110 高普考高考三級 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

加工後的表面狀態可分成兩個互補面向：

• 表面紋理（surface texture）：描述表面幾何形貌的起伏與方向性，常分為粗糙度、波紋度及形狀誤差，並以加工紋路方向（lay）描述紋理的排列方向。
• 表面完整性（surface integrity）：描述加工後表層及近表層的實際狀態，包含表面紋理，也包含材料與冶金性質的變化，例如殘留應力、加工硬化、熱影響、相變、微裂紋及腐蝕狀態。

簡言之，表面紋理回答「表面幾何形狀如何」，表面完整性則回答「加工後表層的幾何、材料及力學狀態如何」。兩者都會影響零件的摩擦、磨耗、疲勞、密封與耐蝕性能。

解題方法

本題先區分「表面的幾何特徵」與「表層材料狀態」，再說明粗糙度是如何從表面輪廓取得、如何評定，以及單靠粗糙度數值為何不足以完整描述表面紋理。

（一）表面紋理與表面完整性

表面紋理是表面微觀及較大尺度的幾何不規則性。常見組成如下：

1. 粗糙度（roughness）：相對細小、間距較短的表面不規則起伏，常由切削、磨削等加工痕跡形成。
2. 波紋度（waviness）：間距較長、尺度較大的週期性或非週期性起伏，可能與機床振動、工件撓曲、熱變形或裝夾狀態有關。
3. 形狀誤差（form error）：整體形狀偏離理想幾何形狀，例如平面度、圓度或直線度誤差。
4. 紋路方向（lay）：加工紋理在表面上的主要方向，例如車削常留下環狀或螺旋狀紋路。

實際量測時，會依評定規範及濾波條件，將不同尺度的輪廓成分區分開來；因此不能只看一段表面起伏，便直接將所有變化都稱為粗糙度。

表面完整性是加工後表層整體品質的描述。除表面幾何外，還包括表層及次表層的材料狀態，例如：

• 殘留拉應力或壓應力；
• 加工硬化及硬度變化；
• 熱影響、回火、再結晶或相變；
• 微裂紋、孔洞、撕裂及其他表面缺陷；
• 表面化學或腐蝕狀態。

表面紋理是表面完整性的重要部分，但表面完整性涵蓋的範圍更廣。

（二）表面粗糙度

1. 定義

表面粗糙度是從實際表面輪廓中，依規定的取樣長度、濾波或評定程序分離出粗糙度輪廓後，對其微小偏差所作的量化描述。它反映輪廓相對於基準線的起伏程度，不代表完整的三維表面形貌，也不包含表層材料內部性質。

常用算術平均粗糙度 $R_a$ 表示粗糙度輪廓相對於中線的偏差絕對值平均：

其中，$L$ 為評定長度，$y(x)$ 為粗糙度輪廓相對於中線的高度偏差。離散量測時，可寫為：

$R_a$ 越小，表示在該評定條件下，輪廓偏差的平均幅度越小。

2. 評定方法

核心觀念

本題考查砂輪規格的讀法，以及砂輪五項基本規格：磨料、粒度、結合度、組織、結合劑。砂輪由磨粒、結合劑與氣孔構成；磨削時磨粒負責切削，氣孔容納切屑並協助散熱，結合劑則 удерж住磨粒並維持砂輪形狀。

解題方法：逐項判讀規格記號

依序辨認磨料代號、粒度、結合度、組織、結合劑，再讀取砂輪形狀及尺寸：

因此，這是一片以綠色碳化矽為磨料、粒度 150、結合度 P、組織號數 5、採陶瓷結合劑的直形砂輪，尺寸為外徑 200 mm、厚度 20 mm、孔徑 32 mm。

砂輪五個重要的基本規格

1. 磨料（Abrasive） 磨料是砂輪的切削刃，依工件材料及加工需求選用。常見磨料包括氧化鋁（A）與碳化矽（C）；碳化矽硬而脆，常用於鑄鐵、非鐵金屬及硬質材料。GC 表示綠色碳化矽。

2. 粒度（Grain size） 粒度表示磨粒大小，以粒度號數標示。一般而言，號數愈大，磨粒愈細；

(一) 為什麼要避免熔融金屬紊流進入模穴？

**核心觀念：**澆注時若金屬流動過度紊亂，容易使空氣、氧化物及模砂捲入熔湯，造成鑄件內部缺陷或表面品質不良。

作答要點：

1. **氧化物夾雜：**紊流使熔湯表面不斷翻動，增加與空氣接觸的機會，促使金屬氧化；氧化膜被捲入鑄件後，形成夾雜或薄膜狀缺陷。
2. **氣體孔隙：**紊流容易捲入空氣或其他氣體，氣體若來不及逸出，會留在鑄件內形成氣孔。
3. **沖蝕模壁：**高速、不穩定的金屬流可能沖刷模壁或砂芯，使模砂脫落並進入熔湯，形成砂眼、夾砂等缺陷。
4. **充填不良：**金屬流分裂、飛濺或前沿互相碰撞，可能造成冷隔、未融合等缺陷。

