110 臺灣菸酒招考評價職 機械 機械製造與機械材料 考古題詳解

核心觀念

本題考查金屬材料的低溫脆性、晶粒度表示法、塑性加工造成的異向性，以及加工硬化對機械性質的影響。

重點包括：

1. 延脆轉換溫度越低，材料越適合低溫使用。
2. ASTM E112 的晶粒度數字與實際晶粒大小呈反比。
3. 輥軋會使組織、非金屬夾雜物及晶粒排列具有方向性，造成異向性。
4. 抽拉屬於冷作加工，可藉由加工硬化提高降伏強度。

解題方法

本題為單選題，逐一判斷各敘述是否符合材料科學基本原理即可。

其中最容易混淆的是 ASTM E112 的晶粒度數字。晶粒度編號不是「數字越大，晶粒越大」，而是「數字越大，晶粒越細」。

ASTM E112 常用晶粒度關係式可表示為：

其中：

• $N$：每平方英吋、在 $100$ 倍放大倍率下的晶粒數
• $G$：ASTM 晶粒度號數

因此，$G$ 增加時，單位面積內的晶粒數增加，代表平均晶粒尺寸變小。

選項分析

(A) 正確

延脆轉換溫度（ductile to brittle transition temperature, DBTT）越低，表示材料在越低的溫度下仍能保持延性破壞特性。

若材料的 DBTT 較低，於相同的低溫工作環境中，其工作溫度較不容易低於延脆轉換溫度，因此發生脆性破斷的機率較低。

所以「延脆轉換溫度越低，在較低的工作溫度使用時，比較不會產生脆性破斷」為正確敘述。

(B) 錯誤

ASTM E112-13 用於測定金屬材料的平均晶粒度。其晶粒度號數 $G$ 越大，表示單位面積內的晶粒數越多，平均晶粒尺寸反而越小。

亦可由下式看出：

核心觀念

本題考查材料拉伸試驗中的下列觀念：

1. 楊氏模數與材料剛性的關係。
2. 真實應力—真實應變曲線中的應變硬化指數 $n$。
3. 偏位降伏強度（offset yield strength）的求法。
4. 延性材料容許應力與安全係數的關係。

真實應力—真實應變關係常以 Hollomon 方程式表示：

其中：

• $\sigma$：真實應力
• $\varepsilon$：真實塑性應變
• $K$：強度係數
• $n$：應變硬化指數

解題方法

逐一依材料力學與材料強度的基本定義判斷選項。判斷本題關鍵在於 $n$ 值與應變硬化能力的關係：

由

可知，在相同的應變條件下，$n$ 值愈大，應力隨應變增加的速度愈快，表示材料具有較強的應變硬化能力。因此，敘述「$n$ 值愈高，越不容易產生應變硬化」與公式及物理意義相反，為錯誤選項。

選項分析

(A) 材料的楊氏模數（Young’s modulus）可以代表材料的剛性（stiffness）

正確。

在應力—應變曲線的彈性比例階段，楊氏模數定義為：

或更精確地表示為曲線初始彈性直線段的斜率：

楊氏模數愈大，表示材料在相同應力下產生的彈性應變愈小，材料愈不容易發生彈性變形，因此可用來表示材料本身的剛性。

需區分材料剛性與構件剛性：

• 材料剛性主要由 $E$ 表示。
• 構件剛性還受到幾何形狀、截面尺寸及支承條件影響，例如軸向構件剛性為 $EA/L$。

本選項談的是材料的剛性，因此敘述正確。

(B) 真實應力—真實應變的曲線 $\sigma=K\varepsilon^n$，其中 $n$ 值愈高，代表材料越不容易產生應變硬化

錯誤。

$n$ 稱為應變硬化指數，代表材料在塑性變形過程中，抵抗後續塑性變形的能力。$n$ 值愈大，表示材料的應力會隨塑性應變增加得愈快，應變硬化能力愈強。

因此：

• $n$ 值小：應變硬化能力較弱。
• $n$ 值大：應變硬化能力較強。

核心觀念

本題考查鑄造中的三個重要觀念：

1. 偏析（segregation）：凝固時合金元素在鑄件不同部位的濃度差異。
2. 凝固時間與模數（modulus）：鑄件凝固速度受體積與散熱表面積影響。
3. 灰鑄鐵的石墨化膨脹：碳以石墨析出時，會造成體積膨脹，抵銷部分凝固收縮。

鑄造凝固時間通常依 Chvorinov 定律表示：

其中：

• $t_s$：凝固時間
• $V$：鑄件體積
• $A$：鑄件與鑄模接觸的表面積
• $C$：與鑄模及金屬材料有關的常數
• $n$：通常約為 2

因此，凝固時間與 $V/A$ 有關，而不是單獨與表面積成正比。

解題方法

逐一檢查各選項是否符合鑄造基本原理：

• 偏析判斷：看低熔點合金元素是集中於表面還是中心。
• 凝固時間判斷：套用 Chvorinov 定律。
• 灰鑄鐵判斷：確認石墨析出時的體積變化。
• 冷激件判斷：區分「降低實際收縮量」與「改善補縮、降低縮孔缺陷」。

選項分析

(A) 錯誤

逆偏析的形成，主要是凝固過程中枝晶間富含溶質的液態金屬流向鑄件表面，使鑄件表面附近的低熔點合金元素濃度較高。

因此通常可表示為：

題目卻說鑄件中心的低熔點合金元素濃度比表面高，方向相反，故錯誤。

(B) 錯誤

核心觀念

本題考查壓鑄法的種類、適用材料、薄壁鑄件的力學特性，以及埋入式壓鑄的應用。

壓鑄是將熔融金屬以高壓、高速射入金屬模具中，使其快速凝固成形。依熔融金屬供料方式，可分為：

• 熱室壓鑄法（hot-chamber die casting）：壓射機構浸置於熔湯中，適合熔點較低、對壓射機構腐蝕性較小的合金，例如鋅合金、鎂合金及部分鉛錫合金。
• 冷室壓鑄法（cold-chamber die casting）：熔湯在壓射前才舀入壓室，適合熔點較高或會嚴重侵蝕壓射機構的合金，例如鋁合金、銅合金及部分鎂合金。

此外，壓鑄件通常具有薄壁、高尺寸精度及良好表面品質。若將銷、軸、螺紋夾持器等零件先放入模具，再使熔湯包覆並凝固，可形成埋入式壓鑄（insert die casting）。

解題方法

逐一檢查各選項的材料與壓鑄法是否相符，再判斷強度重量比與埋入式壓鑄的基本應用。

判斷重點如下：

1. 鋅合金通常使用熱室壓鑄法。
2. 銅合金通常使用冷室壓鑄法。
3. 壓鑄件為追求輕量化，通常設計為薄壁；壁厚增加時，重量增加的速度通常高於承載能力的增加速度，因此強度重量比不會隨壁厚增加而增加。
4. 金屬嵌件可以在壓鑄時與鑄件結合，形成一體化零件。

選項分析

(A) 鋅合金壓鑄件常使用冷室壓鑄法製造

錯誤。

鋅合金熔點較低，且熔湯對壓射機構的侵蝕性相對較小，適合採用熱室壓鑄法。熱室壓鑄具有熔湯供給迅速、循環時間短及生產效率高等優點，因此鋅合金壓鑄件通常使用熱室壓鑄法。

冷室壓鑄法主要用於鋁合金、銅合金等熔點較高或不適合長時間接觸壓射機構的材料。

(B) 銅合金壓鑄件常使用熱室壓鑄法製造

錯誤。

核心觀念

金屬射出成型（Metal Injection Molding, MIM）是將細微金屬粉末與高分子黏結劑混合成可流動的餵料，再以射出成型製成毛胚，依序經過脫脂與燒結，獲得接近最終尺寸的金屬零件。

MIM 的主要流程為：

1. 混料與造粒：金屬粉末與黏結劑均勻混合。
2. 射出成型：將餵料注入模腔，形成毛胚。
3. 脫脂（debinding）：去除毛胚中的黏結劑。
4. 燒結（sintering）：在高溫下使金屬粉末互相擴散、收縮並緻密化。

本題的關鍵在於辨識 MIM 的專有名詞、適用範圍、模具磨耗與成型缺陷。

解題方法

逐一檢查各選項是否符合 MIM 的製程原理：

• 若敘述符合金屬粉末射出成型的材料特性或製程現象，則為正確。
• 若將 MIM 專有製程名稱誤用，則為錯誤。
• 本題詢問「何者錯誤」，因此找出唯一不符合 MIM 定義的選項即可。

