108 高普考高考三級 工業設計 材料及製造程序（包括金屬及塑膠） 考古題詳解

核心觀念

本題考查金屬抽線時的加工硬化、退火中的回復與再結晶，以及面心立方金屬的退火孿晶傾向。

金屬抽線是將線材拉過模具，使截面積縮小、長度增加的塑性加工。抽線造成大量位錯累積與交互纏結，材料因此加工硬化，強度、硬度上升，延展性下降。退火藉由加熱與保溫，讓變形組織降低內能並重新形成較軟、延展性較佳的組織，使材料得以繼續抽線。

（一）退火的目的、組織變化與性質變化

退火的目的

抽線需要材料持續承受塑性變形。若加工硬化累積過多，線材會變硬、變脆，後續抽線所需拉力提高，並增加斷線風險。適當退火可：

• 消除或降低加工硬化與殘留應力。
• 恢復延展性，使線材能繼續抽細。
• 調整晶粒與組織，改善後續加工性。
• 降低材料電阻，這對導電線材尤其重要。

退火時的組織變化

冷加工金屬加熱退火時，主要依序經歷以下階段：

1. 回復（recovery）：位錯重新排列、部分互相消滅，殘留應力降低；晶粒形狀與冷加工組織大致仍保留。
2. 再結晶（recrystallization）：形成新的、位錯密度低且未經加工的新晶粒，取代變形晶粒。若有足夠的形核與晶界遷移，材料的加工硬化會大幅消除。
3. 晶粒成長（grain growth）：再結晶完成後繼續加熱或保溫，晶粒會長大，以降低晶界總能量。

實際退火中各階段的程度，取決於材料、變形量、溫度及保溫時間。

性質變化

核心觀念

軟銲與硬銲都是使用填料接合工件的銲接方法。加熱時，填料熔化並潤濕接合面，工件母材則不熔化；填料凝固後形成接合。填料通常藉由毛細作用進入接合間隙，因此接合面須清潔，間隙與填料也須配合。

兩者最主要的區別是填料的液相線溫度：

• 軟銲（soldering）：填料液相線溫度不高於 $450^\circ\mathrm{C}$。
• 硬銲（brazing）：填料液相線溫度高於 $450^\circ\mathrm{C}$，且低於母材的固相線溫度。

因此，硬銲的接合溫度通常較高，接頭一般具有較高的強度與耐熱性；軟銲加熱溫度較低，適合薄件、精密零件及電子電路接合。兩者均不同於熔接：熔接會使母材至少局部熔化。

解題方法

先以「填料是否跨越 $450^\circ\mathrm{C}$」作為分類基準，再比較接合溫度、設備與接頭性能，最後各舉一個「填料種類＋母材種類＋工程用途」完整的應用實例。題目要求的是填料與接合材料的配對，因此僅列出銲料名稱並不足以完整作答。

（一）軟銲與硬銲的區別

核心觀念

本題比較熱塑型塑膠與熱固型塑膠的受熱加工行為，以及其高分子鏈之間的結合方式與強弱。關鍵在於分辨高分子鏈是否形成大量共價交聯：

• 熱塑型塑膠：分子鏈主要為線型或支鏈結構，鏈與鏈之間以分子間作用力結合，沒有形成大量永久性共價交聯。
• 熱固型塑膠：固化後形成三度空間網狀結構，分子鏈之間以共價交聯鍵連結。

解題方法

可從「加熱時鏈段能否移動」切入：若加熱能使分子鏈克服鏈間作用力而滑動，材料便會軟化並能重新成形；若鏈間已有網狀共價鍵限制移動，加熱便不能使材料熔融流動，溫度過高時反而會分解或碳化。

熱加工特性與鏈間結合力

熱塑型塑膠

核心觀念

不銹鋼的耐蝕性主要來自鉻在表面形成緻密的氧化鉻鈍化膜。鉻含量是判斷耐蝕性的基本指標；鎳主要有助於形成奧氏體組織並改善韌性與成形性；鉬則可提升對氯離子造成點蝕、縫隙腐蝕的抵抗能力。

合金組成與耐蝕性比較

上述成分範圍為常見規格的概略值，實際範圍依採用的材料標準而異。

解題方法

先辨認三種鋼的組織與主要合金元素，再依元素功能比較耐蝕性：

1. 430 為肥粒鐵系，主要依靠鉻形成鈍化膜，沒有 304、316 那樣的鎳含量。
2. 304 為含鉻、鎳的奧氏體系，是一般用途的基準材料。
3. 316 比 304 多了約 2～3% 鉬，因此在氯化物環境中的抗點蝕、抗縫隙腐蝕能力較佳。

解題技巧與常見陷阱

記憶順序可用「430 無鎳、304 鉻鎳、316 鉻鎳鉬」。比較耐蝕性時，宜註明環境條件：一般環境下可概括為 430 較弱、304 較佳；在含氯環境中，316 通常優於 304。不要將 316 說成完全不會生鏽，也不要只以鉻含量高低判斷所有環境下的耐蝕性。

（二）304 不銹鋼銲接敏化的破損機制與防治方法

核心觀念

核心觀念

本題考查「智慧製造」的定義，以及數位科技如何改善材料製造產業。答題時應先說明智慧製造如何整合設備、製程與資訊，再連結金屬與塑膠材料的實際生產效益。

智慧製造是運用感測器、物聯網、雲端運算、大數據分析、人工智慧、機器人及數位孿生等技術，將人員、設備、物料、製程與管理系統連結起來，使生產資料能即時蒐集、分析與回饋，進而監控、預測並調整生產。其目標是讓製造系統具備可視化、可追溯、可預測、可調整及持續最佳化的能力。

智慧製造不等於單純自動化。自動化著重由機器執行工作；智慧製造則進一步利用即時資料與分析結果，支援或自動完成生產排程、品質控制、設備維護及製程調整。

解題方法

採「定義—技術與運作方式—產業效益」的順序作答：

1. 先下定義：說明智慧製造是以資料連結為基礎，讓設備、製程與管理系統能即時交換資訊。
2. 再交代運作方式：感測器蒐集製程資料，分析系統找出偏差或趨勢，再由人員或控制系統調整設備及製程參數，形成持續改善的循環。
3. 最後連結材料製造：以金屬冶煉、鑄造、熱處理、加工，以及塑膠射出、押出等製程為例，說明品質、效率、成本、能源與管理方面的效益。

對材料製造產業的改善效益

1. 提升產品品質與製程穩定性 即時監測溫度、壓力、流量、速度、成分及尺寸等參數，能及早發現製程偏差並調整設備。金屬製程可監控熔煉溫度、合金成分、冷卻條件與熱處理曲線；塑膠製程可監控料筒溫度、射出壓力、保壓時間及冷卻時間。藉此降低尺寸不良、氣孔、裂紋、翹曲及表面瑕疵等問題。

2. 提高良率並減少材料浪費 透過製程資料分析找出不良品的成因，可減少試模、試產、重工與報廢。對材料成本占比高的產業而言，減少金屬邊料、鑄件不良或塑膠射出廢料，能直接提升材料利用率與經濟效益。