Transcript 金屬材料的性質及試驗

第2章 金屬材料的
性質及試驗
2-1物理性質
2-2機械性質
2-3材料試驗
2-1物理性質
金屬材料的物理性質主要牽涉到與溫度、磁性、
電性及重量有關的性質，常用的物理性質如下：
主要金屬元素的物理性質如表2-1 所示，茲說明
如下：
2-1
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2-3
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EXIT
2-1物理性質
1.比重
比重（Specific gravity）是物體的重量與同體積
4℃的水重量之比值。一般金屬的比重均比1 大，
所以均易沉入水中；金屬中之鋰、鈉、鉀三元素
比重小於1。就工業上的區分方式，比重大於4之
金屬稱為重金屬，如鐵、銅、鎳等均屬之；比重
小於4 之金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦等均屬
之。對於一般金屬，經塑性加工者比重較大，鑄
造成形的鑄件之比重次之，粉末冶金之製品，因
屬於多孔性的製品，所以密度較小，其比重為最
小。
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2-1物理性質
2.比熱
比熱（Specific heat）係1g 的物質升高溫度1℃所
需的熱量稱之為比熱。比熱的單位為卡
（cal/g℃），其值隨溫度的上升而上升。水的比
熱為1cal/g℃，乃物質中最大者，金屬或合金之
比熱均小於1。
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2-1物理性質
3.熔點
熔點（Melting point）是指金屬在一大氣壓力之
下，開始熔化的溫度。因材質的不同，各種金屬
材料的熔點均不相同，但同一種金屬的熔點則為
一定。例如：鎢熔點為3400℃左右，汞熔點為38.6℃。而合金材料的熔點大多為一個溫度範圍，
從開始熔化到完全熔化溫度相差數度至
數十度不等，依合金的成分而異。例如：鋁合金
的熔點約為500～650℃，銅合金約為800～
1100℃，鋼約為1100～1500℃等。
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2-1物理性質
4.電阻係數
水管的截面積愈大，水愈容易流通，水管愈長，
阻力愈大，所以，水愈不易流通，也就是水流的
阻力與水管的截面積成反比，而與水管的長度成
正比。根據實驗結果，電阻亦有相似關係；導線
的電阻與其截面積成反比，而與長度成正比。若
以數學式表示，可寫成比例關係或等式關係，如
下所示：
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2-1物理性質
電阻係數的倒數又稱之為導電係數（Coefficient
of conductivity），可表示材料導電能力的高低，
導電係數愈高，代表導電性愈好，其單位為 。
金屬材料中導電度最高者為銀，其次為銅、金、
鋁等；然因銀的產量少而價錢昂貴，所以，一般
均以銅、鋁為導線材料。金屬的電阻隨溫度的上
升而增大；純度愈高，導電度就愈高；
所以，合金的導電度較成分金屬的導電度為差。
茲舉一例說明本公式的應用方法。
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2-1物理性質
2- 1
鋁導線長100 米，直徑為3 毫米，已知鋁在20℃時
的電阻係數為2.8×10-6 歐姆-厘米，求此時的電阻
值。
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2-1物理性質
2- 1
鋁導線長100 米，直徑為3 毫米，已知鋁在20℃時
的電阻係數為2.8×10-6 歐姆-厘米，求此時的電阻
值。
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2-1物理性質
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2-1物理性質
5.導熱度
導熱係數（Thermal conductivity）是以每邊長1
公分的立方體上相對兩面溫差1℃時，每秒鐘由
高溫面傳導至低溫面的熱量稱為導熱度。
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2-1物理性質
金屬材料中導熱度最好的為銀，其次為銅、金、鋁
等。導熱度的高低一般可依下列原則來判別：
(1)金屬的純度愈高導熱度愈好，所以一般合金的導
熱度相對較差。
(2)溫度愈高時，導熱度愈差。
(3)經壓縮變形加工如鍛造或軋延時，其導熱度將較
鑄造後未加工之材料高。
(4)含有不純物時導熱度將降低。
(5)導熱度小的材料，加熱過程中溫度分布較不均勻，
冷卻時內外溫差大，容易產生變形或龜裂。
(6)一般導電度愈好之材料，其導熱度亦較佳。
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2-1物理性質
6.熱膨脹係數（Coefficient of thermal expansion）
材料每加熱升溫1℃時，其沿長度方向長度的增
加率稱之為線膨脹係數。所謂增加率係指長度增
加量與原長度之比值。若就體積方面考量，則體
積增加率為體積的增加量與原體積之比值稱為體
