計算練習
將材料科學課程、考試與研究所入學考試常出的典型計算題,每次換數值出題。自己解題後輸入附單位的答案,就會判定是否正確,並顯示哪個值代入了哪個公式(計算過程),以及從答案的數值看出的常見錯誤。也可以用相同的數值開啟計算工具來確認。
題目中的數值,是每次從範圍內重新產生的練習用數值。物性值選自本站計算工具的資料集(出處記於下方),或是題目中以「設為」假設的值。構件設計等用途,請使用標準或材料資料中的數值。
網址中只包含題型與數值的種子(?t=…&s=…),不含答案。成績只儲存在這個瀏覽器中。
本組結果
答錯的題型
目前的紀錄
題型(38)
點選題型名稱,會出 1 題該題型的題目。點選領域名稱,可以在選好該領域的狀態下開始。
晶體
- 晶面間距(立方晶) ±1 %由晶格常數與米勒指數求 (hkl) 面的晶面間距
d = a/√(h² + k² + l²) - 繞射角 2θ(布拉格定律) ±0.5 %求立方晶金屬的 (hkl) 反射出現的繞射角 2θ
2d sinθ = λ,d = a/√(h² + k² + l²) - 由繞射峰角度求晶格常數 ±0.5 %由 XRD 的 (hkl) 繞射峰的 2θ,求立方晶的晶格常數 a
d = λ/(2 sinθ),a = d√(h² + k² + l²) - 理論密度(立方晶金屬) ±1 %由晶格常數、原子量與單位晶胞的原子數,求晶體的密度
ρ = nM/(N_A a³) - 晶格常數與原子半徑 ±1 %對 BCC、FCC,由晶格常數求原子半徑,或由原子半徑求晶格常數
BCC:√3a = 4r,FCC:√2a = 4r - 面密度(BCC、FCC) ±1 %求 (100)、(110)、(111) 面上單位面積的原子數
面密度 = 晶面內的原子數 / 晶面的面積 - 離子晶體的堆積因子 ±1 %對岩鹽型、CsCl型晶體,由離子半徑求堆積因子
堆積因子 = n·(4/3)π(r₊³ + r₋³)/a³
相圖
- 槓桿法則(相的質量分率) ±1 %在二相區的點上,由連結線兩端的成分求相的質量分率
W = (C_另一端 − C₀)/(C_另一端 − C_所求的相) - 初析肥粒鐵、初析雪明碳鐵的比例 ±1 %以槓桿法則求亞共析鋼、過共析鋼在 727 ℃正下方的組織比例
亞共析:W_α′ = (0.76 − C₀)/(0.76 − 0.022),過共析:W_Fe₃C′ = (C₀ − 0.76)/(6.70 − 0.76) - 初晶與共晶組織的比例 ±1 %對共晶系合金,求共晶溫度正下方的初晶、共晶組織與相的比例
亞共晶:W_E = (C₀ − C_α)/(C_E − C_α) - wt% 與 at% 的換算 ±1 %以原子量換算二元合金的質量百分比與原子百分比
x_B = (w_B/M_B)/(w_A/M_A + w_B/M_B)
擴散與缺陷
- 擴散係數(阿瑞尼斯方程式) ±2 %由 D₀ 與活化能 Q,求某溫度下的擴散係數
D = D₀ exp(−Q/RT) - 滲碳深度(誤差函數) ±2 %表面濃度保持一定進行滲碳時,求達到某碳濃度的深度
(Cₓ − C₀)/(Cₛ − C₀) = 1 − erf(x/(2√(Dt))) - 滲碳時間(誤差函數) ±2 %求某深度達到目標碳濃度所需的滲碳時間
(Cₓ − C₀)/(Cₛ − C₀) = 1 − erf(x/(2√(Dt))) - 改變溫度時的擴散時間 ±2 %由 Dt 相同就得到相同濃度分布,求改變溫度時所需的時間
t₂ = t₁·D₁/D₂ = t₁ exp[(Q/R)(1/T₂ − 1/T₁)] - 穩態擴散通量(菲克第一定律) ±1 %由板中兩點的濃度與位置,求穩態的擴散通量
J = −D dC/dx ≈ D(C₁ − C₂)/(x₂ − x₁) - 平衡空位濃度 ±2 %由空位形成能與溫度,求每 1 m³ 的空位數
N_v = N exp(−Q_v/kT),N = N_A ρ/M
機械性質
- 彈性變形的伸長量 ±1 %由負荷、直徑、長度與楊氏模數,求圓棒的彈性伸長量
Δl = Fl₀/(AE),A = πd²/4 - 蒲松比與直徑的變化 ±1 %由拉伸應力、楊氏模數與蒲松比,求圓棒直徑的減少量
Δd = ν(σ/E)d₀ - 真應力與真應變 ±1 %由頸縮前的工程應力、工程應變,求真應力、真應變
