破損分析指引

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 斷裂處有頸縮、彎曲等大的塑性變形。圓棒受拉伸時，會形成邊緣有約 45° 傾斜剪唇的杯錐狀破斷面。
• 以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察，破斷面整面覆蓋著微小的凹坑（窩穴）。拉伸時為圓形的等軸窩穴，剪切時則為朝一個方向拉長的窩穴。

確認用的試驗

• 量測斷裂零件的尺寸與硬度，將承受的負荷與零件的強度（抗拉強度或0.2%偏位降伏強度）比較。
• 以同一批材料進行拉伸試驗或硬度試驗，確認材料是否具有規格要求的強度（是否有材料混用或熱處理不良）。
• 以應力分析，調查是否承受了設計時未預期的負荷。

常見的混淆

• 疲勞裂縫大幅成長之後的最終破斷區，也會是有窩穴的延性破斷面。不要只憑最後斷裂的部分就斷定為過負荷，要確認起點周圍是否有海灘紋或疲勞紋。

對策

材料

選擇具有所需強度與延性的材料與熱處理。

設計

對預期的最大負荷保留餘裕，並避免斷面急遽變化等應力集中。

環境與使用方式

重新檢討使用方式與保護裝置（阻止過負荷的機構），避免承受過大的負荷。

製造與維護

以進料與製程檢驗，防止因材料混用或熱處理不良造成的強度不足。

在計分表中加分的線索

以 SEM 觀察，整面都是窩穴（微小的凹坑） +3大（有頸縮、彎曲或伸長） +3衝擊，或突然承受很大的負荷 +2剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 +2經過長時間逐漸鼓脹或伸長 +1固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +1一般碳鋼、低合金鋼 +1幾乎沒有（碎片可以密合） −3幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） −3陶瓷、玻璃 −3海灘紋（以起點為中心擴展、像貝殼的條紋） −2平坦而發亮的小面（劈裂）或河流花樣 −2以 SEM 可看到疲勞紋（細小的平行條紋） −2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 −2在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損） −2人字紋（V 形花樣）或放射狀花樣指向起點 −1不是裂縫，而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 −1略有 −1反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） −1低溫（低於 0℃ 左右） −1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） −1橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −1數年以上 −1

相關名詞: 0.2%偏位降伏強度 加工硬化

確認用的題目:

1. 以掃描式電子顯微鏡觀察破斷面時，其特徵與破壞種類的組合，下列何者正確？
2. 在鋼這類具延性的金屬中，裂縫擴展所需的能量（臨界能量釋放率 G_c）比由表面能估算的 2γs（數J/m²左右）大好幾個數量級。主要原因為下列何者？
3. 對於像鋁合金這類不出現明確降伏點的材料，所使用的0.2%偏位降伏強度的求法，下列何者正確？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 破斷面平坦，大致垂直於負荷方向。沒有明顯的變形，碎片拼起來很吻合。
• 板或壁的破斷面上會出現人字紋（V 形花樣）或放射狀花樣，順著其方向追溯，就會找到起點。
• 以 SEM 觀察，可看到沿晶體特定晶面裂開的劈裂平坦小面，以及像河流般的河流花樣。在雜質偏析於晶界的回火脆性等情況下，也可能沿著晶界斷裂。
• 陶瓷與玻璃在起點周圍會形成稱為鏡面（mirror）的平滑區域，有方法可由其大小估算破壞時的應力（ASTM C1678）。

確認用的試驗

• 以沙丕衝擊試驗，調查使用溫度下的吸收能，以及由延性轉為脆性的溫度（延性-脆性轉移溫度）。
• 量測破壞韌性 K_IC，並由發現的裂縫尺寸與應力求出 K = Yσ√(πa)，確認是否已達到破壞條件。
• 調查組織與化學成分，找出降低韌性的因素（粗大晶粒、偏析於晶界的雜質、焊接熱影響區的硬化）。

常見的混淆

• 即使最後的破斷面是脆性，起點也可能有由疲勞裂縫或應力腐蝕破裂形成的小裂縫，只是它達到臨界尺寸而斷裂（銀橋倒塌）。要以高倍率檢查起點。
• 肥粒鐵系的鋼（體心立方）在低溫下會急遽變脆，但鋁、銅、鎳的合金與沃斯田鐵系不鏽鋼（面心立方）沒有明顯的轉移。

