[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，所以看到題目要測很小的東西或表面硬度選他就對了適用範圍很廣泛。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測試機變成船體的形狀了！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，材料就會被一拳秒殺斷掉(strain rate大概是

${10}^{3}m/s$)， 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Jack就可以活就一點就會比較安全。

要注意的是，雖然跟拉伸試驗一樣都是破壞材料，但是在strain rate不同的情況下，材料會展現不同性質。 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。所以不能用strain rate低時做實驗， 推測strain rate 高的狀況。

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。不過這個通常要坐做很久(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，表示荷重到一定程度之後，就會在有限的迴轉週期內斷裂，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Nital與弗酸。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。