115 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

（一）何謂差排（dislocation）？

核心觀念

差排是晶體中的一維線狀晶體缺陷，亦即晶格原子排列在一條線附近發生局部不連續或錯亂。差排線周圍伴隨晶格畸變與彈性應變場，是金屬塑性變形的重要載體。

若把差排線周圍的原子排列畫成封閉路徑，理想晶體中的路徑可以閉合；含差排時，路徑無法閉合，兩端的位移差稱為柏氏向量 $\mathbf{b}$。柏氏向量表示差排造成的晶格位移，也描述差排的性質。

差排的主要型態

1. 刃差排（edge dislocation）：可視為多出半片原子面，差排線位於半原子面的邊緣；柏氏向量垂直於差排線。
2. 螺旋差排（screw dislocation）：晶體兩側相對滑移後，原子面呈螺旋狀排列；柏氏向量平行於差排線。
3. 混合差排（mixed dislocation）：差排線與柏氏向量既不平行也不垂直，兼具刃差排與螺旋差排的特徵。

解題方法

作答時先界定差排為「線缺陷」，再以柏氏向量說明晶格位移，最後簡述刃差排、螺旋差排及混合差排的幾何差異。這樣能涵蓋定義、描述方法與基本分類。

（二）差排對於材料基本性質與加工製程之影響

核心觀念

差排可以在外力下沿滑移面移動，使晶體逐步產生塑性變形。理想晶體若要整個原子面同時滑移，所需剪應力很高；差排的逐步移動則讓金屬能在較低應力下塑性變形。因此，差排的數量、排列與移動難易，會影響材料強度、延性與加工行為。

對材料基本性質的影響

1. 影響塑性變形與延性 差排移動是金屬滑移變形的主要機制。差排較容易移動時，材料較容易產生塑性變形，通常有較好的成形能力；差排移動受到強烈阻礙時，材料較難變形。

2. 差排密度增加會造成加工硬化 冷加工使差排大量增殖。差排彼此交互作用、糾結或形成障礙，後續差排更難移動，因此材料的降伏強度、硬度及抗拉強度通常上升，延性則下降。常用下式表示差排強化的趨勢： $\tau \approx \tau_0+\alpha G b\sqrt{\rho}$

核心觀念

剪切加工是利用刀具對板材施加相對的剪力，使材料沿預定輪廓產生塑性變形與裂縫，最後分離成所需形狀或尺寸的加工方法。它屬於無屑的材料分離加工，常見作業包括剪斷、沖孔、落料、切口與切邊。

剪切後的切面通常可見圓角塌陷區、光亮剪切區、粗糙破裂區及毛邊。這些區域反映材料從塑性變形到裂縫擴展、斷離的過程；剪切間隙、刀具狀況與材料性質會影響各區域比例及切面品質。

解題方法

本題分成三部分作答：先定義剪切加工並交代剪裂過程與作業流程，再整理影響製程的因素，最後按加工方式分類說明去毛邊方法。作答時應兼顧加工原理、品質控制及方法適用特性。

（一）剪切加工的定義、原理與作業流程（8 分）

1. 定義與基本原理

剪切加工是以剪切刀具或沖頭、凹模對板材施力，使剪切應力集中於預定的切割線附近；當局部應力超過材料的剪切強度，材料便沿該處剪裂分離。

以沖頭、凹模剪切板材為例，沖頭與凹模刃口之間留有適當的剪切間隙（clearance）。沖頭下行時，板材先受壓並產生塑性變形，隨後在兩側刃口附近形成裂縫；裂縫向材料內部發展並接合，材料因此分離。

估算剪切力時，常用下式：

其中，$F_{\max}$ 為最大剪切力，$L$ 為剪切周長或剪切線總長，$t$ 為板厚，$\tau_s$ 為材料的剪切強度。實際所需力還會受刀具幾何、間隙、材料加工硬化及設備條件影響。

