緊。

2. 尚可進行拉伸衝擊試驗，此時試樣係以螺栓固定於擺錘後面，與擺錘一同擺下者。

3. U型缺口因係圓底，無法使能量大幅集中，故適於斷裂時吸收能量低的金屬，但由於其缺口深，可以消除表面效應的影響(優點)。

※ 任何在截面上的驟然變化均會使材料發生不同的反應，缺口試樣衝擊試驗正可用以探討材料這種稱為「凹痕感度」的反應。極脆之金屬或塑膠材料，試樣可不用缺口，因它一遭受突然應力時，即已發生脆性損壞。

※高溫爐→加熱；寒劑→冷卻。

※寒劑：乾冰(固態之CO2)，其熔點約−70 °C。溶於丙酮可得凝固溫度−94.3 °C、溶於甲醇可得−97.1 °C、溶於乙醇可得−114.15 °C、溶於戊烷可得−130.8 °C之低溫。

由乾冰之溶入量可控制溶劑之適當溫度。

可測出金屬材料由韌性轉變為脆性之轉脆溫度(transition temperature)，此溫度愈低之材料韌性愈佳。

※ 材料之衝擊強度係以破斷時，單位斷面積所吸收之能量為準，此能量係以擺錘在衝擊前後之高度差(位能差計算之)，單位為kgf-m (愛曹特)或kgf-m/cm2 (夏比試驗法)。

W：擺錘重量(kgw)

R：擺錘重心到迴轉中心距

離 (m)α：擺錘前擺角

h0：衝擊前擺高β：擺錘後擺角

h：衝擊後擺高

※衝擊值之計算法：

∵衝擊時被材料吸收之能量E = 擺動前後位能差∴ E = Wh0 − Wh = W (h0 − h)

h0 = R + R cos(180° −α) = R − R cosαh = R − R cosβ

E = W [(R − R cosα) – (R − R cosβ)]= WR (cosβ − cosα) (kgf•m)

若考慮擺錘受空氣阻力或軸承摩擦力之影響，於實驗中喪失能量E’，則

E = WR (cosβ − cosα) – E’【E’可由擺錘空擺時，由上式計算得】

※ 將E除以折斷部之斷面積 (cm2)，即得夏比衝擊值。一般之試驗機都附有經校正過的刻度盤，可讀出擺角或被吸收之能量。

※ 斷裂的衝擊試樣首先用肉眼加以檢視，若斷裂處平滑而呈絲狀，表示金屬之晶粒細且具有韌性；反之若斷裂面呈現粗粒狀，則表示鋼料脆而無韌性。

※ 大部分鋼料斷裂處呈現上述兩者之混合特徵，絲狀區域為首先發生之延性斷裂，粗粒狀區域為最後脆裂發生處。材料韌性之大小即視兩區域之相對面積而定。

※ 在電子顯微鏡下，延性破裂之材料呈現全面酒窩(dimple)狀孔，脆性斷裂之材料則可見許多劈裂面或粒間破裂之晶粒狀。

§ 4-4-5 疲勞試驗※ 疲勞損壞(fatigue failure)為金屬材料損壞之最主要因素，一般估計，機械構件之失去作用，有百分之九十起於疲勞。

※ 材料在久受覆變性應力(repeated stresses)後的脆裂即為疲勞損壞；該覆變性應力值常小於彈性限，且斷裂以前不生明顯的塑性變形，因此縱然損壞以迫在眉睫，仍無警兆；此所以疲勞損壞之潛伏本質被重視的原因。