其中最容易判斷的是黏結劑去除程序的名稱：MIM 中稱為 脫脂（debinding），不是 degreasing。

選項分析

(A) 正確

MIM 使用的金屬粉末通常粒徑細小，但金屬粉末本身具有磨粒性。射出過程中，含有金屬粉末的餵料會高速通過澆口、流道及模腔，並與模具表面產生相對滑動。

因此，模腔壁與金屬粉末之間的摩擦可能造成：

• 磨粒磨耗（abrasive wear）：硬質金屬粉末刮削模具表面。
• 黏著磨耗（adhesive wear）：模具材料與餵料在壓力、溫度及滑動作用下發生局部黏著與撕裂。

所以，MIM 模具通常需選用耐磨工具鋼，並重視模具表面硬化及拋光處理。此選項敘述正確。

(B) 正確

MIM 的主要優點是能以接近塑膠射出成型的方式，大量製造形狀複雜、尺寸小且精度要求高的金屬零件，並可減少後續切削加工。

核心觀念

本題考查鍛造缺陷、潤滑作用、分模線設計及壓印加工的基本概念：

• 鍛造欠填（underfill）：胚料體積不足或金屬流動不充分，無法完全填滿模穴，薄腹板部位可能產生縐曲、凹陷。
• 桶形（barreling）：鍛造圓柱胚料時，因模具與工件端面間的摩擦阻礙材料向外流動，中部向外鼓出而形成桶狀。
• 分模線（parting line）：通常設於工件的最大截面處，以利模穴充填、毛邊形成及鍛件脫模。
• 壓印（coining）：利用封閉模具施加高壓，使金屬流動並充滿模穴細部，屬於閉模鍛造的一種。

解題方法

逐項對照鍛造的標準設計與加工原理。題目問「錯誤」敘述，其中最關鍵的判斷是分模線的位置：

鍛造分模線應設在工件的最大截面處，而非最小截面處。

因此可直接判定 (C) 錯誤。

選項分析

(A) 正確

若胚料體積不足，金屬材料無法充分流入並填滿整個模穴，薄腹板部位容易因材料供給不足而產生縐曲，最後形成凹陷或欠填缺陷。

因此此敘述正確。

(B) 正確

核心觀念

本題考查影響金屬材料疲勞限的主要因素，尤其是：

1. 晶粒大小與材料強度的關係。
2. 表面粗糙度與應力集中。
3. 表面鍍層對疲勞與腐蝕的影響。
4. 殘留壓縮應力對疲勞裂紋生成的抑制作用。

疲勞破壞通常由材料表面或應力集中處開始。若能提高材料強度、降低表面缺陷，或在表面形成殘留壓縮應力，通常可提升疲勞限。

解題方法

逐項判斷各種處理對疲勞破壞的影響：

• 晶粒細化通常可提高強度及疲勞限；晶粒粗化則會降低材料抵抗疲勞裂紋起始的能力。
• 表面研磨、拋光可降低表面缺口與應力集中。
• 適當鍍鎳可改善表面耐蝕性與表面狀態，降低腐蝕疲勞的影響。
• 噴砂或噴丸可在表面造成殘留壓縮應力，使疲勞裂紋較不易生成及成長。

因此，找出會使晶粒粗大、材料強度降低的處理，即可判定答案。

選項分析

(A) 藉由退火處理增加汽車輪軸的晶粒尺寸

錯誤，亦即本題答案。

退火通常會使材料軟化、消除內部應力，並可能造成晶粒長大。晶粒尺寸與降伏強度通常可由 Hall–Petch 關係表示：

其中 $d$ 為晶粒直徑。晶粒尺寸越小，$d^{-1/2}$ 越大，材料強度越高；晶粒尺寸增加時，材料強度下降，也較容易發生疲勞裂紋。

因此，利用退火使汽車輪軸晶粒粗大，無法提升疲勞限，反而可能降低疲勞強度。

(B) 進行研磨及拋光處理降低汽車輪軸的表面粗糙度

核心觀念

電鑄成型（electroforming）是利用電解作用，使金屬離子在原型母模表面逐漸沉積，形成具有原型形狀的金屬製品，再將電鑄層與母模分離。

其基本配置為：

• 原型母模：接為陰極，使金屬離子在其表面還原沉積。
• 電鑄材料：接為陽極，通常為欲沉積的金屬。
• 電解液：含有欲沉積金屬的金屬離子。

陰極反應可表示為：

金屬離子在陰極表面得到電子，還原成金屬並逐層堆積。

電鑄與電鍍使用相同的電解原理，差別主要在目的：

• 電鍍：在工件表面形成薄膜，主要改善防蝕、耐磨或外觀。
• 電鑄：使沉積金屬達到足夠厚度，脫離母模後成為獨立零件。

解題方法

判斷本題的關鍵是記住電鑄時的極性：

金屬必須在母模表面沉積，因此母模必須是陰極；金屬材料則作為陽極，供應電解液中的金屬離子。

逐一檢查選項後，極性配置相反的敘述即為錯誤答案。

選項分析

(A) 使用與電鍍（electroplating）相同的電解原理

正確。

電鑄與電鍍都是利用直流電使電解液中的金屬離子，在陰極表面還原沉積。兩者的基本電化學原理相同，差別在於沉積層的厚度及最終用途。

核心觀念

深抽引是利用沖頭將平板胚料壓入凹模，使其塑性變形成杯狀、盒狀或其他中空容器的沖壓加工法。本題重點包括：

1. 深抽引所能製造的工件形狀與深徑比。
2. 極限引伸比（limiting drawing ratio, LDR）的定義。
3. 平面異方向性與凸耳（earing）的關係。
4. 方形胚料切角對撕裂破壞的影響。

極限引伸比定義為：

其中：

• $D_0$：胚料原始直徑
• $d_p$：沖頭直徑

LDR 越大，表示材料能由較大直徑胚料一次深抽引成較小直徑杯件，材料的深抽引性越佳。

解題方法

本題屬於深抽引基本觀念判斷題。解題時依序檢查：

1. 深抽引是否有助於製造高深徑比工件。
2. 極限引伸比的分子、分母是否寫反。
3. 平面異方向性是否會造成凸耳。
4. 方形胚料的切角是否能降低角部應力集中與撕裂風險。

其中最關鍵的是選項（B）的公式判斷。只要掌握：

即可直接判定其敘述錯誤。

選項分析

（A）正確

深抽引可將平板胚料加工成深度較大的杯狀或盒狀工件，因此適合製造具有較高深徑比的工件。

深徑比通常可表示為：

其中 $h$ 為工件深度，$d$ 為工件直徑。深抽引相較於單純彎曲或一般淺沖壓，更能形成深度較大的中空工件，因此本選項正確。

（B）錯誤

題目給定：

核心觀念

本題考查粉末冶金的粉末製造、成形與燒結方法，判斷重點如下：

• 霧化法：利用高壓水流或氣體將熔融金屬破碎成粉末。
• 液相燒結：燒結過程中產生液相，使固體粉末顆粒重新排列、溶解—析出並提高致密度。
• 粉末鍛造：先將金屬粉末壓製成預成形體，再加熱鍛造成最終零件。
• 滑鑄：將粉末與液體及黏結劑混合成漿料，倒入吸液性模具中成形，適合大型、複雜或多孔性製品。

解題方法

本題問「何者錯誤」，逐一檢查各敘述是否符合粉末冶金的基本特性。

其中，金屬粉末形狀是重要判斷依據：

• 水霧化冷卻速度快，且水流衝擊作用強，粉末通常呈不規則形、破碎形或近似海綿狀。
• 惰性氣體霧化的冷卻與破碎作用較溫和，熔滴在飛行及凝固過程中受表面張力作用，通常可形成較接近球形的粉末。

因此，A 選項的比較方向相反，為錯誤敘述。

選項分析

(A) 使用水霧化較使用惰性氣體噴霧法可以製造近似球狀的金屬粉末

錯誤。

水霧化時，水流具有強烈的破碎與急冷作用，容易使熔融金屬液滴在尚未充分收縮成球形前即凝固，因此粉末多呈不規則形狀，表面也較粗糙。

惰性氣體霧化時，熔融金屬液滴在氣流中飛行，液滴可在表面張力作用下趨於球形，故通常較容易得到球狀或近似球狀粉末。

一般比較如下：

所以，A 將兩種霧化法的粉末形狀特性顛倒，敘述錯誤。

(B) 碳化鎢刀具可採用液相燒結製造

正確。

碳化鎢刀具通常以硬質合金形式製造，主要成分為碳化鎢 $WC$，並以鈷 $Co$ 作為黏結相。

製程通常包括：

核心觀念

本題考查玻璃纖維強化塑膠的成型方法，以及各製程適用的產品形狀與生產方式。

「連續玻璃纖維強化塑膠」係以連續排列的玻璃纖維作為補強材，浸潤樹脂後經成型、固化而製成。若產品具有：

• 連續纖維補強；
• 長度可連續增加；
• 沿長度方向截面形狀固定；
• 需要量產製造異型截面型材；

最適合採用拉擠成型（pultrusion）。

補充而言，玻璃纖維強化塑膠通常稱為 GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastics）；CFRP 一般指碳纖維強化塑膠。本題英文括號將 CFRP 用於 continuous fiberglass reinforced plastics，名稱使用並不嚴謹，但不影響製程判斷。

