Transcript 力學及材料概論 - 中華民國工業氣體協會

98年度鋼瓶安全檢驗站基礎教育訓練
物理計量單位、力學及材料概論
中華民國工業氣體協會
物理計量單位






長度/面積/體積的單位
質(重)量
壓力
溫度
熱量、比熱
密度及其他
物理計量單位
計量單位前的常用的倍率分率代號
倍數和分
數名稱
兆
百萬
千
分
厘
毫
微
代號
T
M
k
d
c
m
μ
說明
1012
106
資料來源:度量衡國家標準實驗室
103 10-1 10-2 10-3
10-6
物理計量單位
單位符號之縮寫
MKS制
名稱
英譯
代號
長度
米(公尺)
meter
m
資料來源:度量衡國家標準實驗室
容量
公升
liter
l
質量
千公克 (公斤)
kilogram
kg
物理計量單位

單位符號之縮寫
時
面
積
間
體
積
平方米 立方米
名稱
時
分
秒
英譯
hour
minute
second
Sq.
meter
代號
hr
min
sec
m2
英 制(長度與重力)
英吋
英呎
磅
cu.
meter
inch
feet
pound
m3
in
ft
p
物理計量單位

質量單位換算
單位
公噸
公斤
公克
磅
盎斯
代號
t
kg
g
p
ounce
1
1000
2.2
35.274
0.454
453593
1
16
換算率 0.001
0.000454
Ps:英制的磅, 有pound (p)重量單位/ libra (lb) 指重量的多少數量
物理計量單位

壓力單位換算
常用的單位有kg/cm2,Mpa,psi….
單位
百萬
帕斯卡
巴
公斤/平 磅/平
方公分 方英吋
公分
水柱
厘米
汞柱
大氣壓
代號
MPa
bar
Kg/cm2
psi
cmH2O
mmHg
atm
換算
率
0.098
0.98
1
14.22
1000
735.6
0.967
0.101
1.013
1.033
14.696
1033.2
760
1
物理計量單位

計算例：
潛水伕潛入100米深得海底工作，請問潛水伕是在多少大
氣壓力之下的工作環境中工作？
100÷10(mH2O)=10
10x0.967=9.67 (atm)
Ans: 9.67 atm
物理計量單位

計算例：
1支DOT 3AA2265的鋼瓶應該用多少kg/cm2的壓力做耐壓
測試？
2265 ÷14.22＝159.3
159.3× 5/3 ＝265.5 (kg/cm2)
Ans ： 265.5 kg/cm2
物理計量單位
溫度換算
 絕對溫度(K) = 攝氏溫度(℃)+273
 攝氏溫度(℃)
= 【華氏溫度(℉) -32 】× 9/5
華氏溫度(℉)
= 攝氏溫度(℉) ×9/5+32
物理計量單位

熱能單位換算
註:BTU:British Thermal Unit
英制熱量計量單位
單位
焦耳
千卡
千瓦小
時
BTU
代號
j
kcal
Kw-hr
BTU
換算率
4187.6
1
0.00116
3.969
1055075
251.95
0.293
1000
物理計量單位

計算例：
40L的鋼瓶水壓後用熱水加熱沖洗3分鐘，水流量20L/min，
約需耗掉多少能源？
1 ×(90 －23) ×20 ×3 ＝4020 kcal
4020 ×0.00116=4.66(kw-hr)
Ans:4.66 kw-hr
物理計量單位

功率換算
單位
千瓦 公斤米/秒
馬力
代號
kW
Kgm/s
HP
換算率
1
101.97
1.341
0.746
76
1
千卡
/小時
BTU
/分鐘
BTU/
小時
Kcal/hr BTU/min BTU/hr
860
56.85
3413
642.4 42.462
2544
物理計量單位

計算例：
1部20馬力的空氣壓縮機,稼動率30%,問此壓縮機啟動後每
小時需耗能多少？
0.746×20×0.3＝4.476kw-hr
Ans：4.476kw-hr
物理計量單位

密度/速度單位換算
密度
單位
速度
公克/公分3 磅/英吋3 公里/小時 英哩/小時
代號
g/cm3
lb/in3
km/hr
mile/hr
換算率
1
0.03613
1
0.621
27.678
1
1.609
1
物理計量單位

容積單位換算
單位
公秉
公升
公撮
立方公
尺
立方英
呎
美加侖
代號
kl
l
ml
m3
ft3
gal
換算率
1
1000
1000000
1
0.028
28.31
28316 0.0283
35.316 264.18
1
7.48
物理計量單位

