109 地方特考三等 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查以熱分析法（thermal analysis）測定純金屬及合金在加熱、冷卻時的溫度—時間曲線，並由曲線判讀凝固、熔化及相變化。

縱軸為試料溫度 $T$，橫軸為時間 $t$。材料發生相變化時會吸收或放出潛熱，因此曲線斜率會改變；若相變在固定溫度進行，曲線會出現近似水平的平台。

（一）實驗設備與實驗步驟

1. 實驗設備

基本設備包括：試料、耐火坩堝、加熱爐、熱電偶、溫度測量及記錄裝置，以及支架或隔熱材料。熱電偶測量試料溫度，記錄裝置則同步記錄溫度與時間。

 溫度—時間記錄器
 │
 熱電偶導線
 │
 ┌────────────┴────────────┐
 │ 加熱爐／保溫體 │
 │ ┌─────────────────┐ │
 │ │ 試料坩堝 │ │
 │ │ ● 熱電偶測點 │ │
 │ └─────────────────┘ │
 └─────────────────────────┘
 電源／控溫器

熱電偶測點應置於試料內部或緊貼試料，以降低爐內氣氛或坩堝壁溫度與試料實際溫度的差異。試料應避免氧化；必要時使用保護氣氛或封閉坩堝。

2. 實驗步驟

1. **裝置試料與熱電偶：**將定量試料置入坩堝，將熱電偶測點放在試料內，連接溫度記錄裝置。
2. **加熱至完全熔化：**將試料加熱至高於熔點或合金液相線溫度，使試料完全熔化並使溫度均勻。
3. **記錄冷卻曲線：**停止加熱或降低爐溫，使試料緩慢冷卻；持續記錄溫度與時間，直到試料完全凝固，必要時再冷卻至室溫。
4. **記錄加熱曲線：**將固態試料重新加熱，持續記錄溫度與時間，直到完全熔化。加熱與冷卻速率宜緩慢且穩定，以便觀察相變造成的曲線變化。
5. **繪製曲線並判讀：**以時間為橫軸、溫度為縱軸繪圖，依曲線的平台或斜率變化判定相變溫度及相變溫度範圍。

3. 純金屬曲線的判讀

純金屬在固定壓力下具有固定熔點。冷卻時，液態金屬降至凝固點後開始凝固，放出凝固潛熱，使溫度在一段時間內近似維持不變；完全凝固後，固態金屬再繼續降溫。加熱時則相反：固態升溫至熔點後吸收熔化潛熱，溫度近似維持不變，待完全熔化後液態再升溫。

溫度 T
 ↑
 │ 液態冷卻
 │ \
 │ ─────── 凝固／熔化平台：固定相變溫度
 │ \
 │ 固態冷卻
 └────────────────────→ 時間 t

核心觀念

本題考查鍛造或其他體積成形製程中，如何用圓環壓縮試驗估算模具與工件間的摩擦係數。試驗觀察圓環受壓後內徑的變化：摩擦愈大，材料愈難沿模具表面向內流動，內徑縮小愈多；內徑變化與摩擦係數的對應關係，可由校正曲線或圖表求得。

常用試片為具有同心內孔的環形試片。幾何尺寸常取外徑：內徑：高度約為 $6:3:2$，例如外徑 $D_0=18\ \mathrm{mm}$、內徑 $d_0=9\ \mathrm{mm}$、高度 $h_0=6\ \mathrm{mm}$。實際試片尺寸可依試驗設備及材料調整。

解題方法：試驗程序

1. 製備並量測試片 製作尺寸一致、端面平行且表面狀況適當的圓環試片。記錄初始外徑 $D_0$、內徑 $d_0$ 與高度 $h_0$，並準備欲評估的模具與潤滑條件。

2. 設定試驗條件 將試片置於壓縮模具或平行壓板間。依待評估製程設定材料溫度、模具溫度、潤滑劑、壓縮速度及設備條件；試片與模具接觸面的摩擦狀態應代表實際成形條件。

3. 軸向壓縮試片 沿試片高度方向施加壓縮，使試片高度由 $h_0$ 降至指定高度 $h_f$。可使用一個或多個壓縮量；每次試驗均須記錄壓縮後高度及載荷。高度壓縮率為 $\varepsilon_h=\frac{h_0-h_f}{h_0}\times 100\%.$

4. 量測壓縮後尺寸 卸載後量測試片的外徑 $D_f$、內徑 $d_f$ 及高度 $h_f$。量測內徑時應確認其圓度與量測位置，必要時在不同方向量測取平均，以降低偏差。

5. 計算尺寸變化並查校正曲線 計算內徑變化量或內徑變化率，例如

依試片幾何比例及壓縮程度，將實測內徑變化代入圓環壓縮試驗的校正曲線，讀取相對應的摩擦因子或摩擦係數。若採多種潤滑條件，則比較各條件的內徑變化及曲線讀值。

核心觀念

不連續切屑（discontinuous chips）是切削時，切屑未形成連續帶狀，而是分裂成一段段獨立碎片的現象。其形成與切削區的塑性變形能力、材料性質、切削條件及刀具幾何形狀有關。