2. 作業流程

1. 備料與定位：確認板材材質、厚度與表面狀況，依加工圖面定位，必要時以導料、定位銷或靠模控制位置。
2. 固定與壓料：以壓料板、剝料板或夾具固定板材，減少剪切時的滑動、翹曲與振動。
3. 刀具接觸及塑性變形：沖頭或上刀刃接觸板材並施力，刃口附近材料開始壓縮、彎曲及塑性流動。
4. 裂縫形成與擴展：在沖頭側與凹模側刃口附近分別形成裂縫，裂縫逐漸向內延伸。
5. 材料分離：兩側裂縫接合，板材沿剪切線斷離；落料件或沖落廢料由凹模口排出。
6. 退刀、排料及檢查：沖頭回程，由剝料板使板材與沖頭分離，移除工件或廢料，檢查尺寸、切面及毛邊。

落料（blanking）與沖孔（punching）均屬沖模剪切：落料時，沖下的外形件是產品；沖孔時，板材上留下的孔是產品，沖落部分是廢料。

（二）影響剪切加工製程的主要因素（8 分）

1. 剪切間隙：指沖頭與凹模刃口間的側向距離，通常以單側間隙表示。間隙過小會增加剪切力與刀具負荷，容易造成二次剪切、工具磨耗或損傷；間隙過大則容易增加塌角、斜度與毛邊，降低尺寸及切面品質。適當間隙須依材料種類及板厚選定。
2. 材料性質：剪切強度、延性、硬度、韌性、加工硬化及材料均勻性都會影響剪切力、裂縫發展及毛邊。延性較高的材料通常有較多塑性變形，切面特徵也會不同。
3. 板材厚度及剪切周長：板厚增加或剪切線總長增加，通常使所需剪切力提高，並增加設備承載與模具強度要求。
4. 刀具刃口狀況與幾何：刃口磨鈍、崩角或磨耗會提高加工力，使切面粗糙、毛邊增大。刀具角度及刃口設計也會影響剪切力、板材變形及切面品質。
5. 沖頭與凹模的對心及平行度：對心不良或間隙不均，會造成周向剪切不一致、單側磨耗、毛邊不均及尺寸偏差。

核心觀念

本題考查冷間塑性加工中的衝擊擠製，包括其定義與金屬流動方式、製程參數對成形的影響，以及擠製產品常見缺陷。作答時可依「加工原理—控制因素—缺陷及成因」三層說明。

(一) 衝擊擠製加工及其製程原理

**衝擊擠製（impact extrusion）**是以沖頭在壓力機上高速、短行程地撞壓金屬胚料，使胚料在高壓下產生塑性流動，經模具間隙擠製成形的冷間或溫間加工法。其常用於製造薄壁、無縫、底部封閉的管狀或杯狀零件，例如鋁罐、電池外殼及管狀容器。

典型製程如下：

1. 將定量的圓柱狀胚料放入模穴，胚料可先經退火、清潔及潤滑。
2. 沖頭高速下壓，使胚料受強烈壓縮而產生塑性變形。
3. 金屬由沖頭端部周圍流動，通過沖頭與模壁間的狹窄間隙，形成薄壁筒身。
4. 沖頭回程後，取出工件，再依需要進行修邊、退火或表面處理。

衝擊擠製依金屬流動方向分為：

• 逆向（後向）擠製：金屬流動方向與沖頭運動方向相反，材料沿沖頭外側向上流動，適合製作底部封閉的薄壁杯狀件。
• 正向擠製：金屬流動方向與沖頭運動方向相同，材料通過模具孔口向前流出。
• 複合擠製：金屬同時向正向及逆向流動，可形成較複雜形狀。

衝擊擠製的主要特徵是成形速度高、變形量大、材料利用率高，且可在單一行程中製成薄壁空心件。由於塑性變形及模具接觸會產生熱量，雖通常歸類為冷間加工，實際成形仍可能伴隨溫升；材料延性、潤滑與模具強度因而十分重要。

