113 關務特考三等 機械工程(選試英文) 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查普通碳鋼的兩種擴散型熱處理：完全退火（full annealing）與正常化（normalizing）。兩者都將鋼加熱至相變溫度範圍，使組織轉變為奧氏體，再經冷卻形成以鐵素體與珠光體為主的組織；主要差異在於加熱溫度的選擇及冷卻速度，因此成品的晶粒、硬度、強度與延性也不同。

常用臨界溫度符號如下：

• $A_{c1}$：加熱時珠光體開始轉變為奧氏體的臨界溫度。
• $A_{c3}$：亞共析鋼加熱至完全形成奧氏體的臨界溫度。
• $A_{cm}$：過共析鋼加熱至碳化物完全溶入奧氏體的臨界溫度。
• $A_{c}$ 中的 $c$ 表示加熱時的臨界點；冷卻時的對應臨界點通常以 $A_{r}$ 表示。

普通碳鋼依碳含量相對於共析成分，可分為亞共析鋼、共析鋼與過共析鋼。完全退火與正常化均須依鋼種選擇相應的加熱溫度，不能把所有碳鋼都套用同一固定溫度。

解題方法

作答時依序交代兩種製程的加熱溫度、保溫、冷卻方式、目的與結果，再比較冷卻速度造成的組織及性質差異。製程溫度可用臨界溫度表示；實際設定仍須依鋼種成分、工件尺寸及材料規範調整。

完全退火

完全退火的典型製程為：

1. 加熱至適當的臨界溫度以上。

• 亞共析鋼：加熱至 $A_{c3}$ 以上，通常高約 $30\sim 50^\circ\text{C}$，使原有組織完全奧氏體化。
• 共析鋼：加熱至 $A_{c1}$ 以上適當範圍，使珠光體轉變為奧氏體。
• 過共析鋼：一般取 $A_{c1}$ 以上、$A_{cm}$ 以下的適當範圍，避免碳化物全部溶入後，在後續冷卻時形成連續網狀先共析滲碳體。

2. 保溫。 工件達到規定溫度後保溫，使截面溫度均勻，並讓組織轉變充分完成。所需時間依工件尺寸、爐況與鋼種而定。

3. 隨爐緩慢冷卻。 將工件留在爐內降溫，或以等效的緩慢冷卻方式冷卻至相變完成，再冷至室溫。完全退火的特徵是冷卻速度慢。

完全退火可降低硬度與殘留應力，改善切削加工性與後續成形性，並使組織較均勻。其冷卻較慢，通常形成較粗的鐵素體與珠光體組織，所得硬度、強度較低，延性相對較高。

正常化

正常化的典型製程為：

1. 加熱至適當的臨界溫度以上。

• 亞共析鋼：通常加熱至 $A_{c3}$ 以上約 $30\sim 50^\circ\text{C}$。

核心觀念

旋轉穿孔（rotary piercing）是無縫鋼管製造的主要空心坯料成形法，利用斜置軋輥使加熱後的實心圓坯一面旋轉、一面前進，並在軋製過程中於中心穿孔，形成中空管殼。它的核心原理是曼內斯曼效應（Mannesmann effect）：圓坯受斜軋時，外層受壓而前進，中心區域產生較大的軸向拉應力，促使中心鬆裂；再由芯頭（plug）擴大並控制孔徑，完成穿孔。

旋轉穿孔得到的是供後續軋管使用的空心管坯（hollow shell），不是成品管。後續通常還需延伸軋製、定徑或減徑，以達到要求的外徑、壁厚與長度。

製程原理與方法

製程步驟

1. 加熱圓坯：將實心圓鋼坯加熱至適合熱加工的溫度，使材料具足夠塑性。
2. 斜軋送進：圓坯送入兩支相對配置、沿圓周方向斜置的軋輥。軋輥旋轉時，帶動圓坯旋轉並沿軸向前進。
3. 形成中心孔：斜軋造成圓坯中心區的軸向拉應力與剪切作用，使中心發生鬆裂，這是曼內斯曼效應。
4. 芯頭穿孔與擴孔：圓坯前端推向固定在芯棒上的芯頭，芯頭進入中心裂孔並將其擴大，形成空心管殼。芯頭同時協助控制內徑及內表面。
5. 導向與管殼送出：導板、導盤或導靴限制管坯偏移，使其穩定通過軋輥與芯頭；管殼送出後再進行後續軋管加工。

斜置軋輥的旋轉分力使圓坯自轉，軸向分力使圓坯前進；兩者共同產生螺旋狀運動。芯頭與軋輥的相對位置、軋輥傾角、送進角及軋輥間距，會影響穿孔負荷、管殼尺寸與品質。

主要設備配置

常見設備以兩支斜置軋輥為主，並配合芯頭及導向裝置。導向裝置可採導板、導靴或導盤（Diescher discs），用以限制圓坯的橫向移動並穩定穿孔。亦有三輥式配置；各型設備的共同要點是利用斜軋使圓坯旋轉前進，再由芯頭形成並控制內孔。