計算例：
氣瓶水容積40L，充填壓力150kg/cm2的壓縮氣體，氣體的
量有多少的立方英呎 cu-ft(ft3) ？
40X150=6000
35.316X6=211.896≒212 cu-ft
Ans: 212cu-ft
力學與材料概論

力學的主要分類
剛體力學
固體力學
非剛體力學
靜力學
動力學
運動學
材料力學
彈性力學
力學
理想流體力學
黏性流體力學
流體力學
壓縮性流體力學
塑性力學
力學與材料概論

靜力學
討論平衡力系的問題。

運動學
討論物體或質點運動時的幾何性質

動力學
討論物體或質點上的不平衡力系、慣性及不平衡力系所產
生之運動的關係。
力學與材料概論
依力的作用方式__依作用方式



外力
指物體所受之作用力來自物體的外界者，稱為外力。
內力
指物體受外力之作用，其內部相應產生之抵抗力，為內
力。
內力是伴隨者外力作用而產生，二者為作用力與反作力的
關係，且彼此大小相等，方向相反。
力學與材料概論
依物體的受力部位
 接觸力
與物體有相接觸之作用力稱之為接觸力。

非接觸力
物體不需接觸而有力作用者稱之為超距力。
力學與材料概論

力的三要素
大小
方向
作用點
力學與材料概論
力的效應
 外效應
外力作用於 剛體 上，使物體產生 運動狀態之改變 ，稱
之為 力的外效應 。 (應用力學)

內效應
外力作用於 非剛體 上，使物體產生 形變 及其內部產 內
生應力 以 抵抗外力 的現象，稱之為 力的內效應 。(材料力
學)
力學與材料概論
力的單位
 絕對單位
CGS制→達因(dyne)：使 質量１g 的物體，產生 １cm/sec2 之加速度
所需要之力。
MKS制→牛頓(newton)：使 質量１kg 的物體，產生 １m/sec2 之加速
度所需要之力。

重力單位
CGS制→公克重(gm)： 質量１g的物體，在緯度45°的海平面上，所
受地心引力大小，稱為 １公克重 。
MKS制→公斤重(㎏)： 質量１kg的物體，在緯度45°的海平面上，所
受地心引力大小，稱為 １公斤重 。
力學與材料概論

彈性係素
力學與材料概論

彈性係數(或稱為楊氏係數)
從張力試驗所得的應力-應變圖，如上圖所示，
可知材料在比例限度內呈直線變化--OP線段，即
在此範圍內，應力(σ)與應變(ε)恆成正比例。
此一關係稱為虎克定律(Hooke's law)

安全係數
材料所受之應力必須遠在比例限度之下,此應力
稱之為工作應力,工作應力與比例限度之比值即為
安全係數.
力學與材料概論

各種材料之安全係數 (例)
材料種類
質脆金屬
靜負荷
覆變負菏 交變負荷
衝擊
4
6
10
15
軟鋼
3
5
8
12
木材
7
10
15
20
混凝土
5~20
～
～
～
力學與材料概論

薄壁圓筒之應力
若圓筒之壁厚(t)與其半徑(r)相比為甚小時(ｔ＜ｒ／10)，
則稱此圓筒為薄壁圓筒(thin- Walled Cylinder)，如水管、
瓦斯筒、鍋爐管及鋼瓶等均屬之。由於筒內受均勻內壓力作
用，故在筒生上產生兩方向之正交應力 其中，與軸向垂直
之應力，稱為周向應力，即縱截之應力(σ1)；而沿圓筒軸
向之應力，稱為縱向應力即橫截面之應力（σ2）。薄壁圓
筒的周向應力為縱面應力的兩倍，即其縱截面為此圓筒的危
險截面。故無特別指明時，薄壁圓筒的應力( σt )當以周
向應力計算之。即
力學與材料概論

熱應力
溫度變化時 ，絕大多數的材料均有熱脹冷縮的現象。當
溫度升高或降低時，其產生的伸長 量或收縮量(δT)為
δT=αLΔT
當材料兩端均受限制，當溫度升高或降低時皆無法變形，
故其內部產生壓應力或張應力，此種應力均稱為熱應力
( thermal stress)，以σr表示。
δr=-EεT
力學與材料概論

萬有引力（Gravitation）,常亦稱為重力（Gravity）
指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢。

重力︰
在地面或地面附近物體受到地球吸引的萬有引力和隨地
球自轉所需的向心力相減的合力。符號是W,
W=mg
m表示物體的質量 ,g表示物體所在點的重力加速度，一般計算採用
標準重力加速度，即g=gn=9.80665m/sec2。
重力的SI單位是牛頓(N） 。
力學與材料概論