積膨脹係數。普通金屬中鋅（Zinc）的熱膨脹係
數最大、鉛（Lead）、鎂次之。高熔點的鎢、鉬
最小，一般熔點低的金屬，其熱膨脹係數亦大。
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2-1物理性質
7.磁性
磁鐵靠近鐵塊，鐵塊會被吸住，是因為磁鐵所產
生的磁場使鐵塊磁化並具有和磁鐵相反磁性的磁
場，所以鐵塊與磁鐵會相互吸引，此種現象稱為
磁性（Magnetism）。依照物質被磁場磁化的強
度可將物質分為三大類：
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2-1物理性質
(1)把金屬材料靠近磁鐵時，若產生與磁鐵相反之
極性而磁化強度大者，並能將磁力線高度集中的
材料稱之為強磁性材料或鐵磁性材料。這類的材
料有鐵、鈷（Cobalt）、鎳（Nickel）及釓
（Gadolinium）四種元素。
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2-1物理性質
(2)若產生與磁鐵相反之極性而磁化強度微弱者，
無法相互吸引，其強度為鐵磁性材料的千或萬
分之一，此種材料為常磁性或順磁性材料。大
部分金屬及合金都是順磁性材料，如鋁、鉻
（Chromium）、錳、鉑等。
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2-1物理性質
(3)若產生與磁鐵相同之極性而磁化強度微弱且
無法互相排斥者，稱為反磁性材料，如金、銀、
銅、銻、鉍等。所有具磁性的材料當被加熱升溫
時，其磁性將逐漸消失，當磁性完全消失時的溫
度稱為居里點（Curie point）；高於居里點時，
鐵磁性材料即轉變為順磁性材料。純鐵的居里點
為768℃、鎳為358℃、鈷為1131℃、釓為16℃，
所以，釓在常溫時是無磁性者。
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2-2機械性質
金屬材料除具優異的物理性質之外，真正廣為工
業界所喜用者即為其具有絕佳之機械性質。金屬
材料的機械性質有下列數項重要性質：
強度（Strength）是指材料在某橫截面上抵抗外
力的能力。依外力施加方式可分為下列數種：
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2-2機械性質
1.抗拉強度
抗拉強度（Tensile strength）為材料某截面抵抗
拉力免於被破壞的能力，一般可依拉伸試驗在材
料拉斷前的物體截面上所能產生的最大應力表示，
其單位為N/mm2 或MPa。
2.降伏強度
對於塑性材料承受外力產生永久變形所需的最小
應力稱之為降伏強度（Yield strength），單位為
N/mm2 或MPa。
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2-2機械性質
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2-2機械性質
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2-2機械性質
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2-2機械性質
3.抗壓強度
抗壓強度（Compressive strength）為材料抵抗壓
力免於被破壞能力，即一般材料壓裂前的物體截
面上所能產生的最大應力，其單位為N/mm2 或
MPa。
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2-2機械性質
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2-2機械性質
4.抗剪強度
材料承受外力，外力可能是拉力或壓力並且外力
是垂直截面的橫向破壞（有如刀切豆腐，刀切方
向即為外力方向），若材料是沿與外力方向平行
的截面產生破壞，破壞前的最大抵抗能力，稱為
抗剪強度（Shear strength）。一般材料的抗剪強
度為抗拉強度的1/2，且約為抗扭強度的4/5 ，單
位為N/mm2 或MPa。
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2-2機械性質
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2-2機械性質
5.抗扭強度
材料承受外力的作用，外力有使材料產生旋轉之
趨勢，此等外力稱為扭力。材料抵抗扭力的作用
而不致產生破壞的最大抵抗能力者稱為抗扭強度
（Torsional strength），單位為N/mm2 或MPa。
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2-2機械性質
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2-2機械性質
6.疲勞強度
材料受到外力作用且此種外力是反覆作用（拉力
／壓力或拉力／拉力的反覆作用）而不致破壞之
最大應力者稱為疲勞強度（Fatigue strength）。
7.潛變強度
在高溫之下，材料若長時間承受一定之外力作
用，隨時間的增加，材料會發生緩慢而連續的
變形，此種現象稱之為潛變。材料發生某一定
潛變量前所能抵抗的最大強度稱之為潛變強度