本題分兩部分作答：先說明哪些條件會促使切屑分段，再說明分段切屑造成的切削力波動，如何影響工件表面與刀具。

解題方法

依「形成條件—切削力變化—工件與刀具後果」的因果順序作答。形成條件可分為材料因素與切削因素；不良影響則由切屑反覆形成、斷裂造成的週期性負載變化來說明。

（一）形成條件（10 分）

不連續切屑常見於下列情況：

1. 材料脆而延性低 灰鑄鐵、青銅等脆性材料在切削區不易產生大量塑性流動，材料達到破壞條件後便裂開成段，容易形成不連續切屑。

2. 材料加工硬化傾向大 某些材料在切削變形時迅速加工硬化，使切屑局部變形阻力升高，剪切變形難以穩定延續，因而容易分段或裂斷。

3. 切削速度低 低速切削時，切削區溫度較低、材料塑性流動能力較差，切屑不易連續流出，較容易形成分段切屑。

4. 進給量或切削厚度大 切屑厚度增加會提高剪切區負荷，促使切屑產生裂紋並分離。

5. 刀具前角小或為負前角 小前角使切屑變形及切削力增加，切屑較易受壓碎裂而呈不連續狀。

6. 刀具鈍化或切削條件不穩定 刀刃磨耗、機床或工件振動等因素會使切削負荷變動，助長切屑分段。

核心觀念

閃光對焊（Flash butt welding）是電阻焊的一種，常用於鋼軌接合。兩根鋼軌端面夾持在電極夾具上，先通電並使端面逐漸接近；端面微小凸點間產生接觸與電弧，形成閃光熱，使端部金屬迅速加熱至塑性狀態。接著施加頂鍛力，將兩端壓合成一體，最後切除接頭周圍的毛邊並檢查接頭。

此法的關鍵是「閃光加熱、頂鍛接合」：熱量主要由端面接觸電阻與閃光電弧產生，接合則靠頂鍛力使高溫端面塑性變形並緊密結合。

焊接程序與示意圖

考卷可用下列側視圖表示兩根鋼軌端面及其動作方向：

① 夾持、對正
 電極夾具 電極夾具
 │ │
─────┴────── 鋼軌 A ──────││────── 鋼軌 B ───────┴─────
 接合端面
 （保持微小間隙或輕觸）

② 通電閃光、加熱
 電極夾具 電極夾具
 │ │
─────┴────── 鋼軌 A ──────│⇝⇝│────── 鋼軌 B ───────┴─────
 ↑
 閃光、火花及端面加熱
 鋼軌 B 緩慢向左進給

③ 頂鍛、完成接合
 電極夾具 電極夾具
 │ │
─────┴────── 鋼軌 A ──────│◀▶│────── 鋼軌 B ───────┴─────
 ↑
 端面受壓、金屬擠出
 並形成接合毛邊

程序依序如下：

核心觀念

電阻點焊利用電流通過工件時產生的電阻熱，使接合界面局部熔化，冷卻後形成焊核（nugget）。其基本熱量關係為：

其中 $Q$ 為產生的熱量、$I$ 為焊接電流、$R$ 為電阻、$t$ 為通電時間。焊核大小取決於熱量是否足以熔化接合區，也受熱量散失與熔融金屬受壓情形影響。

解題方法

(一) 影響焊核直徑的因素

可由 $Q=I^2Rt$ 分析供熱，再考慮工件幾何、材料性質、電極施力與熱散失，說明焊核直徑如何改變。

1. 焊接電流：電流增加會使電阻熱按 $I^2$ 增加，通常可擴大焊核；電流過大則可能造成飛濺、熔核噴出或燒穿，使接頭品質下降。
2. 通電時間：延長通電時間通常增加輸入熱量、擴大焊核；時間過長也會使熱影響區擴大，並增加過熱或飛濺風險。
3. 電極壓力：壓力會改變接觸狀況與接觸電阻。壓力過大可能使接觸電阻降低、熱量減少，亦會影響熔融金屬的受限狀態；壓力過小則容易造成接觸不穩、飛濺。其影響須與電流及時間等焊接條件一併判斷。
4. 電極端面直徑與形狀：端面大小會影響電流密度、受熱區域及熱傳導。端面較小時電流密度通常較高，局部加熱較集中；端面磨耗或形狀不當則會使焊核尺寸與形狀不均。
5. 工件厚度與材料性質：板厚、電阻率、導熱率及熔點會影響所需熱量與熱散失。高導熱材料會較快帶走熱量；材料電阻率較高時，在相同電流、時間下較易產生電阻熱。
6. 工件表面與接合界面狀況：氧化膜、油污、粗糙度及清潔程度會改變接觸電阻與接觸穩定性，因而影響發熱位置及焊核尺寸。