對策

材料

選擇在使用溫度下具有足夠韌性（沙丕吸收能、破壞韌性）的鋼，並使晶粒細化。

設計

避免缺口與斷面急遽變化，並採用即使有裂縫、在破壞之前整個構件會先降伏的設計（破壞前降伏）。

環境與使用方式

在低於延性-脆性轉移溫度的溫度下，不施加衝擊性負荷。

製造與維護

檢查焊接缺陷與硬化，並管理焊接條件，避免產生韌性低的熱影響區。

在計分表中加分的線索

人字紋（V 形花樣）或放射狀花樣指向起點 +3平坦而發亮的小面（劈裂）或河流花樣 +3衝擊，或突然承受很大的負荷 +3低溫（低於 0℃ 左右） +3陶瓷、玻璃 +3幾乎沒有（碎片可以密合） +2一般碳鋼、低合金鋼 +2剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 +2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） +1大（有頸縮、彎曲或伸長） −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金（黃銅等） −3以 SEM 觀察，整面都是窩穴（微小的凹坑） −2以 SEM 可看到疲勞紋（細小的平行條紋） −2在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損） −2高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） −2耐熱合金（鎳基超合金等） −2橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −2海灘紋（以起點為中心擴展、像貝殼的條紋） −1不是裂縫，而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 −1幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） −1中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等） −1樹脂（塑膠） −1

相關名詞: 破壞韌性 應力強度因子 Griffith理論 破壞前降伏 焊接熱影響區

確認用的題目:

1. 在低溫下明顯出現由延性轉為脆性的轉移（延性-脆性轉移）的材料是下列何者？
2. 破壞韌性 K_IC = 50 MPa·√m 的鋼板承受200 MPa的拉伸應力。設形狀係數 Y = 1.0，使用 K = Yσ√(πa)，發生破壞的臨界裂縫長度a最接近下列何者？
3. 以同一材料量測不同厚度板材的破壞韌性時，增加板厚，表觀破壞韌性 K_c 會如何變化？
4. 完美晶體的理論強度估計約為楊氏模數的10分之1，但玻璃等脆性材料的實際破壞強度，往往只有它的數十分之一到數百分之一。主要原因為下列何者？

事故案例: 銀橋倒塌（1967 年）：從眼桿的小裂縫開始的脆性破壞

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 以肉眼可看到以起點為中心擴展的海灘紋（像貝殼的條紋）。這是運轉停止或負荷變化留下的痕跡。
• 有多個起點時，起點與起點之間會並排著棘輪紋（邊緣的段差）。
• 裂縫成長的區域平滑、沒有剪唇，有時會變色。最後斷裂的部分則是粗糙的面。
• 以 SEM 觀察，可看到大致代表每一循環裂縫前進量的疲勞紋。在鋁合金中清楚可見，在高強度鋼中有時不明顯。
• 起點多位於表面刮痕或缺口、焊趾、夾雜物等應力集中的地方。

確認用的試驗

• 以立體顯微鏡記錄起點、海灘紋與最終破斷區的位置與大小，並以 SEM 尋找疲勞紋。
• 由疲勞紋的間距估算裂縫成長速率與應力強度因子範圍 ΔK，反推所承受應力的大小。
• 量測起點的表面粗糙度、硬度與殘留應力（X 光繞射）。
• 以負荷量測或振動分析，估算反覆應力的大小與次數。

常見的混淆

• 看不到疲勞紋，不代表就不是疲勞。在成長緩慢的區域條紋不易看到，也可能因破斷面互相摩擦或腐蝕而消失。
• 應力腐蝕破裂的外觀有時與疲勞相似。要同時考慮負荷是否為反覆負荷、是否有特定的腐蝕環境來判斷。
• 不要只看最後斷裂部分的窩穴或劈裂，就判斷為過負荷或脆性破壞。

對策

材料

選擇疲勞強度高的材料，例如夾雜物少的潔淨鋼。

設計

減少缺口與斷面急遽變化造成的應力集中，並降低應力振幅與拉伸平均應力（以修正古德曼線圖評估）。

環境與使用方式

腐蝕會降低疲勞強度，因此要做好防蝕。

製造與維護

以珠擊、滲碳、氮化等在表面導入壓縮殘留應力，減少表面損傷，並修整焊趾的形狀。

在計分表中加分的線索

海灘紋（以起點為中心擴展、像貝殼的條紋） +3以 SEM 可看到疲勞紋（細小的平行條紋） +3反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） +3棘輪紋（破斷面邊緣並排的段差；有多個起點） +2幾乎沒有（碎片可以密合） +2略有 +1反覆加熱與冷卻（啟動與停機、急冷） +1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） +1一般碳鋼、低合金鋼 +1鋁合金 +1數小時〜數個月 +1數年以上 +1固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） −3在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損） −2衝擊，或突然承受很大的負荷 −2幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） −2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 −1斷面上，細裂縫一邊分岔一邊前進 −1大（有頸縮、彎曲或伸長） −1陶瓷、玻璃 −1剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −1