解題方法

判斷本題可掌握兩個關鍵字：

1. 「連續玻璃纖維」：表示纖維需沿製品長度方向連續通過成型設備。
2. 「量產製造異型截面」：表示產品類似具有固定截面的長條型材，例如棒材、管材、槽鋼、角材、梯材及結構型材。

拉擠成型的基本流程為：

連續纖維束在牽引力作用下通過具有特定截面形狀的模具，樹脂在模具內固化，最後形成截面固定且長度方向連續的異型型材。因此，本題答案為拉擠成型。

選項分析

(A) 壓力模製法（compression molding）

壓力模製法是將片狀模塑料、團狀模塑料或預浸材料置於模具中，再施加壓力並加熱，使材料流動、充模及固化。

其特性為：

• 適合製造具有複雜曲面的三維零件；
• 適合汽車零件、外殼、蓋板等單件或批量製品；
• 製品通常為定長零件；
• 不適合讓連續玻璃纖維長時間通過模具，以連續生產長條型材。

因此，壓力模製法不符合本題「連續纖維、異型截面、量產」的主要條件，錯誤。

核心觀念

刃口積層（built-up edge, BUE）是切削過程中，工件材料因高壓、高溫與摩擦作用，黏附並堆積在刀具前刀面與刃口附近所形成的積層。BUE 常發生於：

• 切削速度偏低至中等的範圍
• 切削負荷大
• 刀具不夠鋒利
• 刀具斜角小，切屑流動阻力大
• 刀具與工件間摩擦較嚴重時

減少 BUE 的基本方向，是降低刀具—切屑間的摩擦與黏著，並減少切削負荷。

解題方法

逐一判斷各選項是否能降低 BUE 的形成條件：

1. 提高切削速度，可縮短工件材料黏附在刀具上的時間，並使切削溫度提高至較不易形成穩定積層的範圍。
2. 減少切削深度，可降低切削截面積與切削負荷，使工件材料較不易在刃口堆積。
3. 減少斜角會使切屑流動較不順暢、切削變形與摩擦增加，反而容易形成 BUE。
4. 使用銳利刀具，可降低切削阻力與摩擦，減少材料黏附。

因此，無法減少 BUE 的方法是「減少斜角」。

選項分析

(A) 增加切削速度：錯誤選項

核心觀念

本題考查各類刀具材料的性能、刀具幾何角度與披覆刀具的切削特性，重點包括：

1. 高速鋼的熱硬度、韌性與適用切削型態。
2. 刀具刃口夾角與刃口強度的關係。
3. TiN 披覆層的減摩與耐磨作用。
4. 鑽石刀具與鐵系材料間的化學反應及適用範圍。

判斷關鍵在於：鑽石刀具雖然硬度極高，但不適合長時間切削鐵系材料。

解題方法

逐項依照刀具材料的「硬度、熱硬度、韌性、摩擦特性及與工件材料的相容性」判斷。

其中第（D）項涉及刀具壽命。刀具壽命不只取決於刀具本身硬度，也取決於刀具與工件材料在切削溫度下是否產生化學反應。鑽石的主要成分為碳，鐵對碳具有較強的化學作用；切削鐵製品時，容易發生碳向鐵中擴散、溶解及鑽石石墨化等現象，使刀具快速磨耗。因此，鑽石刀具一般不適合切削鋼及其他鐵系材料。

選項分析

（A）正確

高速鋼刀具的耐熱性與熱硬度低於硬質合金、陶瓷及鑽石刀具，切削溫度升高時，刀刃硬度容易下降。

但高速鋼具有良好的韌性與抗衝擊能力，能承受週期性負荷與刀刃反覆進出工件所造成的衝擊，因此適合銑削、刨削等間斷性切削。此外，高速鋼也常用於形狀複雜、需要較高韌性的刀具。

（B）正確

核心觀念

本題考查各種硬度試驗的壓痕器種類、適用材料及硬度值特性：

• 洛氏硬度（Rockwell hardness）：以壓入深度差測定硬度。
• 勃氏硬度（Brinell hardness）：以球形壓痕器壓入材料，依壓痕直徑計算硬度。
• 蕭氏硬度（Shore hardness）：常用於塑膠、橡膠及彈性體。
• 維克氏硬度（Vickers hardness）：使用固定幾何形狀的正四角錐金鋼石壓頭，依壓痕對角線計算硬度。

解題方法

逐一核對各硬度試驗的標準壓痕器：

1. HRC 是否使用 $120^\circ$ 金鋼石圓錐？
2. HBW 的球形壓痕器材質為何？
3. 蕭氏硬度適用於哪些材料？
4. 維克氏硬度是否必須因材料軟硬更換不同尺寸的壓頭？

其中最關鍵的是辨識 HBW 與傳統 HBS 的差異：

• HBW：使用碳化鎢球（tungsten carbide ball）。
• HBS：使用鋼球（steel ball），屬於較舊的表示方式。

因此，將 HBW 說成使用鋼球壓痕器，即為錯誤敘述。

選項分析

(A) HRC 洛氏硬度使用 $120^\circ$ 金鋼石圓錐壓痕器

正確。

洛氏硬度依壓痕器及試驗負荷區分不同尺度。HRC 適用於較硬材料，使用頂角為 $120^\circ$ 的金鋼石圓錐壓頭，並施加規定的初試驗力及總試驗力，再由壓入深度差直接讀取硬度值。

(B) HBW 勃氏硬度使用鋼球壓痕器

錯誤。

HBW 中的字母 W 代表壓痕球材質為碳化鎢，因此 HBW 應使用碳化鎢球，不是鋼球。

勃氏硬度的基本概念是以球形壓頭壓入試件表面，依壓痕直徑 $d$ 計算硬度，常用關係式為：

核心觀念

本題考查三種接合方法的特性：

1. 超音波熔接與材料是否能熔融、軟化有關。
2. 軟焊與硬焊的適用工件、加熱方式及接合間隙。
3. 硬焊接頭強度與接合間隙之間並非單純的線性關係。

其中：

• 軟焊（soldering）：填料金屬熔點低於 $450^\circ\text{C}$。
• 硬焊（brazing）：填料金屬熔點高於 $450^\circ\text{C}$，但母材不熔化。
• 超音波熔接：利用高頻機械振動，使接合面產生摩擦熱與塑性變形而接合。

解題方法

逐一判斷各選項是否符合接合製程的基本特性。此題的關鍵在於硬焊接合間隙與接頭強度的關係：接合間隙並非愈大強度愈低，而是存在適當的最佳間隙。

硬焊時，液態填料金屬主要依靠毛細作用流入接合間隙。若間隙太小，填料金屬不易流入；若間隙太大，毛細作用減弱，且接頭中填料金屬層過厚，容易降低接頭強度。因此接頭強度通常呈現「先增加、達到最佳值後再下降」的趨勢，而非隨間隙增加便必然減少。