力矩
力矩是一個旋轉力。等於作用在槓桿上的力乘以支點到
力的距離。

扭矩又稱為轉矩 .
使機械元件轉動的力矩或力偶稱為轉動力矩,簡稱轉矩.
力矩是由一個不通過旋轉中心的力對物體形成的，而力
偶是一對大小相等、方向相反的平行力對物體的作用。
扭矩的計量單位為公斤力·米等
力學與材料概論

鎖緊扭矩(例)
氣瓶材質
螺 紋 規 格 鎖緊扭矩(建議範圍) 備註
鋁 合 金 瓶 0.750-16 UNF
8.4-10 Kg.M
2B
鋁 合 金 瓶
0.625-18 UNF
2B
碳 合 金 瓶 3/4" NPT Male
碳 合 金 瓶
1" NPT Male
8.4-10 Kg.M
34.7 Kg.M
48.6 Kg.M
力學與材料概論

摩擦力
兩個表面接觸的物體相互接觸時互相施加的一種物理力
F=μFN

μ:摩擦係數
固體表面之間的摩擦力
滑動、 滾動、 滾壓(兼有滑動與滾動運動時)、 轉動摩擦

最大靜摩擦
力學與材料概論
名詞說明:
 金屬、合金、非金屬
 金屬材料的組織_
 金屬及合金的狀態_
 金屬的塑性加工和塑性變形_
力學與材料概論
金屬材料的組織
 金屬的晶粒_
 金屬的結晶構造_
 結晶的面和格子直線
力學與材料概論

金屬的晶粒
把金屬材料折斷時,在斷口處可以看到很多微細的粒子,這
種粒子就稱為金屬的晶粒。

金屬的結晶構造
依照晶粒排列的方式可將其分類為：體心立方格子、面
心立方格子、 六方密格子。
力學與材料概論
金屬及合金的狀態
 純金屬的熔解、凝固及平衡
 相律
 多元合金的平衡
力學與材料概論
金屬的塑性加工
 塑性加工_彎曲,拉長,鎚扁,打圓等.
 熱加工/冷加工
 鍛造/軋延/拉製/板金壓製/擠製
力學與材料概論
金屬的塑性變形
 結晶格子內原子間的作用力
 結晶的滑動產生變形
 由雙晶所產生的變形
 單結晶的強度
 差排_刃狀或螺旋
力學與材料概論
金屬材料的物理性質
 比重
 比熱
 膨脹係數
 導熱度
 比電阻
 磁性
力學與材料概論
金屬材料的機械性質
 彈性限
 比例限
 彈性係數
 降伏強度
 材料疲勞
 抗拉強度
 伸長率
力學與材料概論
鋼鐵的製造
 鼓風爐、平爐、轉爐、電爐
鋼的熱處理
 退火(annealing) 、淬火(quenching) 、回火(tempering)
力學與材料概論
退火annealing
 定義
把鋼料加熱到適當溫度,保持適當時間後使它慢慢冷卻.

目的
(1)消除高溫加工時所產生的應力 (2)降低硬度(3)改良機械
切削性或常溫加工性(4)調整結晶組織(5)得到所希望的機械
性質或物理性質(6)消除化學成分的不均勻性等.

種類
分完全退火及軟化退火.
力學與材料概論
淬火quenching



定義
把鋼加熱到適當溫度,保持適當的時間後,使它急冷.
目的
這個作業可以讓鋼材在溫度與組織的變化過程中,阻止發
生波來鐵變態,而得到高硬度的麻田散鐵組織.
影響淬火效果的因素
主要取決於淬火液的(1)比熱(2)導熱度(3) 黏性(4) 揮發性
(淬火液從鋼材奪取熱量的速度越快,則淬火的效果越顯著)
力學與材料概論