σ_T = σ(1 + ε),ε_T = ln(1 + ε) - 斷面縮率與真破斷應力 ±1 %由破斷前後的直徑,求斷面縮率、真破斷應變與真破斷應力
RA = (A₀ − A_f)/A₀,ε_T = ln(A₀/A_f),σ_T = F/A_f - 霍爾-佩奇關係 ±1 %由兩種晶粒尺寸下的降伏應力求 σ₀ 與 k,再求另一晶粒尺寸的降伏應力
σ_y = σ₀ + k/√d - 分解剪應力(Schmid定律) ±1 %由單晶的拉伸軸與滑移系統,求分解剪應力或開始滑移的應力
τ_R = σ cosφ cosλ
破壞
- 裂縫尖端的應力集中 ±1 %由平均應力、裂縫長度與尖端的曲率半徑,求裂縫尖端的最大應力
σ_max = σ₀(1 + 2√(a/ρ)) - 破壞韌性與破壞應力 ±1 %由 K_IC 與裂縫大小,以 K = Yσ√(πa) 求發生破壞的應力
σ_c = K_IC/(Y√(πa)) - 發生破壞的裂縫大小 ±1 %由 K_IC 與使用應力,求發生破壞的裂縫長度
a_c = (1/π)(K_IC/(Yσ))²
熱
- 熱膨脹造成的伸長 ±1 %由線膨脹係數與溫差,求自由伸長時的長度變化
ΔL = αL₀ΔT - 受拘束棒的熱應力 ±1 / 0.3 %求兩端固定在不動壁上的棒加熱時的熱應力,或可加熱的溫度
σ = −EαΔT - 薄膜的熱應力(等雙軸) ±1 %求基板上的薄膜從成膜溫度冷卻時,因膨脹係數差異產生的應力
σ = −E(α_f − α_s)ΔT/(1 − ν) - 通過板的熱通量 ±1 %由板兩面的溫差與熱導率,求穩態的熱通量
q = κΔT/L - 組合棒(雙金屬)的熱應力 ±1 %求兩端結合的兩根不同金屬棒加熱時,各棒的應力
σ₁A₁ + σ₂A₂ = 0,α₁ΔT + σ₁/E₁ = α₂ΔT + σ₂/E₂
複合材料
- 混合法則(纖維方向的楊氏模數) ±1 %對單向連續纖維複合材料,以等應變公式求纖維方向的楊氏模數
E₁ = V_f E_f + V_m E_m - 逆混合法則(垂直纖維方向) ±1 %以等應力公式求單向材垂直纖維方向的楊氏模數
1/E₂ = V_f/E_f + V_m/E_m - 纖維與基材的負荷分擔 ±1 %沿纖維方向拉伸時,求纖維承擔的負荷比例,或纖維與基材的負荷比
F_f/F_m = V_f E_f/(V_m E_m)
電性、腐蝕、高溫
- 導線的電阻與溫度 ±1 %使用電阻率的溫度係數,求某溫度下導線的電阻
R = ρ(T)L/A,ρ(T) = ρ₂₀[1 + α_R(T − 20 ℃)] - n 型矽的電阻率 ±1 %由施體濃度與電子遷移率,求 n 型矽的導電率與電阻率
σ = n e µ_e,ρ = 1/σ - 腐蝕量(法拉第定律) ±1 %由腐蝕電流,求溶解的金屬質量或表面後退的速率
m = ItM/(nF) - Larson-Miller參數 ±2 / 0.5 %由一次潛變破斷試驗的結果,求另一溫度下的破斷時間,或能承受目標壽命的溫度
P = T(C + log₁₀t_r)
使用方法
選擇領域或題型,開始一組 5 題或 10 題的練習。勾選「多出弱項題型」後,過去答錯比例越高的題型越容易出現。點選題型列表中的題型名稱,會只出 1 題該題型的題目。
答案以數值輸入,並在單位欄選擇單位。1.23e-5、1.23×10^-5、1.23 × 10⁻⁵ 任何一種寫法都能讀取。有單位選單時,不論用 mm 或 µm,只要輸入與所選單位相符的數值,就能正確判定(換算依所示單位的倍數進行)。
按下「對答案」就會顯示判定並展開計算過程。答錯時,會顯示從答案的數值推測可能的錯誤(半徑與直徑、℃與 K、wt% 與 at%、2θ 與 θ 等)。按「看答案」也可以不作答,直接查看計算過程。
按「複製這題的網址」,就能分享開啟相同數值題目的網址。網址中只有題型與數值的種子(seed),不含答案。成績只儲存在這個瀏覽器(localStorage)中,不會傳送到伺服器。即使瀏覽器設定為無法儲存,也能作答(只是不會留下成績)。
解計算題的訣竅
首先,寫出已知值與要求的值,並標上符號與單位。題目中「直徑」「全長 2a」「質量分率」這類用語,常與代入公式的量(半徑、a、體積分率)不同,要在這一步先換好。