（Creep strength）。
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2-2機械性質
硬度（Hardness）是材料承受外力作用時，材料
表面抵抗外力穿透或凹陷的能力稱之。硬度大的
材料其延展性相對較低，且耐磨性佳。一般硬度
與強度大小成正比，並可依硬度試驗機測出材料
的硬度。硬度值之測量有勃氏（HB）、洛氏
（HRB 或HRC）、維克氏（HV）及蕭氏（HS）
等主要測試方法。
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2-2機械性質
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2-2機械性質
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2-2機械性質
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2-2機械性質
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2-2機械性質
延展性係指材料在破壞前的最大塑性變形量。一
般延性好的材料，其展性未必佳；但展性好的材
料其延性亦佳，茲分述如下：
1.延性
材料具有拉成細絲之性質稱為延性（Ductility）。
一般常以伸長率表之。例如：銅、鉛、鋁等均具
有很大的延性。
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2-2機械性質
2.展性
材料具有輾成薄片之性質稱為展性（Malleability），
一般常以斷面縮率表示。例如：金、銀等均具有很
大的展性。一般機械材料
具有較大延性者，其展性亦佳。如金、銀、銅及鐵
之延展性均佳；然而亦有例外者，如鉛的展性大而
延性小，故鉛祇能軋成薄片，而不能抽成細絲。
為便於記憶起見可以下式的
口訣記憶之口訣：延成線，展成面
延展性主要是以伸長率及斷面縮率來表示之。茲說
明如下：
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2-2機械性質
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2-2機械性質
2- 2
CNS 2112 之4 號拉伸試片標距尺寸為50mm，最
小截面直徑為14mm；若拉伸試驗後，標距尺寸
為56.4mm，最小截面直徑為12.0mm，求其伸長
率與斷面縮率。
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2-2機械性質
2- 2
CNS 2112 之4 號拉伸試片標距尺寸為50mm，最
小截面直徑為14mm；若拉伸試驗後，標距尺寸
為56.4mm，最小截面直徑為12.0mm，求其伸長
率與斷面縮率。
2-1
2-2
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2-2機械性質
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2-2機械性質
材料的韌性一般是指材料受力（不一定承受衝
擊負荷）時，藉裂縫長大吸收外能以阻止裂縫
繼續擴展而轉入脆性斷裂模式的能力，亦即是
材料抵抗裂縫延伸的能力或抵抗變形的能力。
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2-2機械性質
在工程上，高韌性的材料中，材料受力後達到破
壞前，材料會有一個極大的抵抗變形能力，可產
生預警效果，以便及時更換零件或進行修復工作。
而在衝擊試驗中，材料承受衝擊負荷而斷裂所需
要的能量稱為衝擊值或耐衝擊能力。因此，韌性
與耐衝擊能力並不相同。然而，當材料具有較高
的耐衝擊能力時，材料愈不容易產生不穩定的裂
縫成長，韌性相對也比較
2-1
2-2
2-3
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2-2機械性質
彈性材料於承受外力時發生變形，當外力消失後
能恢復原來形狀之特性稱為彈性（Elasticity）。
材料的彈性變形與外力大小有關，外力愈大，變
形量愈大。與材料的彈性有關的物理量稱為彈性
模數（Modulus of elasticity）。彈性模數與材料
的應力及應變有關，茲分述如下：
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2-2機械性質
1.應力
應力（Stress）是指材料單位面積上所承受的外
力，其單位為N/mm2 或MPa，應力可以外力除
以受力面積得到。
2.應變
應變（Strain）一般是指材料受力變形後，其變
形量與原長之比值，一般單位為mm/mm，為方
便起見，一般可想成是沒有單位。
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2-2機械性質
3.彈性模數或係數
彈性模數或係數（Modulus of elasticity）又可稱
之為楊氏係數（Young's modulus），是材料發生
變形時其所誘生之應力與應變之比值，其應力與
應變成線性正比的關係，又稱為虎克定律。可表
成下式：
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2-3材料試驗
