110 公務人員升官等薦任 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查二元合金平衡相圖的判讀：以合金總成分和溫度定位，先判斷所在相區；再沿等溫線讀取各相的成分。若需計算各相比例，則使用槓桿定律。

解題方法

含碳量 $C_0=2\ \mathrm{wt\%\,C}$、溫度 $1000\,^\circ\mathrm{C}$ 的位置落在圖中的 $\gamma+Fe_3C$ 兩相區，因此平衡相為沃斯田鐵 $\gamma$ 與雪明碳鐵 $Fe_3C$。

沿 $1000\,^\circ\mathrm{C}$ 作水平等溫連繫線，由圖讀得：

• $\gamma$ 相含碳量約為 $C_\gamma=1.6\ \mathrm{wt\%\,C}$。
• $Fe_3C$ 相含碳量約為 $C_{Fe_3C}=6.7\ \mathrm{wt\%\,C}$。

若需計算兩相的質量比例，依槓桿定律：

核心觀念

切削刀具在高溫、高壓及摩擦作用下，會逐漸失去原有的刃口形狀、尺寸或切削能力。刀具失效的主要模式可歸納為：磨耗、塑性變形及破裂。其中磨耗通常是漸進的；塑性變形與破裂則常造成較快速的切削性能下降。

解題方法

依失效速度與刀具受損方式分類，再說明各模式的成因、典型型態及對加工的影響。作答時先列出三大類，再補充常見的磨耗位置與破損型態，即可涵蓋題目要求。

刀具破壞模式

一、磨耗（wear）

磨耗是刀具與切屑、工件長時間接觸摩擦，造成刀具材料逐漸損失的現象。常見形式如下：

• 後刀面磨耗（flank wear）：發生於後刀面與已加工表面接觸處，常形成磨耗帶。磨耗過大會增加切削力、影響尺寸精度及表面粗糙度。
• 前刀面磨耗或月牙窪磨耗（crater wear）：切屑沿前刀面滑動，造成前刀面局部凹陷。凹窪過深會削弱刃口，增加崩刃或斷裂的風險。
• 缺口磨耗（notch wear）：常出現在切深線附近，形成局部缺口，可能與氧化、加工硬化及工件表面硬質層的作用有關。

磨耗通常隨切削時間逐步增加，可透過磨耗量或加工品質變化來判定刀具是否需更換。

二、塑性變形（plastic deformation）

當切削溫度與切削力過高，使刀具材料的高溫硬度或抗變形能力不足時，刃口會產生永久變形，例如刃口塌陷、圓鈍或偏移。

核心觀念

本題考查滾軋時的滾輪扭矩與功率，以及哪些製程參數能降低它們。滾輪扭矩主要取決於變形區內的平均軋製力與力臂；功率則與扭矩及滾輪角速度成正比：

其中 $T$ 為扭矩、$F$ 為軋製力、$a$ 為合力對滾輪中心的力臂，$\omega$ 為滾輪角速度。因此，降低軋製力或力臂可降低扭矩；若扭矩不變，降低滾輪轉速則可降低功率。

解題方法

先依 $T \approx F\,a$ 判斷哪些參數會減少變形區的軋製力或其力臂，再由 $P=T\omega$ 判斷轉速對功率的影響。軋製力會受材料變形抗力、摩擦、接觸面積及壓下量影響；力臂則與滾輪半徑及變形區幾何形狀有關。

可降低扭矩或功率的製程參數

• 降低壓下量：減少每道次厚度變化，通常可縮短接觸弧、降低軋製力及扭矩。

核心觀念

本題比較兩種以摩擦熱為主要熱源的固態焊接法。關鍵在於辨認：摩擦焊接以工件間的相對運動與頂鍛壓力形成接合；摩擦攪拌焊接則以旋轉工具攪動接縫附近的材料，使其在固態下塑性流動並接合。

兩者都不以熔化母材為必要條件，因此可減少熔融焊接常見的凝固缺陷與熱影響；但工件運動方式、適用接頭與設備形式不同。

解題方法

依序比較兩法的熱源與接合機制、工件與工具運動、接頭形式、適用材料與產品、製程特性，即可完整作答。

核心觀念

本題比較的是砂模鑄造與消失模鑄造（又稱全模鑄造）的模型用途、設計方式及材料選擇。砂模鑄造的模型用來在砂中形成型腔，澆注前須取出；消失模鑄造則將泡沫塑膠模型埋入乾砂，澆注時模型受熱分解並由金屬液取代，因此模型留在鑄型內，成為一次性模型。

解題方法

掌握「模型是否取出、是否重複使用、澆注時如何處理」三個差異，再依此說明對模型結構與材料的影響。砂模鑄造須考慮起模與砂模製作；消失模鑄造則須考慮模型在埋砂、搬運及澆注時的完整性，以及受熱分解與氣體排出。

模型設計與材料比較