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強化圖解力
5 102 機械材料 上 Chapter 4 碳鋼之熱處理 103
對於非常不易了解的鐵碳平衡 4-1 鐵碳平衡圖 一 鐵碳平衡圖的繪製
如圖 4-1 所示為 Fe-C 平衡狀態圖，圖中橫座標表示含碳量（%C）；縱座標
圖，在圖示方面強化了圖解力， 碳鋼的變態（Transformation）過程、組織變化及相的變化等予以完整的呈現出來。如 表示溫度（°C）。鐵碳平衡圖依變態發生的現象主要區分為三個區域即包晶區（如
碳鋼隨含碳量的變化其組織亦發生明顯的變化，利用鐵碳平衡圖更可以有系統的對
圖 4-1 所示為鐵-碳平衡圖。 圖 4-2）、共晶區（如圖 4-3）、共析區（如圖 4-4）等，圖形中各區域的組織與
相變態，說明如下：
標示清楚，說明精簡，提升學
1600 δ鐵 1600 1550 O 1539℃ 液相
生的學習力。 1500 O L N 液相 1500 1500 L 1494℃ 0.51% 液相 R'
M
1400 M 液相 1400 0.10% 0.18% N
K +
1300 沃斯田鐵+液相 雪明碳鐵 1300 1450 4.28%C R 共晶反應區域
R 1227 包晶反應區域 1153℃ J' Q'
1200 沃斯田鐵(γ) 1200 1400 K 1148℃ J Q
I Q 1392℃ 4.32%C
溫 1100 1148℃ J 1100 溫
度 肥粒鐵 度 1350 0
℃ 1000 + 1000 ℃ 0.2 C(%) 0.4 0.6 0.8
H 沃斯田鐵 Acm 沃斯田鐵 雪明碳鐵 圖 4-3 共晶反應區域
+
+
900 A 3 粒滴斑鐵 粒滴斑鐵 900 圖 4-2 包晶反應區域
A 2
800 沃斯田鐵+ 800 1600 O 鐵 1600
D 雪明碳鐵 P 1500 L N 液相 1500
F E G M
700 0.025% A 1 723℃ 700 共析反應區域 1400 K 1400
肥粒鐵(α) 1300 1300
600 波來鐵 雪明碳鐵&波來鐵 600 I 1200 R 1227 1200
波來鐵 共析：波來鐵 + + 共析：粒滴斑鐵 I Q
500 + 雪明碳鐵 變態之粒滴斑鐵 500 H 1100 1148℃ J 1100
肥粒鐵 A 3 Acm 1000 1000
200 210℃ 200 溫度 + A 2 =768℃ Fe 3 C+ H A 3 Acm
B A 0 C 900 900
0.02% E G A 1 800
25 D F 800 D F A 2 E G P
A 0.4 0.5 0.8 1.0 2.0 3.0 4.0 4.3 5.0 6.0 6.67 700 0.025% 723℃ 700
0.008% 亞共析鋼 過共析鋼 100% +波來鐵 Fe 3 C+波來鐵 600 A 1 600
雪明碳鐵 500 500
純鐵 鋼 鑄鐵 A 0
0.02 0.8 2.0 200 B 210℃ 200
含碳量% C量(%) 25 0.02% 0.4 0.5 0.8 1.0 A 0 2.0 3.0 4.0 4.3 5.0 6.0 6.67 C
圖 4-1 鐵-碳平衡圖 圖 4-4 共析反應區域 A 含碳量%
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128 129 學習目標回顧
Chapter 4 學習目標回顧 Chapter 4 學習目標回顧 6
綜觀全局
▲
目標三 瞭解碳鋼之熱處理方法與實例