若要利用前述原理來瞭解材料的機械性質，則我
們可利用各種的測試儀器與測試方法加以處理，
此等測試方法分為兩種。其一為破壞性試驗法
（Destructive testing 簡稱為DT），利用外力使材
料表面產生變形甚而破壞的測試方式，以求得其
各項機械性質者稱之。其二為非破壞性試驗法
（Nondestructive testing 簡稱為NDT）。材料的
內部或表面可能存在裂縫（Crack）或缺陷等不
易自外觀得，但又無法施以外力加以破壞測試時，
可採用NDT 的測試方法，求得材料的各項機械
性質。
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2-3材料試驗
1.拉伸試驗
將製成一定規格的試片裝入可作拉、壓、彎曲等
功能的萬能試驗機，如圖2-1 所示。試片固定後，
自試片兩端施以拉力至試片斷裂為止。拉伸試驗
（Tensile test）主要在測試材料的強度及延性，
可得到材料的彈性限、降伏點、降伏強度、抗拉
強度、伸長率及斷面縮率等性質。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
拉伸試片的尺寸有其一定的規定，在作拉伸試
驗時才能夠作一個合理的比較。如圖2-2 所示為
CNS 2112 標準拉伸試片，試片左右對稱。圖中，
L 為標距長，D 為最小截面直徑，R 為內圓角半
徑，P為減縮段長，所有單位均為mm。
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2-3材料試驗
拉伸試驗的實施過程中，必須隨時記錄施加的
荷重及伸長值，試驗完成後，將荷重經應力公
式換算成應力值；而伸長值換算成應變值。繪
製應力-應變曲線圖時，以應力為縱軸，應變為
橫軸，如圖2-3 所示為具有降伏點的材料拉伸後
的應力-應變曲線圖。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
較新型的試驗機有自動繪圖功能，所繪製之曲線
圖形較為精準且省去不少的工作時間。由圖2-3
之應力應變曲線可以看出，拉伸試驗後材料的機
械性質如下所述：
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2-3材料試驗
比例限
如圖2-3 所示之曲線為低碳鋼的應力應變曲線圖。
圖中AB 線段的伸長量隨荷重的增加而成正比的線
性關係增加，此關係符合機械原理中之虎克定律
（Hooke's law）。而以B 點的荷重值除以材料原
斷面積所得之商稱之為比例限（Proportionality
limit）。在此線段內，材料的變形與外力成線性
關係。比例限的計算方式如下式：
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
彈性限
在圖2-3 中，彈性限與上降伏點的位置極為相近，
且不易區分。因此，改以無明顯降伏強度的脆
性材料之應力-應變曲線來說明彈性限，如圖2-4
所示。當荷重超過A 點之後，荷重與伸長量即
不成線性比例；若荷重增加至E 點時，將荷重瞬
間釋放，則材料會恢復原形，此種現象稱為彈
性變形。若以E 點的荷重值除以材料原截面積所
得的商，稱之為彈性限（Elastic limit），為材
料產生塑性變形前的最大應力。其公式如下：
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
降伏強度
在圖2-3 中當荷重超過D 點後，雖然把外力除去
後，材料無法恢復原狀，將會產生永久的塑性變
形。只要再多一點時間，荷重將突然降低至E 點；
接下來的一段時間，荷重在E 及F 點之間，並無
明顯增減，然而材料卻發生了極大的伸長量。從
D 至F 點間應力-應變的變化情形稱為降伏
（Yielding）現象。D 點稱為上降伏點，F點為下
降伏點，D點至F點間的伸長量又稱為降伏點伸長
量。所以，降伏強度是材料抵抗塑性變形的能力。
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2-3材料試驗
在工業界，有降伏點的材料，不用「降伏強度」
而是以「降伏點」稱之。有降伏點之材料，以上
降伏點為其降伏強度，其公式如下：
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EXIT
2-3材料試驗
至於高碳鋼或非鐵金屬材料的降伏點並不明顯，
其應力-應變曲線圖如圖2-4 所示。由圖上的曲線
中並無法找出降伏點，一般可以採用橫距法
（Off-set method）來求其相近的降伏強度，此種
強度稱為安全應力（Proof stress）。首先在橫座
標上取一點K並使得OK線段長度等於標距長L1
（拉伸前在試片上所取之測試長度）的0.2%。
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2-3材料試驗
由K 點作一平行於OA 的延長虛線並交曲線於N
點，則N 點即為降伏點，以N 點的荷重除以原
截面積即為安全應力。其公式如下：
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2-3材料試驗
抗拉強度（Tensile strength）
如圖2-3 所示，當荷重繼續增加並超越F 點後，
隨荷重增加，伸長量亦大幅增加。當荷重增至圖
中M點最大荷重時，此時試片中央部分的直徑發
生急速而集中的縮小現象，此現象稱之為頸縮