選項分析

(A) 熱固性酚醛樹酯無法使用超音波熔接進行接合——正確

酚醛樹脂屬於熱固性塑膠。熱固性材料經加熱固化後，形成交聯結構，後續加熱不會重新熔融，只會分解或劣化。

超音波熔接通常適用於熱塑性塑膠，因為熱塑性塑膠可在接合處受熱軟化或熔融，冷卻後重新固化。熱固性酚醛樹脂無法重新熔融，因此不能採用一般超音波熔接方式接合。

核心觀念

本題考查銑削加工中，切削條件與銑刀齒數對工件表面粗糙度的影響。

銑削表面粗糙度主要受到下列因素影響：

• 每齒進給量 $f_z$
• 銑刀齒數
• 主軸轉速
• 銑刀半徑與刀尖幾何形狀
• 機台與工件的振動、振顫

在其他條件相同下，每齒進給量越小，單一刀齒在工件表面留下的切削痕跡越細，表面粗糙度越小。

銑削的進給關係為：

其中：

• $v_f$：工作台進給速度
• $f_z$：每齒進給量
• $z$：銑刀齒數
• $n$：主軸轉速

因此：

在工作台進給速度與主軸轉速固定時，銑刀齒數 $z$ 增加，會使每齒進給量 $f_z$ 減小，通常可獲得較小的表面粗糙度。

以理想幾何切削痕跡表示，表面粗糙度也大致與每齒進給量的平方成正比：

其中 $r$ 為刀尖圓弧半徑。因此，降低 $f_z$ 是改善銑削表面粗糙度的重要方法。

解題方法

判斷各選項對表面粗糙度的影響：

1. 進給增加，通常使每齒切削量增加，粗糙度變大。
2. 主軸轉速降低，切削痕跡間距通常增大，粗糙度變差。
3. 發生振動與振顫，會使切削深度不穩定，造成波紋與不規則刀痕。
4. 在總進給速度與主軸轉速相同時，增加銑刀齒數可降低每齒進給量，改善表面粗糙度。

因此正確選項為 (D)。

選項分析

(A) 採用較高的進給

錯誤。

由公式：

核心觀念

本題考查智慧製造與現代生產系統的基本概念，包括：

1. 彈性製造系統（FMS）的特性。
2. 人工智慧系統中知識庫與推論規則的表示方式。
3. 及時生產（JIT）對供應鏈與供應商管理的要求。
4. CAD/CAM 系統中 CAM 的功能與輸出結果。

判斷重點在於辨識各敘述是否符合這些系統的基本定義與管理特性。

解題方法

本題採逐項判斷法：

• FMS 的核心在於提高製造系統對產品變更與製程變動的適應能力。
• AI 知識庫常以專家知識及「若—則」（if-then）規則表示。
• JIT 強調低庫存、準時供料，因此會提高對供應商交貨能力的依賴。
• CAM 的主要工作是依據 CAD 圖形與製程資料，自動產生數控工具機可使用的加工程式。

其中，JIT 的敘述若宣稱「供應商依賴性較少」且「延遲供貨不會影響生產」，即與 JIT 的基本精神相反。

選項分析

(A) 使用彈性製造系統（FMS），產品的交替所需的前置時間較短

正確。

FMS 通常由數值控制工具機、自動物料搬運系統、中央控制系統及相關製造設備組成，能在同一系統內加工多種產品或零件。

由於設備具備自動換刀、自動換模、程式快速切換及自動搬運等功能，當產品由一種轉換為另一種時，所需的換線、換模與設定時間較短，因此產品交替所需的前置時間可縮短。

FMS 的主要特性包括：

• 製造設備具有彈性。
• 可加工多種不同產品。
• 生產準備與換線時間較短。
• 可降低在製品與等待時間。
• 適合多樣少量或中量生產。

因此，(A) 敘述正確。

(B) AI 用於智慧製造時，知識庫一般使用 if-then 的法則行之

正確。

在以專家系統為基礎的人工智慧應用中，知識庫會儲存領域專家的經驗、判斷條件及處理規則，常見表示方式為「若—則」規則：

例如機械設備故障診斷可以表示為：

• IF 軸承溫度過高 AND 振動值異常
• THEN 判定軸承可能磨損，並安排檢查或更換。

智慧製造可利用此類規則進行製程監控、設備故障診斷、品質判定及生產決策。因此，(B) 敘述正確。

核心觀念

本題考查切削刀具壽命與刀具磨耗型態，重點包括：

1. 黏著磨損（adhesion wear）
2. 刀具幾何角度對刃口強度的影響
3. 擴散磨損（diffusive wear）
4. 刀腹磨耗（flank wear）與刀面磨耗（crater wear）的成因

刀具壽命是指刀具自開始切削至磨耗達到規定失效標準前的有效切削時間。常用 Taylor 刀具壽命公式表示為：

其中 $V$ 為切削速度、$T$ 為刀具壽命、$n$ 與 $C$ 為與刀具及工件材料相關的常數。

解題方法

判斷各選項是否符合刀具磨耗的基本機理：

• BUE 脫落是否會造成刀具材料被撕離；
• 刀具角度變大是否會削弱刃口；
• 擴散磨損是否屬於固態高溫下的元素擴散；
• 韌性材料與脆性材料主要造成哪一種磨耗。

其中，韌性材料通常容易產生長切屑，切屑與刀具前刀面接觸時間長、摩擦及溫度高，較容易造成刀面磨耗與 crater wear；刀腹磨耗則常與工件硬質夾雜物、磨粒及刀具後隙面和已加工表面的摩擦有關。

選項分析

(A) 正確

黏著磨損是指工件材料、切屑與刀具在高壓及高溫下，於接觸面形成局部黏著。切削時常在刀具前刀面形成刃口積層（Built-Up Edge, BUE）。

當 BUE 不穩定而脫落時，可能同時撕離刀具表面的微量材料，使刀具表面形成磨耗。因此，選項所述「BUE 脫落時撕落刀具表面材料」符合黏著磨損的成因。

(B) 正確

刀具的斜角、隙角若過大，會使刀尖及刃口的楔角變小。刀具楔角可概念性表示為：

核心觀念

放電加工（EDM）是利用工具電極與工件之間的脈衝放電，使局部材料瞬間熔化、汽化，再由介電液排除加工屑。工件表面會形成許多放電凹坑，因此表面粗糙度與放電能量、放電時間、放電頻率、電極材料及加工間隙等因素有關。

單次放電能量可表示為：

其中：

• $V$：放電電壓
• $I$：放電電流
• $t_{\mathrm{on}}$：放電持續時間

精加工時通常採用較小的放電能量，使放電凹坑較小，藉以獲得較佳的表面品質與尺寸精度。

解題方法

本題採用「EDM加工參數與電極材料特性」逐項判斷：

1. 判斷放電頻率與表面品質的關係。
2. 判斷電極高速振動對排屑及加工穩定性的影響。
3. 判斷石墨電極的耐磨耗特性。
4. 判斷鎢電極適合加工窄槽的原因。

其中，精加工通常須降低單次放電能量，使表面凹坑細小；放電頻率降低並不會使表面精度自然提高，故可先鎖定放電頻率敘述進行判斷。

選項分析

(A) 放電加工時，工件的表面精度隨放電頻率減少而增加

錯誤。

放電加工表面的凹坑大小與單次放電能量密切相關。一般精加工會採用短脈衝、小電流及較高的放電頻率，使單位面積上的放電凹坑較細小且分布較均勻，因而改善表面粗糙度與加工精度。

放電頻率降低時，放電作用較稀疏，無法因此直接提升表面精度。更重要的是，表面品質並非單純隨放電頻率降低而提高，題目所述的變化方向不正確。

核心觀念

本題考查特殊切削加工的加工原理、適用材料及加工特性，主要包括：

• 雷射束加工（LBM）：利用雷射能量集中，使材料熔融、汽化或剝離。
• 電化學加工（ECM）：利用電化學陽極溶解去除工件材料。
• 超音波加工（USM）：利用工具端振動，帶動磨料撞擊工件表面，使材料脆性破碎去除。

判斷重點在於各加工法對「材料導電性」及「熱影響」的要求。

解題方法

逐一檢查各選項的適用材料與加工特性：

1. 雷射加工可處理金屬與非金屬。
2. ECM 的工件必須具備導電性。
3. USM 適合加工玻璃、陶瓷等脆性非金屬。
4. USM 屬低熱輸入加工，熱影響通常很小。

其中第 2 項將 ECM 的適用範圍擴大至一般非金屬材料，違反 ECM 的基本加工條件，因此為錯誤敘述。

選項分析

(A) 正確

雷射束加工是將雷射光集中於極小面積，使材料產生高能量密度。加工區域可因熔融、汽化及蒸發而去除材料。

雷射來源可分為：

• 固體雷射，例如 Nd:YAG 雷射。
• 氣體雷射，例如 CO₂ 雷射。

雷射加工不依賴工件必須導電，因此可加工金屬，也可加工塑膠、陶瓷、玻璃等非金屬材料。故本選項正確。

(B) 錯誤

電化學加工是以工件作為陽極、工具作為陰極，兩者置於電解液中並施加直流電。工件表面發生陽極溶解，材料以離子形式進入電解液而被去除。

其基本原理可用法拉第定律表示：

其中：

• $m$：去除材料質量
• $M$：材料的莫耳質量
• $I$：加工電流
• $t$：通電時間
• $n$：反應電子數
• $F$：法拉第常數

核心觀念

本題考查砂輪（膠合磨料工具）標準標註中，各符號與數字所代表的意義。砂輪標註通常依序表示：

題目標註為：

各部分意義如下：

• $C$：碳化矽磨料（Silicon Carbide）。
• $46$：磨粒度，即磨料顆粒大小。
• $M$：砂輪硬度等級。
• $6$：砂輪組織號，表示磨粒間的疏密程度。
• $BF$：纖維強化樹脂結合劑（強化樹脂膠合劑）。
• $43$、$23$：依標準所定的製造者或產品識別代號。