理想淬火
把鋼淬火時,採用一種理想的冷卻方法,讓鋼的表
面在淬火的瞬間冷卻到淬火液的溫度,能達到這種
條件的淬火,就稱為理想淬火。以這種冷卻速度把
某一直徑的鋼施行淬火時,如果中心部分的組織剛
好變為麻田散鐵50%和肥粒散鐵50%,這個直徑叫
做淬火直徑(或理想直徑)
力學與材料概論
淬火硬化能
 不同的鋼各有他特有的淬火硬化能力,這種能力叫
做硬化能(hardenability),通常以淬火時硬化的深度
作為比較的準則,而與淬火時所得硬度之大小無關.
 影響的因素有
(1)材料的化學組成(2)晶粒度(3)碳化物的量,性質與
分佈(4)鋼材的形狀與尺寸(5)表面狀態(6)淬火液的冷
卻能力
力學與材料概論
淬火quenching
 深冷處理sub-zero cooling
淬火後的鋼冷到室溫時,如果尚殘留沃斯田鐵組織,則將溫
度繼續降到0℃以下,則變態會繼續進行,而使殘留的沃斯田
鐵的量更減少,如此可得到更高的硬度.
淬火溫度
鋼的成分決定其淬火溫度, 過高的溫度會使沃斯田鐵晶粒
生長變粗,造成淬火後的機械性質不良,甚至裂痕.
力學與材料概論
回火 tempering
 定義
把淬火鋼加再熱到變態點A1以下的適當溫度,以改善其特性

目的
除去淬火鋼的內部應力,並調節硬度以取得適當的強韌性

回火 期間主要的變態
(1)由體心正方形α麻田散鐵析出碳原子(2)殘留沃斯田鐵的
變態(3)雪明碳鐵變態(4)雪明碳鐵凝集
力學與材料概論
回火 tempering
 回火脆性
 低溫回火/高溫回火
 恆溫回火
 麻回火
 麻淬火
力學與材料概論

高壓氣體容器常用之碳合金鋼之化學成分
材質
C
Si
Mn
P
S
Cu
錳鋼
0.34~
0.4
0.15~0.
3
1.35~1.
65
≦
0.03
≦
0.01
5
≦0.3
鉻鉬鋼
0.3~0.
35
0.2~
0.35
0.4~
0.8
≦
0.03
≦
0.01
5
0.3~
0.35
0.15~
0.35
0.6~
0.85
≦
0.02
≦
0.01
特殊鉻鉬
鋼
Ni
Cr
(例)
Mo
V
O
__
__
__
__
__
≦
0.3
≦
0.25
0.8~
1.1
0.15~
0.25
__
__
≦
0.15
≦
0.15
0.9~1.
1
0.35~
0.45
0.07~
0.15
≦
0.0015
力學與材料概論
高壓氣體容器常用之碳合金鋼
 Cr-Mo鋼
硬化能大,對於回火的軟化抵抗性高,回火脆性的傾向小,
回火到高溫時可得韌性、 強度、 硬度都高的強韌組織，
所以氣瓶中大量採用此種材質,但因會與CO反應,造成
強度降低,所以不適於充填含CO的氣體。

Mn鋼
硬化能大,但對於回火的軟化抵抗性較Cr-Mo鋼低,回火脆性
的傾向較Cr-Mo鋼高,但Mn比Ni及Cr便宜,同時不與CO反應,
所以一部分的氣瓶會使用這種材質。
力學與材料概論
其他金屬
銅及銅合金
 鋁及鋁合金
 鎂及鎂合金
 鎳及鎳合金
 其他

力學與材料概論
銅






具有良好的導電性及導熱性
純銅質軟,不適合做構造材料
空氣中有濕氣及CO2時,會產生碱性碳酸銅
熔點 1083±0.1℃
比電阻 1.6730μΩ-cm
比重(20℃) 8.96
力學與材料概論
鋁




重量輕,比重(20℃)僅2.689
純鋁強度低
導熱度,導電度,耐蝕性良好
容易被稀薄的無機酸類腐蝕,但能抵抗大多數的
有機酸
力學與材料概論

鋁的陽極化處理 (alumite)
將鋁製品做為陽極,將該製品放入電解槽中,
以 5~10﹪草酸水溶液, 5~25﹪硫酸水溶液,
或5~10﹪鉻酸水溶液為電解液進行電解,在
製品的表面形成一個緻密化的氧化膜
(Al2O3) .
力學與材料概論
鋁合金
分構造用/鍛造用
 鋁合金的時效硬化
 高壓鋁瓶常用之鋁合金
5283/ 6082/ 7060HP

力學與材料概論

鋁合金之抗拉強度 (例)
合金種類
抗拉強度
(MPa)
降伏強度
(MPa)
伸長率(%)
5283
345
6082
330
7060HP
460
285
290
390
12
14
16
力學與材料概論

碳系合金與鋁系合金氣瓶之比較
項目\ 合金系類別
容許應力與忍受覆
變負荷的能力
表面硬度
內表面毛細孔及粗
糙度
碳合金
較高
鋁合金
次之
高
普通
普通
較光滑
重量
較重
較輕
購置成本
普通
相對較高
Thanks
如有指教或聯絡，請Mail to:
[email protected]
游仁傑