因此，澆注系統應使熔湯平穩、連續地充填模穴，並控制流速及流向，減少捲氣與沖蝕。

(二) 澆注後金屬鑄件的三種收縮來源

**核心觀念：**鑄件從澆注到冷卻至室溫，依序經歷液態降溫、凝固及固態降溫，各階段都可能發生體積收縮。

**解題方法：**依金屬的狀態變化分成三階段，分別說明收縮發生的溫度區間及其影響。

1. **液態收縮：**熔融金屬從澆注溫度冷卻至凝固開始溫度時，因液態金屬降溫而體積減少。此階段可透過澆口、冒口補充熔湯。
2. **凝固收縮：**金屬由液態轉變為固態時，因液、固相比容不同而產生體積減少。若補縮不足，容易在鑄件內部形成縮孔或縮鬆。
3. **固態收縮：**金屬凝固後，繼續由凝固溫度冷卻至室溫時，固態金屬因降溫而收縮。

核心觀念

本題考金屬塑性加工中的摩擦效應，以及模具與工件接觸面發生的黏摩擦。塑性加工時，摩擦力會阻礙工件材料相對模具的流動；接觸面上的摩擦剪應力常以剪摩擦因子模型表示：

其中 $\tau$ 為界面摩擦剪應力，$k$ 為工件材料的剪降伏強度，$m$ 為剪摩擦因子，通常介於 $0$ 與 $1$ 之間。$m=0$ 表示無摩擦；$m=1$ 表示界面達到黏著狀態。

(一) 摩擦在金屬塑性加工造成的問題

摩擦造成的影響可從材料流動、加工負荷、成品品質及模具壽命說明：

1. 阻礙材料流動，增加變形不均勻性 工件表層受模具摩擦牽制，流動速度低於內部材料，形成速度梯度與不均勻變形。以鍛造為例，材料向外流動時，與上下模具接觸的表層較難滑動，可能使中央材料流動較快。

2. 增加加工力與能量消耗 外力除克服材料本身的塑性變形阻力，還須克服界面摩擦，因此所需鍛造力、軋製力或擠製力及加工能量通常增加。

3. 引起不均勻變形與殘留應力 工件不同區域的變形量不同，卸載後可能留下殘留應力，並增加尺寸不均或後續變形的風險。

4. 造成加工缺陷 摩擦引起的局部流動受阻可能導致折疊、流線扭曲、表面撕裂等缺陷。圓柱工件受壓縮時，接觸面附近外流受阻，側面容易形成鼓肚，稱為鼓形效應（barreling）。

核心觀念

熔接缺陷是指熔接接頭的形狀、連續性或材料性能不符合要求，可能降低接頭強度、韌性、耐疲勞性或耐蝕性。答題可依「外形與尺寸、熔合與連續性、內部孔隙與夾雜、裂縫」分類，並說明其危害。

主要缺陷與影響

1. 裂縫（crack）：可能出現在焊道、熱影響區或母材，分為熱裂縫、冷裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫及焊趾裂縫等。裂縫尖端應力集中，容易成為破壞起點，通常是危害最大的缺陷。
2. 氣孔（porosity）：熔池中的氣體未能逸出而留在焊縫內，形成單一或群聚孔洞；會減少有效承載面積，並可能造成應力集中或洩漏。
3. 夾渣（slag inclusion）：熔渣未完全浮出或清除而被包在焊縫內，妨礙金屬連續性，降低強度與韌性。
4. 未熔合（lack of fusion）：焊金屬與母材，或相鄰焊道之間未充分熔合，形成平面狀不連續，會削弱接頭並增加裂縫擴展風險。
5. 未焊透（incomplete penetration）：接頭根部未完全熔透，根部留下未熔合區，減少有效焊喉及接頭承載能力。
6. 咬邊（undercut）：焊趾附近母材被熔蝕，卻未被焊金屬填滿，形成溝槽；會減少截面並造成應力集中。
7. 焊道形狀或尺寸不良：例如焊道過凸、過凹、焊腳不足、焊縫尺寸不均或焊道偏移，會造成有效截面不足、局部應力集中或組裝不良。
8. 重疊（overlap）：焊金屬流到母材表面但未與母材熔合，形成凸出的薄邊，容易產生缺口效應。
9. 飛濺（spatter）：熔滴散落於工件表面，通常較偏向外觀及後續加工問題；嚴重時會影響表面品質、塗裝或配合。
10. 燒穿（burn-through）：熱輸入過大或根部支撐不足，使熔池穿透工件，造成孔洞或局部材料流失。

解題方法

本小題重點是列出常見且重要的熔接缺陷，並簡述形成位置或對接頭的影響。作答時涵蓋裂縫、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透及咬邊等主要項目，再補充形狀尺寸不良、重疊、飛濺或燒穿，即可呈現完整分類。

（二）減少熔焊變形（翹曲）的技術

核心觀念