# [工材]第六週筆記

## Mechanics Properties of Materials
>以下是上一堂複習

Tensile Test：降伏點、抗拉強度、斷面縮率、伸長率、楊氏係數
Hardness Test：
* Brinell Hardness：HB
* Rockwell Hardness(最普遍)：分硬質與軟質。他的優點也是他的缺點，可以留下很少的痕跡就測硬度，但是只能測局部硬度。

>以下是次上課內容

## Vickers Hardness

剛剛的硬度都有分「硬質」「軟質」，那有沒有一種硬度是軟硬皆適用的呢？這就是Vickers Hardness提出的動機了。

Vickers Hardness也是拿東西去壓東西，荷重有30kg, 50kg, 10kg，像這樣：


然後用公式算出硬度。

Vickers硬度的優點是，用不同規格的荷重下去量，他會得到一樣的結果。這個好處是他給各種東西一個通用的硬度標準， 不論東西軟硬。另外有種micro vickers，荷重可以小於1公斤，所以<s>看到題目要測很小的東西或表面硬度選他就對了</s>適用範圍很廣泛。不過機器也是貴很多。

不過他的好處也是他的壞處，只能測局部硬度。

## Shore Hardness

這是一種與前幾種硬度測試都不太一樣的硬度測試，是用「東西反彈高度」判斷硬度的方法，東西彈越高，表示越硬。 不過這樣測問題有點多，首先是反彈的時候，未必是垂直的，所以同樣的材質，有可能反彈角度不一樣，測出來硬度就不一樣 。再來是這也會受到不同材質的楊氏係數影響。

聽起來這麼廢的硬度測試，使用的情況當然也是很無奈。比如說想要測船體硬度，然後就發現準備放進硬度測試機時就發現<s>測試機變成船體的形狀了！</s>船體太大，根本塞不進試驗機。這時候就只好勉強用一下Shore Hardness了。

而且Shore Hardness的測試儀器小小的，攜帶也很方便。這是另外一個好處。

## Impact Test衝擊試驗

一種測量材料HP有多少破壞需要多少機械能量的測試。這種性質叫做「韌性(Toughness)」。測量方法當然就是打他，像這樣：


把一個超大的重鎚拉起來，然後放下，材料就會被<s>一拳秒殺</s>斷掉(strain rate大概是 $10^3m/s$)， 然後測量撞擊前後重錘前後高度差，就可以知道多少位能被用在破壞是騙上。 這個試驗還有很多獵奇的測試方法，從最簡單的改變溫度，到泡酒、泡液態氮、泡各種奇怪的東西再去撞他，都是很OK的。

不過，最重要的還是溫度。金屬在低於一個溫度之後，就會變脆，這個溫度叫做「轉脆溫度」(Transition Temperature)， 所以被撞到就不會凹下去，而是整個斷掉。這在工程上就有很重要的意義， 比如說某輪船準備撞冰山時，如果工藝夠好，用來製造船體的金屬的轉脆溫度低一點，那撞到冰山船體就不會破裂進水，而是凹下去，也許<s>Jack就可以活就一點</s>就會比較安全。

要注意的是，雖然跟拉伸試驗一樣都是破壞材料，但是<b>在strain rate不同的情況下，材料會展現不同性質</b>。 比如說瀝青。用力敲一下就碎，但是去拉伸試驗慢慢拉時可以拉很長～很長～很長。所以<b>不能用strain rate低時做實驗， 推測strain rate 高的狀況</b>。

## Fatigue Test疲勞測試

* 韌性(Toughness)
* 衝擊值(Impact Value)Cv

重複小幅度但是高頻率的來回拉伸試片，想也知道金屬最會就會被你搞得很累金屬疲勞，最後那根就斷掉惹。

這種劇情在生活上很常見，我是說像發電機的蒸氣鍋爐，沸騰時會一直重複來回震盪，雖然不會有瞬間的衝擊，也不會有人無聊對他做拉伸試驗，但是金屬疲勞就非常有可能產生潛在危險。

講到測量金屬疲勞的方法要感謝神奇的材料力學，讓我們可以只在試片上面掛個重量，然後旋轉試片，就可以製造重複拉壓的效果，像這樣：


然後看一下要轉幾次材料才會金屬疲勞被拉斷。不過這個通常要<s>坐</s>做很久(幾天之類的)。統計一下不同重量下旋轉週期數目可以得到：


有的金屬在一半就會變平的，表示<b>荷重到一定程度之後，就會在有限的迴轉週期內斷裂</b>，這個壓力叫做「疲勞限(Endurance limit)」。 有的金屬沒有下限，就通常就用$10^7$~$10^8$左右當作疲勞限。

## Creep Test濳變測試

金屬之間慢慢移動。不過大概溫度大於熔點的一半時，才會有危險，所以比較少用。

## Metallographic Test晶相測試

白話文：把金屬拋光，然後腐蝕他，再用顯微鏡看紋路。因為不同相之間會有不同程度的腐蝕，所以就形成不同的紋路， 藉此就可以看到金屬的microstructure。常用的腐蝕液有<b>Nital</b>與<b>弗酸</b>。詳細過程可以看課本。

## 鋼與鐵(Iron and Steel)
*生鐵(pig iron)*和*鋼鐵(steel & iron)*的製法：

一貫作業大鋼廠
* 煉鐵廠：高爐、鼓風爐
* 煉鐵廠：
* 轉爐(converter)(用氧由上往下吹)

* 連續鑄造法連續鑄造法(C.C.)


轉爐是用由上往下把雜質吹掉。雖然雜質被除掉了，但是鋼裡面仍然會有很多氧氣。如果只把氧氣還原一點點，就做成鋼錠，凝固過程中就會產生劇烈火花，並且凝固時內部會殘留氣泡，這就是「淨面鋼錠」，或叫「未靜鋼錠」。但是表面會是非常光滑，像鏡子一樣(想像一下黑曜石)：


如果把鋼鐵內的氧氣完全還原，凝固時就會很緩和，氣泡也會集中在鋼錠上方，而內部組成大致均勻，就叫「全靜鋼錠」。


特徵是氣體會泡泡那樣集中在最上方，所以使用時會先把上面有縮管的部分截掉。

未靜鋼錠因為裡面有泡泡，所以很顯然不是很適合做成零件，但是可以做其他用途(比如說裝飾)。而全靜鋼就比較適合拿來做零件。

機械廠：軋鋼條、鋼板、鋼球

# 純鐵的變態
動機：觀察溫度上升時，純鐵長度的變化，可以得到下面這樣的圖：


就發現在約910度時，長度有急遽變化，所以可以猜測有結構轉變。另外，如果繼續往上加溫，可以發現：


大約1400度時，長度變化性質又變回原來的樣子。另外，如果觀察磁化強度隨溫度上升的變化，可以發現：


在大概810度時，磁性完全消失，而910度時，經歷了跟長度變化一樣的drop，所以推測這裡真的發生了結構變化。把剛剛的結論整理一下， 性質變化的點大分四個區段：

* ~ 800 ：
* 800 ~ 910：
* 910 ~ 1400：
* 1400 + ：

這四個區段，由低溫到高溫分別標上α
到γ：

* ~ 800 ：α鐵, BCC
* 800 ~ 910：β鐵, BCC
* 910 ~ 1400：γ鐵, FCC
* 1400 + ：δ鐵, BCC

不過因為β鐵機械性質跟α差不多，所以工程上把他們視為同一種東西。