相關名詞: 疲勞限 疲勞紋 Paris定律 Miner法則 修正古德曼線圖 應力集中係數

確認用的題目:

1. 因疲勞而破斷之零件的破斷面上，有肉眼可見的貝殼狀花紋（海灘紋），以及以電子顯微鏡可見的細紋（疲勞紋）。關於這些的敘述，下列何者正確？
2. 對表面平滑的金屬材料反覆施加低於降伏應力的應力振幅時，關於疲勞裂縫的生成，下列敘述何者正確？
3. 下列哪一種表面處理，可望提高鋼零件的疲勞強度？
4. 將疲勞裂縫擴展速率 da/dN 對應力強度因子範圍 ΔK 以雙對數作圖的曲線，下列敘述何者正確？
5. 關於疲勞S-N曲線的敘述，下列何者正確？

事故案例: 阿囉哈航空 243 號班機事故（1988 年）：機身搭接接頭的疲勞與腐蝕

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 與疲勞一樣會出現海灘紋或棘輪紋，起點可看到孔蝕或腐蝕生成物。
• 有時會從孔蝕產生許多小裂縫，這些裂縫相連而成為大裂縫。
• 破斷面可能被腐蝕生成物覆蓋而使疲勞紋消失，或在平坦的面上看到並排條紋的脆性疲勞紋。

確認用的試驗

• 以 EDS 等分析起點與破斷面的腐蝕生成物，調查是否含有氯化物等環境中的成分。
• 在實際環境中進行疲勞試驗。在海水中等環境，反覆的頻率越低，壽命可能大幅縮短，因此要以接近實際的頻率試驗。

常見的混淆

• 在腐蝕環境中不會出現疲勞限，因此即使是以低於空氣中疲勞限的應力設計的零件，也可能損壞。
• 應力腐蝕破裂在固定負荷下也會成長，而腐蝕疲勞沒有反覆負荷就不會成長。以負荷的種類來區分。

對策

材料

選擇在該環境中耐蝕性高的材料，或使用有防蝕被覆的材料。

設計

不要形成積水的縫隙或積液處，並降低應力振幅。

環境與使用方式

以塗裝、電鍍、陰極防蝕、水質管理抑制腐蝕。

製造與維護

以珠擊在表面導入壓縮殘留應力，並以檢查防止被覆受損。

在計分表中加分的線索

反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） +3海灘紋（以起點為中心擴展、像貝殼的條紋） +2棘輪紋（破斷面邊緣並排的段差；有多個起點） +2以 SEM 可看到疲勞紋（細小的平行條紋） +2起點有孔蝕或腐蝕生成物 +2水、濕氣、結露 +2氯化物（海水、鹽分、融雪劑） +2數年以上 +2反覆負荷 × 氯化物 +2表面有許多呈網狀排列的裂縫，且被氧化物填滿 +1略有 +1幾乎沒有（碎片可以密合） +1一般碳鋼、低合金鋼 +1鋁合金 +1反覆負荷 × 水、濕氣 +1固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） −3樹脂（塑膠） −3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −3乾燥空氣 −2陶瓷、玻璃 −2剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −2

相關名詞: 疲勞限 孔蝕 疲勞紋

確認用的題目:

1. 將SUS304用於含大量氯離子的海水中時，容易發生的局部腐蝕與其對策的組合，下列何者正確？
2. 關於疲勞S-N曲線的敘述，下列何者正確？
3. 因疲勞而破斷之零件的破斷面上，有肉眼可見的貝殼狀花紋（海灘紋），以及以電子顯微鏡可見的細紋（疲勞紋）。關於這些的敘述，下列何者正確？

事故案例: 阿囉哈航空 243 號班機事故（1988 年）：機身搭接接頭的疲勞與腐蝕

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 細裂縫一邊分岔一邊前進。從外面看幾乎沒有腐蝕，露出表面的裂縫也很小，是不易發現的損傷。
• 氯化物造成的沃斯田鐵系不鏽鋼破裂，多為在晶粒內前進的穿晶破裂；氨造成的黃銅季裂，以及敏化不鏽鋼的破裂，則多為沿晶破裂。破裂的形態可以作為線索。
• 斷裂處沒有大的變形，裂縫內部或破斷面有時會因腐蝕生成物而變色。