※ 覆變應力指應力大小、正負反覆變化的情況，是一種很常見的應力型態。

σmin：最小應力值、σmax：最大應力值、σa：應力振幅、σR：應力範圍(σmax − σmin)、σm：平均應力。

若σm = 0，則σmax = σa，σmin = −| σa |，屬於雙向反覆應力。

若σmax = 0或σmin = 0，屬於單向反覆應力。介於這兩者間屬於部份雙向反覆應力。

※ 材料之疲勞特性深受σmin、σmax值之影響，定義一R值，為最小應力與最大應力之代數比，簡稱應力比(stress ratio)：

R = σmin / σmax同一材料R值愈小、愈負，其疲勞強度愈小。

※ 疲勞試驗可以三種方式進行，即沿試樣軸向施拉力、對試樣施彎應力或對試樣施以扭力。

最佳之載荷方式乃施加於旋轉中的(試樣)樑上。◎ (pp. 103, 圖4-20 )

試樣所受之最大纖維應力(fiber stress)S為S = 4M / (π r3)

式中，M：彎曲力矩r：試樣之最小剖面半徑

※ 最新式的疲勞試驗機：油壓控制式拉壓疲勞試驗機。

※ 疲勞試樣的表面必須高度拋光，以消除表面效應的影響。

※ 當試樣在測試中斷裂後，機器的馬達會自動停止，這時記錄從試驗開始到斷裂的迴轉數及荷重。

※疲勞試驗需要大量試樣，花費很長的時間。

※ 若將試驗所得，某材料破裂時的應力對迴轉數(取對數)作圖(以應力S為縱軸、迴轉數N為橫軸)，即可得到顯示該材料疲勞特性之S－N曲線，又稱為疲勞曲線。

※ 欲用作承受旋轉、彎曲或震動等機器構件的金屬材料，必須作疲勞試驗。

※ 應力比(R)對材料之疲勞強度影響很大，R值愈小、愈負，疲勞強度就愈低。

下方為非鐵金屬(鋁合金)之典型S－N曲線，每一應力值S1，對應一個使材料斷裂的迴轉數N1；此S1稱為該材料在N1迴轉時的疲勞強度(fatigue strength)，又稱耐久強度(endurance strength)。上方為0.45 % C鋼之S－N曲線，其特徵為有一最低應力值(Sm)與橫軸平行─與橫軸交於無窮遠處。意即，在Sm之應力下迴轉到無限多次，材料才會斷裂；(曲線上的箭號，代表此段乃由試驗值外插而得 )，此一Sm值即為該鋼鐵材料之疲勞限 (fatigue limit)，又稱耐久限(endurance limit)。若作用之應力低於疲勞限，則無論迴轉多少次，材

料都不會斷裂。非鐵材料之疲勞曲線無水平部份，一般訂定108次迴轉時的疲勞強度當作它的疲勞限。

§ 4-4-6 潛變試驗※ 潛變試驗(creep test)：指材料在高溫下施以定值應力，測定其隨時間經過而徐徐變形之試驗。

※潛變試驗之目的有二：1. 對材料施加不同的應力，分別試驗其經過之時間對應變變化情形。

2. 求材料之潛變限(creep limit)─某一高溫下，金屬材料在一定期限內能維持定值變形量之最高允許應力，亦稱潛變強度(creep strength)。

※ 最常用的潛變試驗為拉伸型試驗法，幾乎與普通拉伸試驗相同。荷重有直接與間接兩種。【圖4-23所示為以槓桿加力之間接法】試樣安放於加熱爐內加熱時，其標點範圍內之溫度

必須完全相同。溫度及伸長量之測定，係由連續自動裝置記錄之。

※一理想化的潛變曲線，共分三期，即：

1. 初期潛變(primary creep)：在此時期內應變速率(又稱潛變率，亦即曲線斜率)下降。

2. 中期潛變(secondary creep)：應變速率為定值。3. 末期潛變(final creep)：應變速率大增直至破壞這三期潛變中，以中期潛變較具有意義，工程上常