其中，$BF$ 並非強化橡膠。

解題方法

本題不需計算，直接依砂輪標註順序逐項對照定義即可。解題關鍵是區分：

• 磨料種類：英文字母 $A$、$C$ 等。
• 磨粒度：兩位數字，如 $46$。
• 硬度等級：英文字母，如 $M$。
• 結合劑：如 $V$、$B$、$BF$、$R$、$RF$ 等。

結合劑符號中：

• $B$：樹脂結合劑。
• $BF$：纖維強化樹脂結合劑。
• $R$：橡膠結合劑。
• $RF$：纖維強化橡膠結合劑。

核心觀念

析出硬化（precipitation hardening）是利用合金元素在固態中的溶解度隨溫度變化，使過飽和固溶體中析出細小、均勻分布的第二相，以阻礙差排運動而提高強度與硬度。

典型處理流程為：

其中：

• 固溶處理：加熱至適當溫度，使析出元素溶入基體。
• 淬火：快速冷卻，保留過飽和固溶體。
• 時效處理：在室溫或適當升溫下，使細小析出物形成。

析出物可藉由切過機制或繞過機制阻礙差排運動，因而提升材料強度。

解題方法

本題採用「必要條件與普遍性判斷」：

1. 判斷析出硬化的基本流程是否正確。
2. 判斷析出物阻礙差排的敘述是否正確。
3. 注意析出硬化並非所有合金都能使用，必須具備適當的固態溶解度變化及析出條件。
4. 針對鋁合金導電性，應區分「合金本身比純鋁導電性低」與「時效析出後相較於淬火狀態的變化」。

選項分析

(A) 時效處理前必須先作固溶處理及淬火處理——正確

析出硬化的目的，是先製造過飽和固溶體，再使析出物於時效階段析出。

固溶處理使合金元素充分溶入基體；淬火則抑制其在高溫冷卻過程中立即析出，保留過飽和狀態。因此，完整的析出硬化通常必須先經固溶處理與淬火，才能進行時效處理。

(B) 適當的析出物大小可以有效阻擋差排運動——正確

細小且適量的析出物能有效阻礙差排運動，使差排必須切過析出物，或繞過析出物前進，因而提高降伏強度與硬度。

核心觀念

本題考查研磨加工的基本原理，包括：

1. 無心研磨的工件支撐方式。
2. 砂輪直徑對單一磨粒負荷的影響。
3. 砂輪硬度（grade）與工件材料硬度的配合。
4. 砂輪速度對研磨熱與殘留應力的影響。

其中必須區分：

• 砂輪所承受的總研磨力。
• 單一磨粒所承受的切削力。

題目選項 B 指的是「磨粒所受的力」，不是砂輪的總研磨力。

解題方法

依研磨原理逐項判斷：

• 無心研磨是否需要中心孔及頂心支撐。
• 砂輪直徑增加時，接觸弧長與同時參與切削的磨粒數如何變化。
• 砂輪硬度是否適合工件材料。
• 砂輪速度降低是否有助於降低研磨熱與殘留應力。

在相同研磨條件下，砂輪與工件的接觸弧長可近似表示為：

其中：

• $l_c$：接觸弧長
• $a$：研磨深度
• $D$：砂輪直徑

當砂輪直徑 $D$ 增加時，接觸弧長增加，同時參與研磨的磨粒數量增加，研磨負荷會分散到更多磨粒上，因此單一磨粒所受的平均力通常降低，而不是增加。

選項分析

(A) 使用無心研磨（centerless grinding）時，工件是使用支托座支撐

正確。

無心研磨不使用工件中心孔，也不使用頂心支撐工件。工件通常由下列機件共同作用：

• 砂輪：提供主要切削作用。
• 調整輪：控制工件旋轉及軸向進給。
• 支托座或支承刀板（work-rest blade）：從下方支撐工件。

因此，工件確實是使用支托座支撐。

(B) 使用砂輪磨削時，磨粒所受的力，隨砂輪直徑增加而增加

錯誤。

核心觀念

本題考查圓環壓縮試驗（ring compression test）利用「高度減少百分比」與「內徑變化百分比」查圖求摩擦係數。壓縮過程可視為體積近似不變，因此先由體積守恆求出壓縮後內徑。

解題方法

初始尺寸為：

• 高度：$h_0=10\text{ mm}$
• 外徑：$D_0=30\text{ mm}$
• 內徑：$d_0=20\text{ mm}$

高度減少 $50\%$，所以：

圓環體積不變：

代入 $D_1=35.44\text{ mm}$：

因此：

內徑變化百分比為：

核心觀念

本題考查車削加工的材料移除率（Material Removal Rate, MRR）。

車削時，工件由原始直徑車削至成品直徑，單位軸向長度所移除的材料截面積為環形面積：

其中：

• $D_0=0.6\text{ in}$：原始直徑
• $D_f=0.54\text{ in}$：車削後直徑

材料移除率為：

其中 $v_f$ 為刀具沿工件軸向的進給速率。

解題方法

先計算每單位軸向長度的材料移除截面積：

刀具軸向移動速率為 $10\text{ in/min}$，因此：

取小數第三位，四捨五入得：

題目給出的工件長度 $6\text{ in}$ 不影響瞬時材料移除率；轉速 $500\text{ rpm}$ 也已不需再使用，因為題目直接給出刀具的軸向移動速率。

選項分析

核心觀念

青銅（Bronze）是以銅（Cu）為主要成分，並以錫（Sn）為主要添加元素的銅合金，典型組成為銅－錫合金。古代青銅器常以此類合金製造，具有比純銅更高的硬度、強度與耐磨性，也較適合鑄造成形。

本題考查常見銅合金的種類與組成：

• 青銅：銅－錫合金，Cu-Sn
• 黃銅：銅－鋅合金，Cu-Zn

因此，古代青銅器的主要金屬組成為銅和錫。

解題方法

看到「青銅」一詞，直接連結其材料定義：

再與各選項比對，即可判定正確答案為銅和錫。

核心觀念

本題考查金屬材料的導電性比較。導電率通常以 $\sigma$ 表示，與電阻率 $\rho$ 互為倒數：

因此，金屬的電阻率越小，導電率越高。

在常溫、純金屬且比較條件相同下，常見金屬的導電率排序為：

其中銀的電阻率最小，因此導電率最高。

解題方法

直接依金屬材料的標準導電性排序判斷即可。常溫下各金屬的典型電阻率約為：

由於 $\sigma=1/\rho$，電阻率最小的銀，其導電率最高。

核心觀念

本題考查金屬塑性加工方法與成品機械性質的關係，重點在於判斷何種加工最能使零件具有高強度與耐衝擊性。

鍛造是利用壓縮力使金屬在固態下產生塑性變形，常以模具使材料成形。鍛造具有下列優點：

• 可壓實金屬內部孔隙與疏鬆。
• 可使金屬纖維流線沿零件外形分布。
• 可減少鑄造缺陷對強度的不利影響。
• 可提高疲勞強度、韌性與耐衝擊性。
• 適合製造承受高負荷或衝擊負荷的零件。

其中，「纖維流線」是鍛造件具有優良機械性質的重要原因。若零件形狀與受力方向配合得當，纖維流線可沿主要受力方向分布，使零件較不易因裂紋擴展而破壞。

解題方法

題幹的關鍵字是「強度大」與「耐衝擊」。判斷塑性加工法時，應優先選擇能夠：

1. 改善材料內部組織；
2. 減少孔隙、疏鬆等缺陷；
3. 形成有利於受力的金屬纖維流線；
4. 提高韌性與疲勞強度。

四個選項中，鍛造最能同時滿足上述條件，因此最適合製造齒輪、曲軸、連桿、螺栓、車軸等需要承受高負荷或衝擊的機械零件。

選項分析

(A) 鍛造：正確

鍛造以壓縮應力使金屬成形，能改善材料內部組織並使纖維流線沿零件輪廓分布。相較於鑄造件，鍛造件通常具有較高的強度、韌性、疲勞強度與耐衝擊性。

因此，對於需要高強度或耐衝擊的機械零件，鍛造是最適合的加工方法。

(B) 滾軋：錯誤

滾軋是利用旋轉滾輪對金屬施加壓力，使材料厚度減少或截面形狀改變，主要用於製造板材、棒材、線材、鋼軌及型鋼等半成品。

核心觀念

本題考查各種冶煉爐的主要用途，以及「生鐵、鑄鐵、鋼」在冶金流程中的區別。

鑄鐵通常含碳量約 $2.11\%\sim4.3\%$，鑄造工廠常將生鐵、廢鑄鐵及鋼屑等金屬料重新熔化，調整成分後澆注成鑄件。專門用於熔煉鑄鐵的設備為熔鐵爐，又稱沖天爐（Cupola furnace）。