(二) 製程主要控制參數

控制參數可依胚料、模具、潤滑與設備成形條件整理：

1. 胚料材質與狀態：材料的延性、流動應力、加工硬化特性、晶粒大小及退火狀態，會影響成形負荷、可達變形量及裂紋風險。胚料的表面品質與潔淨度也會影響成品表面。
2. 胚料尺寸與體積：胚料直徑、高度及重量須配合工件尺寸。胚料不足會造成高度或壁厚不足；胚料過多則可能增加成形負荷、造成毛邊或模具過載。
3. 沖頭速度與行程：速度會影響材料流動、變形熱及表面品質；行程則決定成形深度與底部厚度。速度或行程設定不當，會造成未充填、壁厚不均或破裂。
4. 沖頭、模具與間隙幾何：沖頭形狀、模穴尺寸、入口圓角、工作間隙與模具對心精度會控制金屬流動及產品尺寸。沖頭與模壁間隙通常直接決定薄壁厚度。
5. 潤滑與模具表面狀態：適當潤滑可降低摩擦、成形負荷與模具磨耗，並改善金屬流動均勻性；潤滑不足或分布不均易導致咬模、刮傷及壁厚差異。
6. 溫度與冷卻條件：胚料初始溫度、模具溫度及成形中溫升會影響材料流動應力與潤滑效果。溫度控制不均可能導致流動不一致及尺寸變化。

核心觀念

本題考查熔合熔接的定義、熱源使母材熔化後形成接頭的基本流程，以及熔接熱循環造成殘留應力與變形時的製程控制方法。

熔合熔接是以熱源將接合處的母材局部加熱至熔化，使熔融金屬形成熔池；視接頭設計需要加入填料金屬，待熔池凝固後，形成連續接合區。其主要特徵是接合處需經歷熔化與凝固。電弧熔接、氣體熔接、雷射熔接與電子束熔接，皆屬常見方法。部分製程使用保護氣體或熔劑，以隔絕空氣、減少氧化與污染。

（一）定義、原理與作業流程

熔接原理

熱源將接合區加熱至高於母材熔點，形成熔池。母材熔融金屬與適當填料金屬混合後，在熱源移開或熱輸入減少時逐漸冷卻凝固，生成熔接金屬並與兩側母材連成一體。

熔接區通常包括：

• 熔接金屬區：母材與填料金屬熔化、混合後凝固形成。
• 熱影響區：未熔化，但因受熱而發生組織或性質變化的母材區域。
• 未受顯著熱影響的母材區：熔接熱循環影響較小的部分。

典型作業流程

1. 接頭設計與材料準備：依工件厚度、受力與施工位置選擇對接、角接等接頭形式，並決定是否開槽及其坡口形狀。
2. 清潔與加工：清除油污、鏽蝕、水分及氧化物；加工坡口或接合面，使熔深及熔合條件符合要求。
3. 定位與點固：將工件對正並夾持，利用點固熔接維持接合間隙與位置。
4. 選擇熔接條件：依材料、板厚及接頭形式選擇熔接方法、電流、電壓、行進速度、填料及保護方式。
5. 施作熔接：熱源沿接合線移動，使接合處形成連續熔池；依需要加入填料金屬，並以保護氣體或熔劑減少熔池與空氣接觸。
6. 冷卻與後處理：控制冷卻方式，清除熔渣或表面殘留物；依材料與要求進行熱處理、矯正及接頭檢驗。

（二）殘留應力與變形的因應處理

形成原因

熔接時，熔接區受熱膨脹，但周圍較冷的母材會限制其自由膨脹；冷卻時，熔接金屬及熱影響區收縮，又受到周圍材料拘束，因此形成不均勻的拉、壓殘留應力。若應力與材料脆性、氫含量或接頭缺口等因素共同作用，會增加裂縫風險；不均勻收縮也會造成角變形、彎曲、扭曲或尺寸偏差。

製程中的控制方法

1. 降低不必要的熱輸入