綜觀全局
11. 鋼的熱處理方法中主要有淬火、退火、回火、正常化等，淬火的目的為提高材料的 會強調該章的大綱觀念。
1. 鐵碳平衡圖可分成三個主要變態區域即共析區、共晶區及包晶區。 強度硬度；退火為使鋼件軟化；回火為提高材料的韌性；正常化為使鋼件內部組織
2. 要能依課本內容繪製鐵碳平衡圖。 均勻及細化晶粒。
3. 碳鋼於高溫冷卻後，可得下列組織：粒滴斑鐵、麻田散鐵、變韌鐵、糙斑鐵、吐粒 12. 亞共析鋼的淬火溫度係將材料加熱於 Ac 3 上方 30∼50°C，保持適當時間，再急冷於
散鐵等。 水或油中，可防止 Ar' 變態的發生，即可得到強硬的麻田散鐵組織。過共析鋼及共 ▲ 重點回顧
4. 熟練並繪製共析鋼的 TTT 曲線。 析鋼則是將材料加熱於 Ac 1 上方約 30∼50°C，保持適當時間，再急冷於水或油中，
即可得到強硬的麻田散鐵組織。
重點回顧 13. 將亞共析鋼加熱至 Ac 3 線或將共析鋼與過共析鋼加熱至 Ac 1 上方 30∼50°C（與淬火 會強調該章的摘要及重要
的加熱溫度相同），保持一段時間後，放入爐中冷卻直到常溫，使鋼完全軟化，得
目標一 熟悉鐵碳平衡圖各部分意義 到最大延性的肥粒鐵及波來鐵組織。 的觀念，使學生可以再進
1. 鐵碳平衡圖依變態發生的現象區分為三個區域即包晶區、共晶區、共析區等。 14. 把鋼加熱至沃斯田鐵的狀態，保持適當時間後，置於空氣中冷卻至常溫，可得到成
2. A 0 變態線的溫度為 210°C，為鋼中雪明碳鐵的磁性消失點；當雪明碳鐵溫度升至 分均勻且晶粒較細的波來鐵組織，稱為正常化組織。此種處理稱為正常化處理。
210°C 時，變成瞬間無磁性或順磁性。 行一次性的複習。
3. A 1 變態線的溫度為 723°C，過共析鋼與共析鋼的淬火與退火冷卻溫度均以此線以上 生活應用
30∼50°C 為加熱溫度。
4. A 2 變態線之溫度為 768°C，為肥粒鐵的磁性變態點，此線（含碳量於 0.5%C 以下） 殘留沃斯田鐵的深冷處理
上方的肥粒鐵的鋼近乎無磁性。 鋼在高溫淬火至室溫時，大部分的組織將產生相變化，形成麻田散鐵，而未產生相 ▲ 生活應用
5. A 3 變態線之溫度為 910°C。此變態點亦為純鐵的同素變態點，常溫組織為肥粒鐵所 變化的部分稱為殘留沃斯田鐵。殘留沃斯田鐵經年累月隨時間的累積，將導致零組件尺
構成。 寸改變，甚至變形與龜裂；若將淬火至室溫的鋼，再冷卻至室溫以下，將殘留的沃斯田
6. 肥粒鐵為碳鋼組織中最軟之組織；雪明碳鐵之硬度為碳鋼組織中最高，質脆為白色 鐵予以麻田散鐵化，以達組織安定提升機械強度，此即為深冷處理。 會強調結合日常生活與課
網狀或針狀組織。
7. Acm 變態線為共析鋼與過共析鋼的正常化處理的加熱溫度，冷卻後的常溫組織為波
來鐵與雪明碳鐵之組織。 文內容的聯結，使所學知
8. 碳鋼的內部組織中，依硬度大小可作一排列順序：雪明碳鐵＞麻田散鐵＞吐粒散鐵
＞變韌鐵＞糙斑鐵＞波來鐵＞肥粒鐵。 識實用化。
目標二 瞭解恒溫變態曲線圖與連續冷卻變態曲線圖
9. 水中冷卻得到「麻田散鐵」組織；油中冷卻得到「吐粒散鐵或細波來鐵」組織；爐
中冷卻得到「粗波來鐵」組織；空氣中冷卻得到「糙斑鐵或中波來鐵」組織。
10. 欲得到完全的麻田散鐵，可將材料急冷於水中直到常溫為止，若冷卻速度稍慢會通 ×500 未深冷 ×500 深冷
過 S 曲線即難得到完全的麻田散鐵。
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28 29 7 課後習題
Chapter 1 課後習題 Chapter 1 課後習題