（Necking）現象。
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2-3材料試驗
之後，伸長量持續增加而荷重反而降低直到試片
斷裂為止。若以M點的荷重除以原截面積，可得
材料的抗拉強度。其公式如下：
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2-3材料試驗
2.硬度試驗
硬度試驗（Hardness test）中較常用的方法有勃
氏硬度（Brinell hardness，HB）、洛氏硬度
（Rockwell hardness，HRB 或HRC）、維克氏
硬度（Vickers hardness，HV）、蕭氏硬度
（Shore hardness，HS）等，這些試驗法屬於破
壞性質。茲分述如下：
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2-3材料試驗
勃氏硬度
勃氏硬度是以5 或10mm 碳化鎢壓痕器以一定之
荷重壓入材料表面，如圖2-5 所示，在一定時間
（一般硬材料約為15 秒，軟材料約為30 秒）後，
卸下荷重後以顯微鏡測量材料被壓凹處之凹痕直
徑，並利用勃氏硬度值公式求得硬度值
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
2- 3
選取含碳量為0.2%C 的低碳鋼材做勃氏硬度試驗，
並以10mm 之碳化鎢壓痕器以3000kgf之荷重直接
壓入材料表面，而於材料表面形成直徑
8mm 的圓形凹痕，試求材料勃氏硬度值。
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2-3材料試驗
2- 3
選取含碳量為0.2%C 的低碳鋼材做勃氏硬度試驗，
並以10mm 之碳化鎢壓痕器以3000kgf之荷重直接
壓入材料表面，而於材料表面形成直徑
8mm 的圓形凹痕，試求材料勃氏硬度值。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
洛氏硬度
常用的洛氏硬度試驗法依荷重與壓痕器之不同，
可分為下列兩種常用方法（因其壓痕較小，常被
視為非破壞性測試或準非破壞性測試）：
1.HRB：對較軟材料如退火後鋼鐵等，一般均使
用HRB，其中H代表硬度，R 代表洛氏，B 代表
壓痕器型式中的B 尺度。在HRB 中，壓痕器一般
使用1/16 "小圓鋼球（Ball），荷重為100kgf，B
尺度標示顏色為紅色。
2-1
2-2
2-3
2-73
EXIT
2-3材料試驗
2.HRC：對較硬材料如淬火後鋼鐵等，一般均使
用HRC，其中H代表硬度，R 代表洛氏，C 代表
壓痕器型式中的C 尺度。在HRC中，壓痕器一般
使用夾角120°且尖端具有0.2mm半徑圓弧體的金
鋼石圓錐（Cone），荷重為150kgf，C 尺標示顏
色為黑色。
以洛氏試驗法測試時，一般先加壓10kgf小荷重，
壓痕深度為t1；其次，再加大壓力至HRB或HRC
之荷重分別為100kgf 或150kgf，壓痕深度為t2。
卸下壓力恢復至10kgf時，材料因彈性關係回彈
深度為t3。
2-1
2-2
2-3
2-74
EXIT
2-3材料試驗
t1：由小荷重所產生的壓痕深度。
t2：由大荷重所產生的壓痕深度。
t3：除去大荷重，但尚留小荷重時，由於彈性變形
部分的恢復而復原的深度。
t4：加大荷重時所發生的永久變形部分的深度（所
求深度）。
2-1
2-2
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2-75
EXIT
2-3材料試驗
如圖2-6 所示。綜合所施加壓力產生塑性變形的
深度為t4 = (t2-t3)即代表材料的硬度值。試驗機上
硬度之刻度盤上每一刻度代表0.002mm 的深度，
由t4 = (t2 t3) = h 除以0.002mm 得t4/0.002mm =
500h的值即為材料塑性變形的刻度數。愈軟的材
料其刻度數愈多，若以此為準則容易使讀者混淆。
所以，本試驗法採用另一個表示方式。從圖2-7
中可看出B 尺（紅色刻度）與C 尺度（黑色刻度）
一圈均有100 格刻度數，但B 尺的30 刻度對正C
尺的0 刻度，故可把B 尺
看成有130 刻度。
2-1
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2-76
EXIT
2-3材料試驗
2-1
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2-77
EXIT
2-3材料試驗
我們以總刻度數減去材料塑性變形的刻度數的
方式來定義其硬度值公式如下：
2-1
2-2
2-3
2-78
EXIT
2-3材料試驗
以上二式來表示材料硬度值將更容易表達硬度
值的大小關係，即若所得之HRC 或HRB 值愈大
則硬度愈高，反之則否。另外，壓痕深度愈小
所得之值愈高；壓痕深度愈深，材料的硬度值
則相對較低。洛氏試驗法因壓痕器對試片的破
壞量小，使用方法簡單，所得之硬度值亦較精
確。所以，適合此法的材料對象頗多。
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2-79
EXIT
2-3材料試驗
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2-80
EXIT
2-3材料試驗
維克氏硬度
維克氏硬度試驗法有維克氏（Vickers）及微維克