解題方法

判斷各選項的主要冶煉對象：

• 以鑄鐵鑄造工廠的熔化、調質為目的：選熔鐵爐。
• 以鐵礦石還原、製造生鐵為目的：選鼓風爐。
• 以生鐵脫碳、製造鋼為目的：選轉爐或平爐。

題目問的是「能冶煉鑄鐵」的爐具，依鑄造現場的標準設備分類，答案為熔鐵爐。

選項分析

(A) 平爐

平爐（Open-hearth furnace）以火焰加熱爐料，主要用於將生鐵與廢鋼熔化並進行精煉，以製造鋼。其主要產品是鋼，不是鑄造工廠用來熔煉鑄鐵的典型設備，因此錯誤。

(B) 轉爐

核心觀念

金屬材料的性質可概分為：

• 物理性質：與材料本身物理狀態有關，例如比重、密度、熔點、熱膨脹係數、導電性等。
• 機械性質：表示材料承受外力、變形或破壞的能力，例如強度、硬度、韌性、延性、脆性、疲勞強度、抗拉強度等。

本題要求判斷「非屬一般金屬材料的機械性質」，只要辨認各選項所代表的材料性質分類即可。

解題方法

判斷依據是該性質是否與材料承受外力及抵抗變形、破壞的能力有關：

• 若與重量、體積、熱、電、磁等基本特性有關，屬於物理性質。
• 若與拉伸、壓縮、彎曲、剪切、疲勞等受力行為有關，屬於機械性質。

「比重」是材料密度與標準物質密度的比值，反映材料的質量與體積關係，與承受外力的能力沒有直接關係，因此不屬於機械性質。

比重可表示為：

一般以水作為液體材料比重的比較基準。比重沒有單位，屬於物理性質。

選項分析

(A) 比重

比重是材料密度與基準物質密度的比值，主要表示材料的輕重程度。它不描述材料抵抗拉伸、壓縮、剪切或破壞的能力，因此屬於物理性質，非屬機械性質。本選項正確。

核心觀念

本題考查常見金屬的熔點高低。熔點是指物質由固態轉變為液態時的溫度，通常以攝氏溫度表示。

金屬熔點的高低，主要與下列因素有關：

• 金屬原子間的金屬鍵強弱。
• 晶格結構及原子排列的穩定程度。
• 原子間作用力及凝聚能大小。

金屬鍵越強，固態晶格越穩定，熔化時需要提供的能量越多，因此熔點通常越高。

解題方法

直接比較各選項金屬的熔點：

由數值可知：

核心觀念

本題考查鐵—碳合金依共析成分所作的分類。

在鋼的範圍內，碳含量以共析成分約 $0.8\%$ 為分界：

• 亞共析鋼：含碳量低於共析成分，約為 $0.02\%\sim 0.8\%$。
• 共析鋼：含碳量約為 $0.8\%$。
• 過共析鋼：含碳量高於共析成分，約為 $0.8\%\sim 2.11\%$。
• 含碳量超過約 $2.11\%$ 後，通常歸入鑄鐵範圍。

因此，題目所給的 $0.02\%\sim 0.8\%$ 正是亞共析鋼的含碳量範圍。

解題方法

直接以共析成分 $0.8\%$ 作為判斷基準：

題目指定含碳量介於 $0.02\%\sim 0.8\%$，其特徵是「低於或達到共析成分上限，但未超過共析成分」，故判定為亞共析鋼。

選項分析

核心觀念

本題考查鋼中硫元素造成的「熱脆性（hot shortness）」及合金元素的改善作用。

硫在鋼中容易與鐵形成硫化亞鐵（FeS）。FeS 會和鐵形成低熔點共晶物，集中在晶界上。鋼材進行鍛造、軋延等高溫加工時，晶界上的低熔點物質容易熔化，使晶界結合力降低，因而產生熱脆性與熱加工裂紋。

錳對硫具有很強的親和力，會優先與硫形成硫化錳：

MnS 的熔點高、在高溫加工時不易熔化，可避免低熔點 FeS 共晶集中於晶界，因此能降低硫所引起的熱脆性。

解題方法

判斷此題的關鍵，是找出能與硫形成高熔點、穩定硫化物的元素。

鋼中若沒有足夠的錳，硫主要形成 FeS：

FeS 在晶界形成低熔點共晶，造成熱加工時的晶界熔化與脆裂。加入錳後，錳優先與硫反應形成 MnS：

因此可將硫固定成較穩定的高熔點硫化物，降低熱脆性。故正確選項為錳。

核心觀念

冶煉生鐵主要在高爐中進行，原料包括鐵礦石、焦炭與熔劑。題目考查「熔劑」的功能：

• 降低脈石與雜質的熔點。
• 使雜質形成熔融狀態的爐渣（浮渣）。
• 利用爐渣與鐵水比重不同，使爐渣浮在鐵水上方，便於排出。

常用熔劑為石灰石，主要成分是碳酸鈣 $CaCO_3$。

解題方法

判斷關鍵在於題幹中的「作為熔劑，使雜質融化成浮渣」。

石灰石受熱分解：

生成的氧化鈣 $CaO$ 會與鐵礦石中的二氧化矽 $SiO_2$ 等酸性脈石反應，形成熔融狀的矽酸鈣爐渣：

$CaSiO_3$ 等爐渣成分熔點較低，且密度通常小於鐵水，因此會浮在鐵水上方，便於從高爐中排出。

所以正確選項為石灰石。

選項分析

(A) 焦炭

錯誤。焦炭在高爐中主要作用為：

核心觀念

本題考查鋼材合金元素的作用，尤其是不鏽鋼的主要合金元素。

不鏽鋼的關鍵特徵是含有足量的鉻（Cr）。鉻在鋼材表面形成緻密、穩定且具有自我修復能力的氧化鉻薄膜，使鋼材具備優良的耐蝕性。因此，鉻是不鏽鋼最重要、最具代表性的合金元素。

此外，鉻也能提高鋼材的淬透性、強度、硬度、耐磨性及高溫抗氧化性。

解題方法

判斷本題可抓住兩個關鍵：

1. 題目提到「提高強度、硬度」。
2. 題目特別指出「為不鏽鋼重要合金元素」。

雖然矽、鉬、鈷也可能對鋼材強度或高溫性能有所影響，但「不鏽鋼的重要合金元素」最直接且明確指向鉻。當鋼中含有約 $10.5\%$ 以上的鉻時，表面能形成鈍化膜，使其耐腐蝕性顯著提高。

因此，正確選項為鉻。

選項分析

(A) 矽（Si）錯誤

矽主要用作鋼液的脫氧劑，也能以固溶強化方式提高鋼材的強度與硬度，並改善某些鋼材的彈性及耐熱性。

然而，矽並不是不鏽鋼最具代表性的主要合金元素。若題目強調不鏽鋼的基本特徵，應優先想到鉻，而不是矽。

(B) 鉻（Cr）正確

核心觀念

本題考查鋼材中合金元素對「切削加工性（machinability）」的影響。

切削加工性是指材料在車削、銑削、鑽削等加工過程中的難易程度，通常可由下列現象判斷：

• 切削力與切削功率是否較小
• 刀具磨耗是否較少
• 切屑是否容易折斷與排出
• 加工表面是否平滑
• 是否容易形成積屑瘤

為改善切削加工性，鋼中常加入硫、鉛等元素，製成「易切削鋼」。其主要作用是使切削時容易形成短而易斷的切屑，並降低刀具與工件間的摩擦。

解題方法

判斷本題可直接掌握「易切削元素」：

• 硫（S）：最典型的易切削元素
• 鉛（Pb）：常用的易切削元素
• 磷（P）：在適量下可改善切削性，但不是本題最典型的成對答案
• 鎳（Ni）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）：主要用於提高強度、硬度、耐磨性或耐熱性，通常會使切削加工更困難

