§ 3-5 加工硬化
※ 冷加工進行時，起初金屬之塑性變形甚易，其後則 愈來愈困難，此乃因金屬強度隨冷加工量增加而逐漸 增強的緣故。
D 加 工 硬 化 (work hardening) 或 應 變 硬 化 (strain hardening)
※ 硬化 ↔ 強化。
※ 冷加工量(CW)以加工後截面積之減少量百分率表示 如下：
式中，CW：單位為%Red. (面積減少百分率) Ao：原截面積
Af：冷加工後截面積
% 100 ]
[ − ×
= Ao A CW Ao f
※ 加工硬化的程度與冷加工量有一定的關係，下式係 由實驗數據累積分析而得的經驗式：
式中，σtr：真實應力(true stress) = F：加工完成時的最大作用力 εtr：真實應變(true strain) =
ln：自然對數
Lo、Lf：加工前後的長度
A、B、n：隨金屬材料種類而異的常數，須 由實驗決定之
D ∵
∴
n tr
tr
= A ( B + ε )
σ
Af
F
f o o
f
A A L
L ln
ln =
) 1
1 ln(
ln − −
−
=
= ε
o f o
f o
tr A
A A
A
A log(1 )
303 .
2
1 − CW
−
=
n tr = A[B − 0.4342 log(1− CW )]
σ
D 可以計算在某種程度冷加工CW量後，材料的真實 應力值。
D n又稱加工硬化指數，為式中最具意義之值，通常n 小於1，故強度之增加並不與冷加工量成直接比例。
※ 金屬之加工硬化現象，也可用差排的移動加以解 釋。
D 在作用力持續不斷時，符號相反的差排若非互相移 近即互相遠離。
D 移近時，因各自應力場內應力之消除，而產生吸 力，直到兩者相遇乃互相抵消。
D 遠離時，各自向晶粒界面靠近，最後消失於界面 處。
D 如此乃導致差排不斷消耗、消失，結果必然導致金 屬材料之增強。
※ 當某一差排被障礙物(包括粒界、雜質、其他差排等) 封鎖，則在作用力持續下，其他同符號之差排也會陷 在後面，同被封鎖，結果滑動變得愈來愈困難，材料 乃相對增強。
※ 如果作用力再增大，迫使被封鎖之差排群聚合，產 生空隙，則空隙終將擴展成為裂縫，使材料損壞。
§ 3-6 加工對金屬材料之顯微鏡組織 及機械性質之影響
※ 冷加工 D 冷加工量增大 D 金屬晶粒被擠壓變形 D 破碎、伸長。
※ 冷加工有強化金屬材料的功效。
D 純鐵、純銅、純鋁等軟質的材料無法藉著熱處理 予以強化，只能利用足量冷加工(如冷抽、冷軋、冷 鍛等)使其強度增大到適為所用。
※ 熱加工因係在再結晶溫度以上進行，其加工後形成 之破碎晶粒立刻再結晶成多邊形、未受加工影響之晶 粒，故無加工硬化的現象發生。
※ 熱加工後的顯微鏡組織隨加工量及加工完成之溫度 而定，愈接近再結晶溫度者，晶粒愈細，加工量愈大 者晶粒愈細，反之則晶粒愈大；若完工溫度低於再結 晶溫度，則有冷加工的影響。
D 冷加工量 增加
D 抗 拉 強 度、視彈 性限、洛 氏硬度增 高；伸長 率 ( 延 性 ) 降低
D 愈 加 工 愈困難。
§ 3-7 加工後之退火回復、再結晶
、晶粒生長及機械性質之變化
※ 冷加工後 D 強度增高 D 硬度、脆性增加。
※ 退火(annealing)：加工後，吾人為令材料軟化，使 具有適當的延性，必須將工件加熱到適宜的高溫，此 一操作稱之為「退火」。
簡單地定義為：「加熱使材料軟化的操作」。
※ 回復(recovery)：退火時，加工後的材料隨著溫度上 升，逐漸發生一連串的變化，這一時期的退火，殘留 應 力 可 被 消 除 ， 稱 為 「 回 復 」 ，亦即應力弛釋期 (stress-relief period)，冷加工後金屬材料內部的巨大 殘留應力逐漸弛釋。