氏（Micro vicro）兩者（因其壓痕較小，常被視
為非破壞性測試或準非破壞性測試），其原理與
操作方法相同，差異如表2-2 所示。二者所採用
的壓痕器端面為四面體且各面為三角形，由側視
圖觀之其夾角為136°之金鋼石方錐，維克式試驗
法及其壓痕器的形狀如圖2-8 所示。
2-1
2-2
2-3
2-81
EXIT
2-3材料試驗
維克氏是以一定壓力壓入材料表面形成一方錐
形凹痕，而維克氏硬度值的計算方式即以荷重P
除以方錐形表面積即得。方錐形表面積的計算
方式可以方錐端面上四個面的三角形面積總和
即是，其公式如下式所列：
2-1
2-2
2-3
2-82
EXIT
2-3材料試驗
其常用的荷重有10、30 及50kg 三種。維克氏的
壓痕器尖而小極適合表面硬化材料與熔接後之材
料使用。
2-1
2-2
2-3
2-83
EXIT
2-3材料試驗
蕭氏硬度
將鑲有小金鋼石圓錐的小撞錘裝於試驗機的垂直
玻璃管內，由一定的高度h0（一般為10"）自由
落下撞擊試片。小撞錘大部分能量消耗在試片上
且使試片產生凹痕，小部分的能量將使小撞錘反
跳至某一高度h，此高度h 即為試片之硬度大小。
如圖2-9 所示，以HS 來表示蕭氏硬度值，其計算
方式如下：
2-1
2-2
2-3
2-84
EXIT
2-3材料試驗
蕭氏硬度試驗法的優點為操作簡單，重量輕，體
積小，攜帶方便，最適合現場硬度試驗用。
各種硬度試驗法的比較如表2-1 所示，由表中可知
各種試驗法的荷重、壓痕器型式、硬度值計算方
法等。
2-1
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2-85
EXIT
2-3材料試驗
3.衝擊試驗
衝擊試驗（Impact test）所使用的試片一般均開有
V型或圓弧溝槽，試片的各部分尺寸均有一定值。
當試驗機上之衝錘由上往下衝擊試片時，將試片
擊斷所需的能量即為試片的衝擊值（Impart
value），以J/cm2 之單位表示。在工程上，材料
的韌性常以衝擊值的大小來表示。所以，衝擊試
驗的主要目的在測量材料的衝擊值，其衝擊值愈
大，韌性亦愈大。
2-1
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2-86
EXIT
2-3材料試驗
常用的衝擊試驗法有沙丕（Charpy）與愛曹特
（Izod）兩種方法。如圖2-10 所示為Charpy 試驗
與Izod 試驗試片安置的方式與衝擊方向。
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EXIT
2-3材料試驗
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EXIT
2-3材料試驗
Charpy衝擊值係以打斷試片所需能量除以試片溝
部的原斷面積表示；而Izod 衝擊值則以直接將試
片打斷所需的能量來表示。
如圖2-11 所示係衝擊試驗的原理及試片尺寸圖。
先把衝錘置於一定高度h1 並將試片裝入下方的
固定裝置處，衝錘瞬間自由落下衝斷試片，試片
斷裂時，吸收衝錘的部分能量，此能量即代表材
料的韌性大小。而衝錘其餘之能量會使衝錘繼續
向前並到達一定高度h2。
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2-89
EXIT
2-3材料試驗
若衝錘的重量為W，迴轉中心至衝錘重心之間距
（迴轉半徑）為R，衝錘自由落下前與垂直線間
之夾角為1，衝斷試片後揚升至高度h2 時與垂直
線之夾角為2 則由機械力學中能量公式可知，在
位置1 及2 的位能分別為
若不考慮其它能量之損失，則試片於衝擊前後所
吸收的能量可表示為U=Wh1 Wh2=WR（cos 2 cos
1），其中U 稱為衝擊值，其單位為kgf-m 或J
（焦耳）。其中，1J = 1N．m；1kgf = 9.8N。
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EXIT
2-3材料試驗
4.疲勞試驗
汽車的傳動軸除了高速迴轉外，尚須承受一定方
向的負荷。傳動軸上某一定點內部所受之應力將
因旋轉的關係產生變動，一下子為拉應力，一下
子為壓應力。應力雖未超過最大變形限界，材料
亦會發生破壞，此種現象稱為材料承受了覆變負
荷。材料承受覆變負荷時，若未超過其塑性變形
的安全負荷，則材料在短時間內並不會發生破壞。
但隨著時間的增加，材料內部亦將發生破壞，此
種破壞稱為疲勞破壞。
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2-91
EXIT
2-3材料試驗
疲勞破壞發生的原因在於材料承受覆變負荷時，
材料表面及內部的缺陷會有應力集中的現象，隨
時間的增加，局部的缺陷會有擴大的趨勢，進而
漸漸傳到全面產生裂縫，終至發生破壞。疲勞破
壞不像其它類型的破壞那麼快速與明顯。
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EXIT
2-3材料試驗
如圖2-12 所示為疲勞試驗（Fatigue test）的原理
圖，圖上所使用的試驗方法為迴轉樑試驗法，試
片中間製成圖示之形狀並裝入試驗機內。兩端固
定後，於試片一定位置加掛荷重W 以產生彎曲力
距，使試片開始迴轉，直到試片斷裂為止，同時
記錄試片斷裂前之總迴轉圈數。換相同的新試片
並依次減少荷重逐次試驗，得出不同彎曲力矩時
材料內部所誘生的應力S 與總迴轉圈數N。將應