代入公式前,把單位統一成 SI(m、kg、s、K、J、Pa)是最可靠的做法。材料的計算中,MPa 與 mm(1 MPa = 1 N/mm²)的組合也很方便,但使用 MPa·√m 的破壞韌性時,長度要用 m。溫度若是差值(ΔT),用℃或 K 都是相同的數字,但 exp(−Q/RT) 或 T(C + log t) 中的 T 一定是絕對溫度。
得到答案後,用數量級來確認。金屬的晶面間距為 0.1~0.3 nm,密度為 2~22 g/cm³,受拘束的鋼棒加熱 100 K 的熱應力為數百 MPa,碳的滲碳深度為 0.1~數 mm。若與預估相差 1 個數量級以上,就要懷疑單位換算或 10 的次方。
中間值要比答案多保留 1~2 位(存入計算機的記憶體最可靠)。若中途四捨五入到 3 位再用於下一步計算,在減法、指數或次方的地方誤差會變大,可能超出容許誤差。
單位的處理
單位欄可以選擇同一個量的其他單位(nm 與 Å、MPa 與 GPa、m²/s 與 cm²/s、h 與 s 等)。只要是所選單位下的正確值就算答對。單位欄只有一個單位的題目,請以該單位作答。
比例的答案可以選擇 0~1 的小數或 %(0.25 與 25 % 相同)。題目問質量分率或體積分率時,用哪一種作答都可以。
溫度的答案可選擇℃或 K。℃與 K 的換算不是乘法,而是加減 273.15,因此把℃的答案填在 K 的欄位會判為錯誤。反之,把 K 的值當作℃作答時,會顯示「把絕對溫度(K)的值當作℃作答」。
常用的換算:1 nm = 10 Å = 10⁻⁹ m、1 µm = 10⁻⁶ m、1 MPa = 1 N/mm² = 10⁶ Pa、1 GPa = 1000 MPa、1 cm²/s = 10⁻⁴ m²/s、1 g/cm³ = 1000 kg/m³、1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ J、1 kJ/mol = 1000 J/mol。
有效數字與判定
題目中的數值,是四捨五入到所示位數的值。答案的基準是由這些四捨五入後的值計算的,因此只要使用題目中的數值,就不會因為四捨五入的誤差而答錯。
判定以相對誤差進行,多數題型在 ±1 % 以內為正確。經過指數函數的題型(擴散係數、滲碳、空位濃度、Larson-Miller 的時間),中途四捨五入的影響較大,因此為 ±2 %;角度或晶格常數這類需要較多位數的題型為 ±0.5 %。以溫度作答的題型(受拘束棒的最高溫度、Larson-Miller 的溫度),以對絕對溫度(K)的相對誤差判定(±0.3 %、±0.5 %,在 300~1200 K 約為 ±1~6 K)。容許誤差會在每一題顯示。
答案以題目所寫的位數(多為 3 位有效數字)輸入就足夠,輸入更多位也可以。例如正確值為 0.2867 nm 時,0.287 或 0.2867 都算正確。若只輸入 2 位如 0.29,誤差可能超過 1 % 而判為錯誤。
稍微超出容許誤差(5 % 以內)時,會顯示「很接近」,並指出可能是中途四捨五入過多或常數不同。這時公式多半是對的,請確認中間值是否四捨五入過多,以及常數(N_A、R、k 等)是否使用了題目中的值。
資料出處
- 晶格常數、密度、晶體結構、原子量
- 「材料用週期表」的資料(晶格常數與密度取自 CRC Handbook of Chemistry and Physics,原子量為 IUPAC/CIAAW 的標準原子量)。
- 楊氏模數、熱膨脹係數、熱導率、破壞韌性的範圍
- 「選材圖」的資料(M. F. Ashby《Material property data for engineering materials》第5版,2021年的表中範圍)。選取範圍內的值,並在題目中寫「設為」。
- 相圖的數值(Cu–Ni、Pb–Sn、Ag–Cu、Al–Si、Al–Cu、Pt–Ag)與 Fe–C 系的共析點
- 「二元系相圖實驗室」與「鐵–碳相圖檢視工具」的資料(Callister《Materials Science and Engineering》等的數值,工具頁面上有各系統的出處)。Fe–C 的共析點為 0.76 wt% C,肥粒鐵的固溶限為 0.022 wt% C,Fe₃C 為 6.70 wt% C。
- X光的波長