將此段直線外插使用。

※由中期潛變之直線關係，吾人可得下式：

εt = ε0 + V0t當時間t限定時，可求其總變形量εt。若限定總變形量εt，則可由此式計算抵達εt之時間

t。

※ 若試驗所得之潛變曲線，中期潛變之潛變率恰在設計時可容許最大潛變率以內，則該材料可在該潛變強度及溫度下，安全地使用到規定的年限。

※ 潛變率最高限度之選定因使用情況而異，由設計者自行決定。

※ 一般潛變強度以每1,000、10,000或100,000小時伸長1 %之應力表示。

§ 4-4-7 非破壞檢驗方法(nondestructive inspections)※ 非破壞檢驗法：指不會破壞被試材料，而能獲得所欲資料的材料試驗法，一般皆利用材料的電、磁特性、輻射線(如x－線、γ－線等)的高穿透性、光學特性(如螢光劑)及超音波的傳導特性以遂行之。

※ 非破壞檢驗一般只用於「探傷」，亦即檢查材料表面或內部的組織缺陷，對於強度、硬度、……等機械性質之決定則無能力。

※ 磁粉探傷法(magnetic powder inspection，又稱為magnaflux)可用以測定表面上或近於表面處是否有不可見之裂隙及缺陷存在。

先將試樣磁化，再施以一薄層之乾磁粉。

由於交流電只能在物體表面流通，因此若要探測表面下缺陷，必須使用直流電。

鑄造廠、鍛造廠。

非磁性材料無法使用。

※ 浸透探傷法(Liquid-penertrant inspection)係利用液體滲透劑被表面裂隙之毛細作用吸入，以呈現裂隙位置之方法。

※ 最常用的滲透劑為螢光滲透劑，其法為先將螢光滲透劑懸浮於油中，將待測體如球軸承等浸漬於其內，然後取出，拭去表面之剩油，再敷以顯像劑，將裂隙內之油汲回表面，分散於缺陷部位之兩側，以黑光(一種波長近於紫外光之光線)照射，即可見之。

1. 優點：毋需電子系統，設備簡單，操作容易，不具磁性之材料，如沃斯田不銹鋼、銅合金

及鋁合金皆可使用。

2. 缺點：僅能探測表面缺陷，其內部缺陷則須藉助別的探傷法。

多孔性材料，如粉末冶金之燒結品則不適

用此法。

※ 超音波探傷法(Ultrasonic inspection)係利用高頻率音束探測金屬之法。

※ 超音波為縱波，波長極短(人耳所不能聞)，其在固體內部傳播的速率依材料的彈性及密度而定。

反射波反射回發射器之時間可以測出。

※ 一般之試驗機很簡單，其型式雖有多種，但大多包含超音波源及示波器等電子系統之主體，另外有一發射器及一接收器。

發射器可在一磨得很光滑的物體表面移動，接收器在同端接收信號(如Sperry超音波回折儀)。

對表面粗糙物體之探測則可將之列置於水中，發射器及接收器均靜置水面，接收之信號可變換為圖形示出(例如Brush超音波分析器)。

※超音波探傷法：

1. 優點：裝置簡單、分析迅速，缺陷的大小、位置均可準確測出，應用範圍廣泛，最薄可測量至0.0025 cm，最厚可測量至7公尺，任何金屬材料均可探測。新式的C掃描式超音波探針可作深度方向的剖面掃描，為探傷之利器。