製程特性

優點

核心觀念

電渣熔接（electroslag welding, ESW）是以熔融熔渣的電阻熱熔化填料金屬與母材接合面的熔接法，主要用於厚板的立向對接。它以熔渣導電發熱為熱源；正常熔接階段並非靠電弧持續供熱。

熔渣由焊劑熔化而成，具有導電與保護熔池的作用。焊絲穿過熔渣池，電流通過熔渣所產生的電阻熱使焊絲及母材邊緣熔化；熔融金屬在下方凝固，形成焊縫。

製程方法

1. 準備接頭與起焊位置 將厚板以立向對接方式安置，兩板間留有適當間隙。接頭兩側裝設水冷銅滑塊（或銅鞋），封住間隙兩側，使熔融熔渣與金屬不致流出；下端設置起焊槽或起焊板。

2. 引弧並熔化焊劑 在接頭下端引弧，熔化焊劑形成熔渣池。起始階段會以電弧引燃；待熔渣達到足夠深度並導電後，電弧熄滅，進入以熔渣電阻熱加熱的穩定熔接階段。

3. 連續送進焊絲並熔化母材 焊絲由送絲機構連續送入熔渣池，電流通過熔渣產生焦耳熱，使焊絲熔化，同時熔化接頭兩側母材邊緣。依板厚與接頭寬度，可採單一或多支焊絲；也可配合焊絲橫向擺動，使熔敷金屬分布均勻。

4. 焊頭與銅滑塊同步上升 隨著焊絲與母材不斷熔化、熔融金屬在下方逐步凝固，焊頭及銅滑塊沿接頭向上移動。銅滑塊限制熔池形狀並帶走熱量，使焊縫逐段成形。

5. 收尾與清理 焊接到接頭上端後完成收弧，移除起焊、收尾部位及殘留熔渣，再視需要檢查焊縫品質。

製程特性

優點

• **適合厚板立向對接：**可一次連續完成厚截面接頭，通常不必像多層多道焊般反覆填焊。
• **熔敷效率高、所需操作人力較少：**焊絲連續送進，適合大型結構與大量厚板接頭。
• **熔接速度快、焊道連續：**可減少多道焊所需的層間清理與停頓。
• **熔池受熔渣與銅滑塊控制：**熔渣覆蓋熔池，有助隔絕空氣；兩側銅滑塊則限制熔融金屬外流。

核心觀念

超音波檢驗（ultrasonic inspection, UT）是利用高頻聲波在材料內傳播，遇到界面、裂紋、孔洞或其他聲阻抗不同的區域時產生反射、折射或散射，藉此判定材料內部缺陷位置與大小的非破壞檢驗法。常用頻率約為 $0.5\text{–}25\,\text{MHz}$，實際頻率依材料、厚度與檢驗目的選擇。

檢驗時，探頭內的壓電晶體將電脈衝轉換成超音波；接收反射波時，再將聲波轉換為電訊號。耦合劑用來排除探頭與工件間的空氣，使聲能有效進入材料。超音波在材料中的傳播速度為 $v$，反射波往返時間為 $t$，則反射界面距探頭的深度為

除非已知回波來自哪一界面，否則僅依回波高度不能直接判定缺陷尺寸；實務上須配合校正試片、探頭特性與檢驗程序評估。

解題方法

作答可依「聲波如何產生與傳播、如何取得缺陷資訊、檢驗方式、優缺點與適用限制」的順序說明。

1. 發射與傳播：探頭發出短脈衝超音波，聲波進入工件並向內傳播。聲波在材料中的衰減與散射程度，會受材料組織、晶粒大小、頻率及傳播距離影響。
2. 遇界面產生回波：聲波遇到缺陷、材料背面或異質界面時，因聲阻抗差異而產生反射。聲阻抗可表示為 $Z=\rho v$，其中 $\rho$ 為材料密度、$v$ 為聲速；兩側聲阻抗差異愈大，反射通常愈明顯。
3. 接收與判讀：探頭接收回波，儀器依回波傳回時間與波幅顯示訊號。傳回時間可估算反射體深度；波幅則受缺陷尺寸、形狀、方向、表面狀況、耦合及探頭特性等因素影響，不能單獨視為缺陷尺寸。
4. 校正與掃查：檢驗前依材料與工件幾何校正聲速、時間基準及靈敏度，再按規定路徑掃查工件，記錄回波位置與特徵，據以判斷缺陷的位置、範圍與性質。

主要檢驗方法