硫在鋼中通常與錳形成硫化錳（MnS）夾雜物。切削時，MnS 可使金屬基材局部脆化，促進切屑折斷，並降低切削阻力。

鉛則以細小分散的顆粒存在於鋼中，切削時可產生潤滑作用，降低刀具與工件接觸面的摩擦，也有助於切屑斷裂。

因此，最符合題意的組合是硫、鉛。

選項分析

(A) 硫、鉛：正確

硫、鉛皆為鋼材常見的易切削元素。

核心觀念

碳化鎢刀具是以高硬度的碳化鎢（$WC$）作為硬質相，再加入金屬結合劑，經粉末冶金與燒結製成。最常用的結合劑是鈷（$Co$），因此此類材料通常稱為鎢鈷類硬質合金（$WC$–$Co$）。

其中：

• $WC$：提供高硬度、耐磨耗性與耐熱性。
• $Co$：將碳化鎢顆粒黏結成整體，並提高材料的韌性與抗衝擊能力。

解題方法

題目問的是「碳化鎢刀具中通常加入何種元素作為結合劑」。

判斷重點在於辨認硬質合金的基本組成：

碳化鎢本身硬度極高，但脆性也大，單獨使用容易崩刃。加入鈷粉後，經燒結形成金屬黏結相，使$WC$顆粒彼此結合，改善刀具的韌性與抗斷裂能力。

因此，正確答案為鈷（$Co$）。

選項分析

• (A) 釩（$V$）：錯誤。釩在硬質合金中可形成碳化釩（$VC$），主要用於抑制碳化鎢晶粒長大、調整組織與改善耐磨耗性，並非碳化鎢刀具最通常採用的主要結合劑。

核心觀念

冷作加工會使金屬產生塑性變形，造成晶格畸變、內部殘留應力增加，並使材料的硬度、降伏強度提高，延性與加工性降低，此現象稱為「加工硬化」。

消除冷作加工所造成加工硬化的主要方法，是進行再結晶退火。加熱至再結晶溫度以上並保溫，使變形晶粒重新形成無應變的新晶粒，恢復材料的延性與加工性。

在機械製造的退火分類中，專門用來消除冷作加工硬化者，稱為製程退火。

解題方法

判斷關鍵在於題幹的「冷作加工後」與「加工硬化」。

冷作加工後的材料具有大量變形晶粒與內部應變，必須藉由再結晶作用消除加工硬化。因此應選擇具有再結晶效果、且常安排於冷作加工製程之間的退火方式。

製程退火的目的包括：

1. 消除冷作加工所造成的加工硬化。
2. 降低硬度與殘留應力。
3. 恢復延性與塑性。
4. 使材料能繼續接受後續冷加工。

因此正確答案為製程退火。

選項分析

(A) 恆溫退火

恆溫退火是將鋼材加熱至適當溫度後，快速冷卻至某一恆溫溫度，使組織在該溫度下完成轉變，再冷卻至室溫。其主要目的在於縮短退火時間、獲得較均勻的組織與硬度。

雖然恆溫退火也能改善鋼材組織與機械性質，但並非專門針對冷作加工所產生加工硬化的退火方式，故錯誤。

(B) 製程退火

核心觀念

本題考查鋼的臨界變態點與淬火加熱溫度。

亞共析鋼的含碳量低於共析成分，室溫組織通常為：

淬火前必須先將鋼料加熱至完全沃斯田鐵化，使原有的鐵素體與珠光體轉變為單相沃斯田鐵，冷卻後才能形成麻田散鐵。

對亞共析鋼而言，完全沃斯田鐵化的溫度必須高於 $A_3$ 變態點，實務上通常加熱至：

因此正確答案為 $A_3$ 變態點。

解題方法

亞共析鋼在加熱過程中的組織變化如下：

1. 低於 $A_1$：

組織為先共析鐵素體與珠光體。

2. 加熱超過 $A_1$：

珠光體開始轉變為沃斯田鐵，但先共析鐵素體尚未完全溶解，因此仍不是完全沃斯田鐵組織。

3. 加熱超過 $A_3$：

先共析鐵素體也完全轉變並溶入沃斯田鐵，形成單相沃斯田鐵。

4. 再高於 $A_3$ 約 $30\sim50^\circ\text{C}$：

可確保鋼材內部完全沃斯田鐵化。若溫度過高，則容易造成沃斯田鐵晶粒粗大，降低淬火後的韌性與機械性質。

所以，亞共析鋼淬火加熱溫度應以 $A_3$ 為基準，而不是僅以 $A_1$ 為基準。

選項分析

(A) $A_0$ 變態點

錯誤。

核心觀念

本題考查鋼材表面硬化法的分類。判斷依據是硬化過程是否改變材料的化學成分：

• 物理硬化法：利用局部加熱、快速冷卻，使鋼材表面形成麻田散鐵組織，提高硬度；材料的化學成分基本不變。
• 化學硬化法：在加熱過程中，使碳、氮等元素擴散進入鋼材表面，改變表面化學成分，再配合淬火提高硬度。

解題方法

逐一觀察各硬化法的主要作用：

1. 若只是將鋼材表面快速加熱，再淬火，屬於物理硬化法。
2. 若涉及外來元素滲入，使表面成分改變，屬於化學硬化法。

四個選項中，只有「滲碳硬化法」會使碳元素擴散進入鋼材表面，屬於化學硬化法，因此是本題所問的「非屬物理硬化法」。

選項分析

• (A) 火焰硬化法：錯誤

利用氧乙炔火焰或其他燃氣火焰，快速加熱鋼材表面至沃斯田鐵化溫度，隨後立即淬火，使表面形成高硬度麻田散鐵。此法主要改變的是表面組織，並未使外來元素滲入鋼材，屬於物理硬化法。

• (B) 滲碳硬化法：正確

核心觀念

本題考查鋼液脫氧程度與鋼錠組織的分類，重點是區分：

• 沸騰鋼（rimmed steel）
• 半靜鋼（semi-killed steel）
• 全靜鋼（killed steel）

全靜鋼是在鋼液澆鑄前加入足量脫氧劑，例如矽、錳或鋁，使鋼液中的氧充分降低。澆鑄時不會因碳與氧反應生成大量一氧化碳，因此鋼液不產生明顯「沸騰」現象，鋼錠內部較緻密，成分與組織也較均勻。

其主要特性包括：

1. 鋼質成分均勻。
2. 鋼錠內部不易形成氣孔。
3. 偏析程度較小。
4. 適合製造厚板、鍛件、壓力容器及高品質機械零件。
5. 一般不以容易加工或適合薄鋼板作為主要特徵。

解題方法

判斷本題的關鍵，在於掌握「全靜鋼」的核心字義：

• 「靜」表示澆鑄時鋼液保持平靜。
• 「全靜」表示脫氧最完全，幾乎沒有氣體生成與沸騰現象。

因為鋼液中的氧已被充分去除，碳氧反應所生成的一氧化碳大幅減少，所以鋼錠內部不會形成大量氣孔，且凝固時成分分布較均勻。因此，描述「鋼質成分均勻」符合全靜鋼的典型特性。

選項分析

(A) 鋼質成分均勻

核心觀念

本題考「高速鋼（High-Speed Steel, HSS）」的耐熱性能、合金元素作用，以及高速鋼牌號所代表的化學成分。

高速鋼具有良好的硬度、耐磨性及紅硬性，即在高溫切削摩擦下仍能維持一定硬度與切削能力。一般高速鋼的耐熱溫度約為 $600^\circ\text{C}$；若加入鈷，則可提高高溫硬度，適合較高切削速度及高溫切削工作。

高速鋼牌號中的數字通常依序表示主要合金元素的約略重量百分比，例如：

• 鎢系：鎢、鉻、釩
• 鉬系：鎢、鉻、鉬、釩

解題方法

逐一核對各選項所述的高速鋼性能及牌號成分：

1. 判斷高速鋼的一般耐熱或紅硬溫度是否約為 $600^\circ\text{C}$。
2. 判斷鈷元素對高速鋼高溫硬度及高速切削性能的影響。
3. 依牌號順序換算各合金元素含量。
4. 特別注意牌號最後一位通常代表釩含量，最容易形成陷阱。