力S 與總迴轉圈數N依彎曲力矩大小順序繪製成
如圖2-13 所示，可得出任一材料的S-N 曲線，此
曲線即為材料的疲勞曲線。
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EXIT
2-3材料試驗
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EXIT
2-3材料試驗
曲線若有水平線段部分表示材料於承受荷重W時，
當迴轉圈數增加到一定數量後，材料內的應力值
呈現穩定的大小，此大小值即為該材料的疲勞限。
若在水平線下方，則材料將不因覆變負荷及總迴
轉圈數的影響而發生疲勞破壞。由此可知，在測
出材料的S-N 曲線時，只要所承受的負荷在一定
範圍之內，即使時間很長，迴轉圈數很多，材料
並不會發生疲勞破壞。不發生疲勞破壞的臨界應
力稱為疲勞限，亦即只要材料所承受的覆變負荷
不超過疲勞限則材料將不致發生破壞。
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EXIT
2-3材料試驗
一般機件的形狀未必如試片形狀如此均一，從事
試驗時以機件中所可能產生最大應力（最脆弱部
分）處為疲勞限，以確保機件之安全。一般材料
作疲勞試驗時其迴轉總圈數約在107～108 轉以
上，所需之試驗時間相當長。
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EXIT
2-3材料試驗
5.潛變試驗
材料在高溫下承受低於彈性限的應力時，雖然應
力不高，但因溫度的影響並隨時間的增加，材料
會漸漸的變形終至破壞，此種現象稱為潛變破壞。
典型的潛變試驗（Creep test）的時間-變形曲線
如圖2-14 所示。
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2-3材料試驗
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EXIT
2-3材料試驗
由圖中可知潛變曲線的變化分為三階段分述如下：
第一階段
初加荷重時材料立即發生彈性應變0，其斜率或應
變率（又稱為潛變率= 應變/時間= ）較大，隨時
間的增加應變率漸漸變緩，此階段稱為初期潛變。
第二階段
隨時間的增加應變率呈現穩定直線趨勢上升，此
階段時期最長且潛變率最低稱為第二期潛變或恆
定潛變。高溫材料在考慮潛變因素時，材料的使
用壽命均以恆定潛變的結束時間做為設計依據。
2-1
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EXIT
2-3材料試驗
第三階段
隨時間繼續的增加，潛變率迅速增大，最後發生
所謂的頸縮現象，一直到斷裂為止，此時期稱為
末期潛變或加速潛變。
同一材料，在相同應力情況下，其潛變曲線會隨
溫度的變化而變化。一般而言，溫度愈高者潛變
率就愈高，即潛變發生的速率將更快。同一材料，
在同一溫度情況下，潛變曲線會隨應力的變化而
變化，應力愈高者其潛變速率較快，即發生的時
間愈早。
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EXIT
2-3材料試驗
6.金相試驗
金相試驗（Metallurgical test）是截取一段材料並
經過適當的處理，放置於高倍（可放大2000 倍）
顯微鏡下觀察其組織，包含晶粒形狀及大小、氣
孔、雜質、龜裂、共晶組織、偏析組織、析出物、
腐蝕情況等。金相試驗的處理步驟及其如圖2-15
所示。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
1.試片之準備：為使試片能合乎觀察的要求必須以
如下之步驟處理之。
(1)切取試片：切取試片必須考慮其整體或研究主
題的代表性。切取時，如材料硬度低則可直接用鋸
子予以切割，如硬度較高則可使用砂輪切割。但必
須慎選砂輪，且切割時須冷卻以避免因切割過程所
產生的熱對材料組織的影響。
(2)粗磨：用砂輪機去除試片的毛邊，並用較粗的
砂紙（#80 左右）或砂袋機磨平且可除去可能因切
割所產生的變態層。
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EXIT
2-3材料試驗
(3)細磨：於手磨機上放置防水砂紙，在流動的水
流中以粗砂紙先磨，逐次磨至細砂紙（#1000 以
上），即完成此一步驟。手磨時應不斷的改變磨
的方向，以去除原方向磨痕，達到轉速的磨平效
率。
(4)以清水沖洗試片：經手磨後的試片必須以清水
洗淨附著於表面的砂粒，方可置於拋光機上拋光，
否則砂粒將污染拋光用的絨布。
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2-3材料試驗
(5)精磨（拋光）：拋光用的磨料通常有氧化鋁
（Al2O3）及氧化鉻（Cr2O3）等。由於氧化鉻
會造成呼吸器官之病變，因此，目前已較少被採
用。試片必須經拋光至鏡面無刮痕之程度，方完
成此一步驟。
(6)以清水沖洗試片。經拋光後的試片再以清水洗
淨，並速予吹乾，注意從最後一次拋光後的試片
不可以手觸摸，否則會因油脂而污染試片，清水
沖刷時可使用棉花輕輕拂拭試片表面。
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2-3材料試驗
(7)以酒精洗淨試片研磨面，使試片表面更潔淨。
(8)吹乾試片。