- 與「XRD解析工作台」相同的 Kα1 值(由 X-ray Data Booklet 的光子能量以 λ = hc/E 求得的值)。
- 擴散的 D₀ 與 Q、誤差函數
- 與「擴散與表面處理模擬器」資料集相同的值(W. D. Callister, Jr., D. G. Rethwisch《Materials Science and Engineering: An Introduction》第9版的表 5.2)。誤差函數及其反函數也使用該工具的計算。溫度選自該工具不會顯示注意事項的範圍(在相的範圍內,置換型擴散則高於熔點的 0.75 倍),滲碳的表面濃度則低於該溫度的 Acm 線。
- 導體的電阻率
- 退火標準軟銅(IEC 60028,20 ℃時 1.7241 × 10⁻⁸ Ω·m,溫度係數 0.00393 K⁻¹)與導電用鋁(61 % IACS,2.8264 × 10⁻⁸ Ω·m,溫度係數 0.00403 K⁻¹)。
- 物理常數
- 將 CODATA 的值四捨五入到 3~4 位(N_A = 6.022 × 10²³ mol⁻¹、R = 8.314 J/(mol·K)、k = 8.617 × 10⁻⁵ eV/K、e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C、F = 96485 C/mol)。
- 假設的值
- 空位形成能、蒲松比、霍爾-佩奇關係的常數、臨界分解剪應力、纖維的楊氏模數、離子半徑、Larson-Miller 常數 C = 20 等,是從該材料可能的範圍中選取的練習用數值。n 型矽的電子遷移率,是由施體濃度 N 以 Caughey–Thomas 公式 µ = 52.2 + 1365/[1 + (N/9.68 × 10¹⁶ cm⁻³)^0.68] cm²/(V·s)(300 K,Jacoboni 等人 1977 的係數)估算之值的 ±5 % 範圍內。
常見問題
答案應該是對的,卻被判為錯誤。
首先請確認單位欄。所選的單位與輸入數值的單位不一致時,即使是正確的值也會被判為錯誤(多數情況會顯示「似乎弄錯了單位」)。單位一致但稍有偏差時,可能是中間值四捨五入過多,或使用了與題目不同的常數。請使用題目中的數值與常數,中間值保留 4 位以上重新計算。
題目的數值是怎麼決定的?
每種題型都設定了實際材料可能出現的範圍,每次從中選取。晶格常數、密度、楊氏模數、熱膨脹係數等物性值,選自與本站「材料用週期表」「選材圖」「二元系相圖實驗室」相同的資料。以範圍列出的物性(楊氏模數等),會選取範圍內的值,並在題目中寫「設為」。
可以再解一次同一題,或和朋友解同一題嗎?
可以。開啟「複製這題的網址」所得的網址(?t=題型&s=種子),就會出現相同數值的同一題。網址中不含答案,可以用來互相出題。
成績儲存在哪裡?可以刪除嗎?
只儲存在這個瀏覽器的 localStorage 中,不會傳送到伺服器,也不會與其他裝置或瀏覽器共用。可用頁面下方的「清除紀錄」刪除。在無痕瀏覽等無法儲存的設定下,不會留下成績,但仍可正常作答。
「多出弱項題型」是怎麼選題的?
依每種題型答錯與答對的次數,答錯比例越高的題型越容易被選中。尚未作答的題型也會以一定的比例出現。同一組題目中,同一題型不會連續出現兩次。
用計算工具開啟,可以知道什麼?
會開啟填入相同數值的計算工具,可以用別的方法確認答案,或觀察改變條件時的變化。例如布拉格角的題目,可以在「XRD解析工作台」看整個繞射圖譜;滲碳的題目,可以在「擴散與表面處理模擬器」看濃度分布。工具不支援的題型,則會顯示相關名詞或文章的連結。
和教科書的答案稍有不同。
教科書常會把中間值四捨五入,或把常數簡化(N_A = 6.02 × 10²³、R = 8.31 等),因此第 3 位可能不同。本練習的答案,是由題目所寫的數值與常數,中途不四捨五入計算出的值。只要在容許誤差範圍內,用哪一種作答都算正確。
晶體的題目需要記住哪些元素是 BCC 或 FCC 嗎?
本練習會在題目中寫出晶體結構。考試中有時不會寫出,因此記住 Fe(α)、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta 是 BCC,Al、Cu、Ni、Ag、Au、Pt、Pb、Pd 是 FCC,會很有幫助。