§ 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。
D 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。
D 由乾冰之溶入量可控制溶劑之適當溫度。
D 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 cosα h = R − R cosβ
D E = W [(R − R cosα) – (R − R cosβ)]
= WR (cosβ − cosα) (kgf•m)
D 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。
D 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。
D 若σm = 0，則σmax = σa，σmin = −| σa |，屬於雙向 反覆應力。
D 若σmax = 0或σmin = 0，屬於單向反覆應力。
D 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
D 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。
D 最佳之載荷方式乃施加於旋轉中的(試樣)樑上。
◎ (pp. 103, 圖4-20 )
D 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。
D 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)。
D 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)。
D 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。
D 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】
D 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。
D 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 D 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
D 當時間t限定時，可求其總變形量εt。
D 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。
D 先將試樣磁化，再施以一薄層之乾磁粉。
D 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。
D 鑄造廠、鍛造廠。
D 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。
D 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。
D 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)。
D 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。
D 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。
D 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。
D 一門專門學問，稱為金相學(metallography)。
※ 光學顯微鏡 D 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) D 20 ~ 100,000倍
※ 穿透式電子顯微鏡(TEM) D 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) D 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) D 可以直接觀察原子。
※ 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM) D 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) D 熱固性樹脂、化固性樹脂 D 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
D 使用一系列由粗而細的砂紙將試樣逐次研磨。
D 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。
D 蝕刻(etching)。
D 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
D 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。
D 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
D 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。
D 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。
D 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
D 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.