(9)試片的定位：準備一塊底板，並將適量油泥土
置於平板上後，放置於壓平機上。其次，將試片
置於油泥土上適當位置，由壓平機以適當力量將
試片壓入油泥土內，使試片固定並保持水平。
(10)以顯微鏡檢查研磨面影像是否清晰。
(11)腐蝕：腐蝕所需的時間並無一定的標準。通
常宜採用試片進入腐蝕液後，不斷的取出觀察其
腐蝕程度，一旦表面變色為毛玻璃之色調或回火
麻田散鐵系列變色為灰黑色時，即已完成。
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EXIT
2-3材料試驗
(12)腐蝕至上述情形時，立即以清水沖洗。
(13)然後以酒精洗淨試片表面並以強熱風吹乾。
(14)在使用顯微鏡觀察前，利用壓平器壓平試片。
(15)顯微鏡觀察：金相顯微鏡是利用光照射在金
屬試片表面並經反射後加以觀察的方法，其放大
倍率為目鏡（Eye piece）與物鏡（Objective）之
乘積。使用顯微鏡時必須先以較小的放大倍
率觀察，因其焦距較長，才不致使物鏡碰到試片，
俟找到較小倍率的焦距後，再選擇較大倍率觀察
之。
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EXIT
2-3材料試驗
非破壞試驗法（Non-destructive test 簡稱為NDT）
是在不破壞材料之下，能檢查出材料有無缺陷的
方法。可在材料加工前，先行檢驗有無缺陷存在，
可避免材料與時間的浪費。
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EXIT
2-3材料試驗
1.滲透探傷法
如圖2-16 所示，滲透探傷法（Penetrant Test 簡
稱為PT）以液態的螢光劑均勻塗抹於試件表面，
經由毛細作用使得螢光劑滲入試件的裂縫處。
然後，清洗試件表面並以顯影劑再塗於試件表
面，因為顯影劑可吸附螢光劑至表面；最後將
試件置於暗處並以藍色黑光紫外線照射，則所
有的缺陷均將因螢光而清晰呈現出來。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
2.磁粉探傷法
利用金屬材料的磁化原理來產生磁力線，進而吸
附磁粉形成一條連續的磁粉線，以檢查工件表面
裂痕與孔隙等缺陷。此種方法首先需將工件磁化，
常用磁化方法有很多，如圖2-17(a)所示係，磁粉
探傷法（Magnetic particle test 簡稱MT），利用軛
鐵接觸試件並將試件先行磁化，再噴灑磁性粉末
於其表面以觀察磁粉分布情形。
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2-3材料試驗
如2-17(b)所示，使電流通過試件並使試件磁化，
試件上之缺陷即可察覺。如圖2-17(c)所示，利用
探針無試件接觸，通過缺陷的磁力線將因缺陷本
身另外所形成的小磁場而使得部分的磁力線偏流
並洩入空氣中，磁粉被新的小磁場吸引而聚集於
缺陷處，形成如圖2-17(d)所示的情況。磁力線最
好與缺陷呈垂直狀態方能清楚看出缺陷的分布情
況。所以，一般以橫縱兩方向重複檢驗，以求正
確的缺陷分布狀況。無法磁化的材料，如18-8 不
鏽鋼、高錳鋼等無法使用此法來檢測。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
3.放射線探傷法
如圖2-18 所示，為放射線探傷法（Radiographic
test 簡稱RT）的設備與原理圖。其原理乃利用較
強之光束如X光、或射線等，直接照射並穿透試
件，使得試件後方所貼附的底片曝光並與曝光後
的無缺陷試件之底片作比較。即可檢視與判斷試
件表面的缺陷、孔隙、雜質或其它成分組織的特
性等。
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
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2-3材料試驗
4.超音波檢驗
材料可以傳遞彈性波，也能反射彈性波，將石英、
鈦酸鋇或硫酸鋰組成超音波換能器，利用壓電效
應將一系列高頻率的彈性脈衝導入材料中，進行
材料的檢測工作。如圖2-19 所示，為超音波檢驗
（Ultrasonic test 簡稱UT）中的一種方法稱為反射
法，係利用振動頻率介於0.5～15MHz 的超音波
直接測試試件。當超音波送出後穿越試件，撞擊
到交界面時，一部分反射回到換能器，與發出的
脈衝同時顯示在示波器上。
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2-3材料試驗
由示波器上的顯示可知，由換能器射出撞擊交界
面再反射回來所需的時間，若試件內不存在缺陷，
射線會在穿越試件至底部後再反射回換能器，此
時所測得的距離為試件厚度的兩倍。若試件存有
缺陷時，會有部分射線由缺陷處射回換能器，可
測知缺陷所在的位置。經由電壓增幅器使得電壓
增高，再送入陰極管以顯示其反射波的位置，由
此可知缺陷的位置。反射式的超音波測試法除了
可測知缺陷的位置外，也可測得材料的彈性模數，
適合檢驗大尺寸的軸類及軋延鋼材。
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教材
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相關影片展示
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