選項分析

(A) 耐熱溫度約 $600^\circ\text{C}$

正確。

高速鋼的主要特徵是紅硬性良好，在約 $600^\circ\text{C}$ 的高溫下，仍能維持相當程度的硬度及切削能力。因此其容許切削速度高於普通工具鋼。

(B) 鈷系高速鋼用於耐高溫之高速切削

正確。

鈷系高速鋼是在高速鋼中加入鈷（Co），可提高高溫硬度及紅硬性，使刀具在高溫切削狀態下仍能保持切削刃強度，適合：

• 高速切削
• 難切削材料加工
• 切削溫度較高的加工場合

核心觀念

本題考查鋼材退火處理的加熱溫度與用途。

亞共析鋼的完全退火，是將鋼加熱至 $Ac_3$ 以上約 $30\sim50^\circ\mathrm{C}$，使組織完全奧斯田鐵化，保溫後隨爐緩慢冷卻，以獲得較軟化的組織，並改善切削加工性、降低內部應力及細化晶粒。

因此，題幹所述「亞共析鋼」、「$Ac_3$ 以上 $30\sim50$ 度」、「緩冷」、「軟化及改善切削性」均符合完全退火的特徵。

解題方法

判斷退火種類時，先抓加熱溫度：

加熱至 $Ac_3$ 以上，代表鋼材必須完全轉變為奧斯田鐵組織；保溫完成後再緩慢冷卻，使其形成較粗大的珠光體與鐵素體組織，硬度降低、延性增加，適合後續切削加工。

所以本題答案為完全退火。

選項分析

(A) 弛力退火：錯誤。 弛力退火又稱去應力退火，主要目的在於消除鑄造、焊接、鍛造或切削加工所產生的殘留應力。其加熱溫度通常低於 $Ac_1$，不使鋼材完全奧斯田鐵化，與題目所述的 $Ac_3$ 以上加熱條件不符。

核心觀念

高週波硬化法屬於表面硬化法，利用感應線圈產生交變磁場，使工件表面產生感應電流與焦耳熱，快速加熱至沃斯田鐵化溫度，再立即淬火，使表面形成高硬度麻田散鐵，而心部仍保有較佳韌性。

其適用材料須具備：

1. 良好的導電性，以便產生感應電流。
2. 導磁性，通常以鋼及鑄鐵為主。
3. 含碳量足以在淬火後形成高硬度組織，常用於中碳鋼及合金鋼。

感應加熱的加熱深度與頻率有關，其基本關係可用集膚深度表示：

其中 $\delta$ 為加熱深度、$\rho$ 為電阻率、$f$ 為電流頻率、$\mu$ 為磁導率。頻率越高，集膚深度越小，加熱越集中於表面；頻率越低，加熱深度越深。

解題方法

本題判斷重點在於「高週波、低週波與工件尺寸」的對應關係：

• 高週波：加熱深度淺，適合薄機件及小零件。
• 低週波：加熱深度深，適合厚機件及大型零件。

再逐一檢查各選項是否符合高週波硬化法的材料條件與工藝特性即可。

選項分析

(A) 適合用於加工中碳鋼——正確

核心觀念

鑄鐵退火是將鑄鐵加熱至適當溫度，保溫後緩慢冷卻，使組織趨於穩定。其主要目的包括：

• 消除鑄造後因不均勻冷卻所產生的內應力。
• 降低硬度，使鑄鐵軟化。
• 改善切削加工性。
• 減少脆性，提升延性與韌性。
• 使組織均勻化，避免後續加工或使用時發生變形、裂紋。

退火屬於軟化熱處理，通常會使材料的硬度與強度下降，而使延性、韌性及加工性改善。

解題方法

本題判斷各選項是否屬於鑄鐵退火的典型目的。切入重點是掌握退火的基本效果：

因此，與「軟化、消除應力、改善韌性」相關的敘述屬於退火目的；若說退火主要是為了提高鑄鐵強度，則與退火的軟化特性不符。

選項分析

(A) 增加鑄鐵之韌性

核心觀念

本題考查碳化物刀具的分類、適用材料、耐熱性及刀片與刀柄的固定方式。

碳化物刀具常依 ISO 分類如下：

• P 類：適用於鋼及鋼類材料，通常標示藍色。
• M 類：適用於不鏽鋼等難切削材料，通常標示黃色。
• K 類：適用於鑄鐵及非金屬脆性材料，通常標示紅色。

碳化物刀具的耐熱性高於高速鋼，但一般所指的耐熱溫度約為 $800\sim1000^\circ\text{C}$，並非 $1500^\circ\text{C}$。若要承受約 $1200\sim1500^\circ\text{C}$ 的高溫，通常是陶瓷刀具、立方氮化硼或其他超硬刀具材料的範圍。

解題方法

判斷本題可分三個方向：

1. 先利用碳化物刀具的 P、M、K 分類判斷適用材料及顏色。
2. 比較碳化物與陶瓷刀具的耐熱溫度。
3. 判斷刀片固定方式所使用的銲料。

其中，M 類的關鍵字是「不鏽鋼」，因此可直接鎖定正確選項，再逐一排除其他敘述。

選項分析

(A) P 類刀柄塗紅色

錯誤。

P 類主要用於切削鋼，其標準識別色通常為藍色；紅色通常代表 K 類，主要用於鑄鐵。因此「P 類刀柄塗紅色」將 P 類與 K 類的顏色混淆。

(B) 耐熱溫度約 $1500^\circ\text{C}$

錯誤。

核心觀念

SAE 鋼鐵編號通常採四位數表示：

• 前兩位數：表示鋼材的主要合金元素種類。
• 後兩位數：表示平均含碳量，以百分之一表示。

對於 SAE 31XX 系列：

• 「31」代表鎳鉻鋼，主要合金元素為鎳與鉻。
• 最後兩碼「35」表示平均含碳量約為 $0.35\%$。

因此，SAE 3135 可解讀為「鎳鉻鋼，含碳量約 $0.35\%$」。

解題方法

先看前兩碼判斷鋼種，再看後兩碼判斷含碳量：

代入 SAE 3135：

其中：

• 「31」：鎳鉻鋼。
• 「35」：含碳量約 $0.35\%$。

所以正確敘述為「為鎳鉻鋼」。

選項分析

核心觀念

本題考查金屬材料的一般物理與機械性質。金屬通常具有下列特徵：

• 具有良好的延展性，可受力變形而不易脆裂。
• 具有良好的導電性與導熱性。
• 表面具有金屬光澤。
• 金屬內部存在可自由移動的自由電子，因此不是絕緣體。

解題方法

判斷各選項是否符合金屬材料的典型特性即可。金屬的自由電子能在材料內移動，使電能與熱能容易傳遞；金屬原子間的金屬鍵也使原子層能相對滑移，因此通常具有延展性。

選項分析

(A) 良好延展性——正確

延展性是材料可承受塑性變形而不發生破裂的能力，包含：

• 延性：可拉製成細線。
• 展性：可壓延成薄片。

多數金屬具有良好延展性，例如銅、鋁、金等，可進行鍛造、軋製、拉線等塑性加工。

(B) 絕緣體——錯誤

核心觀念

「18-8 型不鏽鋼」中的數字，是以合金元素之約略質量百分比表示：

• 18：約含 $18\%$ 鉻（Cr）
• 8：約含 $8\%$ 鎳（Ni）
• 其餘主要為鐵（Fe），並含少量碳及其他元素

18-8 不鏽鋼通常指奧氏體系不鏽鋼，代表性材料為 304 不鏽鋼。鉻可在表面形成緻密的氧化鉻保護膜，提高耐蝕性；鎳則有助於穩定奧氏體組織，改善韌性、耐蝕性及加工性。

解題方法

看到「18-8 型不鏽鋼」時，直接套用不鏽鋼常見的合金標示：

因此正確配對為「鉻—鎳」，選擇含有 $18\%\text{ Cr}$ 與 $8\%\text{ Ni}$ 的選項。

選項分析

核心觀念

金屬材料的塑性加工，依加工溫度與材料再結晶溫度的關係，可分為：

• 熱作加工（Hot Working）：加熱至材料的再結晶溫度以上進行塑性變形。
• 冷作加工（Cold Working）：在再結晶溫度以下，通常接近常溫進行塑性加工。
• 常溫加工：強調加工時處於室溫，屬於冷作加工的常見情形，但不是本題所要的正式分類名稱。
• 低溫加工：不是金屬塑性加工中與「再結晶溫度以上」相對應的標準分類。

再結晶是指金屬經塑性變形後，在適當溫度下產生新的、無應變晶粒的過程。若加工溫度高於再結晶溫度，變形過程中可同時進行再結晶，使加工硬化受到抑制。

解題方法

題幹的關鍵語句是：

「加熱至材料本身的再結晶溫度以上」 「施以塑性加工」

只要判斷加工溫度高於再結晶溫度，即符合熱作加工的定義，因此選擇「熱作加工」。