2. 缺點：某些試驗機對待測件之平滑度要求很高。置於水中探測者，其表面要求不嚴，但缺陷部位無法準

確測出。

※ 放射線探傷法(radiographic inspection)乃利用放射線之高穿透性，穿過物質內部，以觀察內部缺陷之法。最常用者有兩種：

1. X－光探傷法。2. 伽瑪射線探傷法。

※ X－光波長短(只及可見光波長之1/10,000)，因此，若激發能量夠高，時間夠長，X－光必能透過金屬。

裂縫及空孔處底片呈黑點，與白色背景成對比而呈現出來。

※ X－射線裝備必須在襯有鉛塊及混凝土的室內操作以策安全。

※ X－光探傷法主要用以探測輕金屬及鋼，也有用於別種金屬及塑膠者。

1. 優點：用以檢查焊件、鑄件及鍛件，檢視組裝件之內部零件以及軟焊、硬焊之熔融部特別有效。

2. 缺點：裝置龐大而昂貴，且積層品或延伸的不連續部位不易偵知。

※ 鐳鹽可以放射伽瑪射線(γ-ray)，其波長比X－光者短，故穿透力較高，然而輻射量不若X射線者密集，因此曝光時間需較長久。檢查結構焊件，尤其是造船方面。

1. 優點：能夠檢查較厚的金屬(只要時間夠長的話)，光源之裝置費用也比X－光者便宜得多。

由於小鉛盒可隨處攜帶，因此工廠或船體之組合構件毋需拆卸即可檢查。

2. 缺點：由於其機動性，其安全管制必須非常嚴格，否則易發生類似輻射鋼筋的事件。

§ 4-4-8 金相試驗※ 金相實驗之目的，在於藉顯微鏡的高放大倍率，觀察金屬材料的各種金相組織，以判斷鑄造組織、鍛造組織及熱處理組織是否合於理想，間接可以知道材質良窳。

一門專門學問，稱為金相學(metallography)。※ 光學顯微鏡 觀察晶粒形狀及大小、析出物、不純物、共晶組織、氣孔、龜裂、腐蝕狀況等等。(2000倍、油鏡法)

※掃描式電子顯微鏡(SEM) 20 ~ 100,000倍※ 穿透式電子顯微鏡(TEM) 600 ~ 20萬倍，有高至

100萬倍，已可照出原子排列。※ 場離子顯微鏡(field ion microscope，FIM) 可照出針尖部位原子的排列情形。

※ 掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope，STM) 可以直接觀察原子。

※ 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)放大率優於SEM而不需真空系統。

※顯微鏡試驗法一般均包含下述步驟：

1. 取樣2. 埋覆樹脂(mounting) 熱固性樹脂、化固性樹脂

藉著斜包埋法(Taper mounting)，可使單邊放大數倍，利於薄層觀察。

3. 粗研磨使用一系列由粗而細的砂紙將試樣逐次研磨。

研磨時須注意，收先朝一個方向研磨，然後在

其垂直方向研磨，砂紙不可跳號使用，砂紙下

方宜墊一塊厚而平的玻璃以保持平坦。

蝕刻(etching)。各晶粒反射光

線，反射光與入射光愈平行者亮度愈大。

4. 精磨將粗磨過的試樣移至特製布輪上，以氧化鋁

、氧化鉻、氧化鎂或氧化鐵之細粉(平均粒度約1.0 μm)懸浮於水，成研磨劑研磨之，直至試樣表面一如鏡面為止。

電解研磨法(electrolytic polishing)，乃以試樣為陽極，不鏽鋼為陰極，以適當電解液如草

酸、過氯酸+冰醋酸等，通電電解之，可得到極佳之研磨效果，對於難蝕刻之不鏽鋼、耐

熱鋼或難於研磨之鋁合金、銅合金，採用電

解研磨法很有效。電解研磨後，試樣可逕作

顯微鏡觀察。

5. 蝕刻以適當之腐蝕藥劑將試樣輕蝕刻或深蝕刻後，

可將要看的組織呈現出來。

鋼鐵常用的蝕刻劑有Nital(硝酸1~5 CC + 甲醇或乙醇)、苦味酸(picral)、赤血鹽之鹼性溶液等。

物理蝕刻法，利用光、熱或真空處理使組織具

有不同顏色對比、或蒸發量，易於觀察。

6. 顯微鏡觀察金相顯微鏡為反射式，不同於一般透射式生物

顯微鏡，依所欲觀察組織選定倍率。

§§ 作業：

1. 金屬之腐蝕因何而生？有那幾類？

1’. 利用電化侵蝕原理的防蝕法有那兩種？

2. (a)、(b)、(d)、(i)、(m)、(n)、(u)、(v)、(w)

3.

5.

8.

§§ 作業：