※ 再結晶(recrystallization)：抗拉強度直線下降(意味著硬度的 下降)、伸長率及斷面縮率均急速上升(意味著延性增高)，這 一段時期稱為再結晶或軟化(softening)期。
※ 再結晶溫度(recrystallization temperature)：退火時強度(或硬 度)呈現急速下降之溫度稱為再結晶溫度，在此溫度下，變形 之晶粒又重新孕核、再成長，隨著溫度繼續升高，即可形成 未受加工影響特性之晶粒。
也可定義為：「冷加工金屬其晶粒可以重新凝核、生長之最 低溫度」。
◎ (pp. 67, 圖3-22：冷加工後的金屬在加熱至高溫過程中(保溫時 間一定)的變化情形)
D A、B、C：溫度尚低時的退火狀況，其組織沒有什麼變 化，機械性質的曲線(包括斷面縮率、抗拉強度、伸長率)尚為 水平(不變)。
D D~H：晶粒逐漸由伸長型「再結晶」為正常晶粒的過程。
D I~M：呈現明顯的晶粒長大趨勢，其退火溫度已遠高於再結 晶溫度，此一時期稱為晶粒生長(grain growth)期。
(及圖3-24：D~F)
※ 再結晶溫度受許多因素影響，如：
1. 隨冷加工溫度的降低而下降 2. 隨冷加工量之增加而下降 3. 隨純度之提高而下降
4. 隨退火加熱時間之增長而下降 5. 隨加工前之細晶粒而下降 等
※ 自低溫至熔融皆為單相之金屬及合金必須冷加工達 一臨界值(如3 %或5 %)後，加熱至再結晶溫度，才會 發生再結晶的現象；但具有相變態本質的金屬及合 金，只要溫度超過變態點，無論是否受過冷加工均會 再結晶產生新相(參閱§6-2及圖6-1，pp. 141)。
D 在同一再結晶溫 度下(260 °C)，退 火 不 同 的 時 間 對 黃 銅 顯 微 鏡 組 織 及 機 械 性 質 的 影 響 。 顯 見 退 火 之 初 期 ， 抗 拉 強 度 下 降 不 快 ， 導 電 度 之 恢 復 亦 緩 ， 是 為 再 結 晶 現 象 之 「 孕 育 期 」 (incubation
period)。
D 只要溫度保持不 變 ， 平 衡 狀 態 即 可 永 遠 維 持 。 退 火 溫 度 愈 高 ， 孕 育 期 愈 短 ， 且 晶 粒易於生長。
◎ (pp. 69, 圖3-24：退火溫度不同對七三黃銅顯微鏡組 織及機械性質的影響)
D 由諸曲線之轉折點知，七三黃銅的再結晶溫度約 為500 °F (260 °C)。
D 在260 °C以下的溫度退火一小時，則顯微鏡組織及 機械性質均無變化。
D 高於260 °C之退火，則溫度愈高，抗拉強度、硬度 愈低，伸長率(延性)愈大。
D 高於540 °C的退火，晶粒呈現明顯的長大跡象。
D 高於650 °C的退火，伸長率反而與強度、硬度一同 降低，這點具有特殊意義。
D伸長率曲線之再度下降，即因晶粒過度成長之故。
D 金屬材料之晶 粒 愈 細 者 ， 強 度 愈 大 ， 故 晶 粒 生 長 的 現 象 在 工 程 上 ， 須 受 適 當 控 制 ， 以 免 晶 粒 過 份 成 長 ， 反 而 害 其機械性質。
※ 異常粗大之晶粒 稱 為 「 偉 晶 」 (germination) ， 在 材 料 尚 待 進 一 步 加 工 時 ， 尤 要 防 止 ， 否 則 再 加 工 表 面 易 生 橘 皮 (orange peel)狀。
※ 再結晶須有冷加工在先(具有相變態本質者除外)，但 晶粒生長則不必要，任何晶粒的金屬材料在高溫下受 熱，晶粒都會生長，溫度愈高晶粒之生長愈快。
§§ 作業：
1.
2.
6.
8. 何謂加工硬化？
10.
12. (a)、(b)、(c)、(e)、(f)、(m)、(n)、(u)、(v)