每章最後會提供習題，讓學
選擇題 15. 大多數的金屬材料都由所謂的晶粒所組成，晶粒的大小約
(A) 0.001∼0.01 (B) 0.01∼0.1 (C) 0.1∼1 (D) 1∼10 mm。
1-1 1. 原料是指天然生成且尚未加工的物質，例如 16. 鎂及鋅其結晶構造為 生思考正在學習的內容，幫
(A) 碳鋼 (B) 玻璃 (C) 鐵礦 (D) 木頭。
(A) 體心立方格子 (B) 面心立方格子
2. 下列何者不是金屬材料的特性？ (C) 六方最密堆積格子 (D) 鑽石型格子。 助學生更加釐清與了解該章
(A) 耐蝕性佳 (B) 強度大 (C) 硬度高 (D) 質量重。
17. 金屬加工一般分有冷作及熱作兩種，其加工溫度是以何為界？
3. 下列何者非高分子材料的特性？
(A) 熔點 (B) 室溫 (C) 再結晶溫度 (D) 100°C。
(A) 熔點低 (B) 強度大 (C) 絕緣性佳 (D) 重量輕。 的觀念。
18. 下列何者非熱作加工的優缺點？
4. 下列何者非半導體常見的原料？ (A) Si (B) Ge (C) GaAs (D) Pb。
(A) 可大量消除孔隙 (B) 加工能量較低
1-2 5. 一般金屬與其合金相較 (C) 材料表面光度佳 (D) 所需設備費較高。
(A) 前者強度高且延性比較大 (B) 前者強度高且延性比較小
19. 下列何者非熱作加工常用的材料？ (A) 鋅 (B) 鋁 (C) 鎂 (D) 銅。
(C) 前者強度低且延性比較大 (D) 前者強度低且延性比較小。
20. 金屬材料於再結晶溫度以上施以外力，以改變其形狀之加工方法為
6. 普通黃銅是銅與 (A) 鉛 (B) 錫 (C) 鋅 (D) 鐵 之合金。
(A) 冷作 (B) 熱作 (C) 鑄造 (D) 硬銲。
7. 下列哪一種是輕金屬？ (A) 銅 (B) 錫 (C) 鋁 (D) 鋅。
21. 一般碳鋼的再結晶溫度為
8. 鋼是一種 (A) 純金屬 (B) 白合金 (C) 低熔點金屬 (D) 合金。 (A) 300∼500°C (B) 510∼700°C (C) 700∼900°C (D) 900∼1100°C。
9. 純金屬的哪一種性質比合金為佳 22. 氧氣鋼瓶是以何法製成？
(A) 硬度 (B) 強度 (C) 韌性 (D) 導電性。 (A) 剪切成型 (B) 抽製法 (C) 鏇壓法 (D) 離心鑄造法。
1-3 10. 具有體心立方格子結構的是 (A) 鋁 (B) 鉻 (C) 銅 (D) 鉛。 1-4 23. 鐵金屬材料的 δ-鐵之變態點溫度為
11. 金屬的結晶結構富延展性者為 (A) 210°C (B) 768°C (C) 910°C (D) 1400°C 以上。
(A) 體心立方格子 (B) 面心立方格子 24. 下列何者非純鐵的同素異形體？ (A) δ (B) β (C) γ (D) α。
(C) 六方最密堆積格子 (D) 鑽石型結晶格子。
問答題
12. 面心立方格子一個單位晶胞中含有多少個原子？
(A) 2 (B) 4 (C) 6 (D) 8。 1. 何謂壓電材料？
13. 結晶粒的粗細、形狀、方向及結合狀態稱為 2. 何謂結晶格子？
(A) 組織 (B) 韌性 (C) 強度 (D) 塑性。 3. 何謂結晶組織？
14. 在一個正立方體的各頂點及各平面之中心，各配置一個原子，此種結晶格子為 4. 請解說金屬的過冷現象？
(A) 體心立方格子 (B) 面心立方格子 5. 如何解釋同素變態？
(C) 六方最密堆積格子 (D) 鑽石型格子。 6. 熱作加工與冷作加工的區別為何？並說明其再結晶的情形。
iv