確認用的試驗

• 將斷面研磨、腐蝕後以光學顯微鏡觀察，調查裂縫的分岔，以及是穿晶還是沿晶。
• 以 U 形彎曲試驗、定負荷試驗、慢應變速率試驗（SSRT），確認在該環境中的破裂敏感性。沃斯田鐵系不鏽鋼常用沸騰的 42% 氯化鎂進行試驗。
• 以 X 光繞射量測焊接或彎曲加工造成的拉伸殘留應力。

常見的混淆

• 外觀有時與疲勞相似。以負荷是否為反覆負荷、是否有特定環境來辨別。
• 氫脆、液態金屬脆化、潛變的沿晶破斷面，外觀也很相似。
• 由腐蝕產生的氫所驅動的破裂，陰極防蝕反而可能促進破裂，對策與金屬溶解而前進的類型相反。

對策

材料

可以改用含 Ni 多的鋼種或雙相不鏽鋼，或採用耐破裂的熱處理，例如將鋁合金 7075 過時效的 T73。

設計

減少拉伸殘留應力與應力集中，不要形成氯化物會濃縮的縫隙或積液處。

環境與使用方式

減少氯化物與溶氧，降低溫度，並使用抑制劑（腐蝕抑制劑）。一般認為沃斯田鐵系不鏽鋼的氯化物破裂在約 60℃以上容易發生。

製造與維護

以應力消除退火或珠擊降低拉伸殘留應力。應力消除退火廣泛用於碳鋼，但在沃斯田鐵系不鏽鋼上有時效果不佳。

在計分表中加分的線索

斷面上，細裂縫一邊分岔一邊前進 +3幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） +3濃鹼或氨 +3氯化物 × 沃斯田鐵系不鏽鋼 +3氨、鹼 × 銅合金（季裂） +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有（碎片可以密合） +2固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +2中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等） +2氯化物（海水、鹽分、融雪劑） +2沃斯田鐵系不鏽鋼 +2銅合金（黃銅等） +2濃鹼 × 碳鋼（鹼脆） +2起點有孔蝕或腐蝕生成物 +1水、濕氣、結露 +1氫的來源（酸洗、電鍍、焊接、陰極防蝕、氫氣） +1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） +1鋁合金 +1數小時〜數個月 +1數年以上 +1樹脂（塑膠） −3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −3大（有頸縮、彎曲或伸長） −2乾燥空氣 −2以 SEM 觀察，整面都是窩穴（微小的凹坑） −1反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） −1衝擊，或突然承受很大的負荷 −1低溫（低於 0℃ 左右） −1高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） −1陶瓷、玻璃 −1剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −1

相關名詞: 應力腐蝕破裂 敏化 孔蝕 不鏽鋼 黃銅 鈍態

確認用的題目:

1. 關於應力腐蝕破裂的敘述，下列何者正確？
2. 將SUS304用於含大量氯離子的海水中時，容易發生的局部腐蝕與其對策的組合，下列何者正確？
3. 焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時，在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕（weld decay）。其原因與對策的組合何者正確？
4. 不鏽鋼在大氣或水中不易生鏽的主要理由為下列何者？

事故案例: 銀橋倒塌（1967 年）：從眼桿的小裂縫開始的脆性破壞

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 斷裂處幾乎沒有變形，高強度鋼多為沿著晶界的破斷面。
• 在固定負荷或螺栓鎖緊之下，經過一段時間後突然斷裂。
• 焊接時，焊後經過一段時間，熱影響區等處可能出現低溫破裂（氫致破裂）。

確認用的試驗

• 量測硬度或強度。一般認為鋼的降伏強度低於約 600 MPa 時不易發生，超過約 1000 MPa 時容易成為大問題。
• 調查製造履歷（酸洗、電鍍、焊接）與使用中的氫來源（腐蝕、陰極防蝕）。
• 以持續施加固定負荷的試驗或慢應變速率試驗，比較充氫與未充氫的試片。

常見的混淆

• 與應力腐蝕破裂有重疊之處，但氫脆即使沒有腐蝕環境，也會因電鍍或焊接時進入的氫而發生。
• 熱浸鍍鋅之後的破裂，液態金屬脆化與氫都有嫌疑，因此兩者都要調查。

對策

材料

不要把強度（硬度）提高到超過需要的程度。沃斯田鐵系的鋼中氫的擴散較慢，要經過長得多的時間才會脆化。

設計

重新檢討高強度螺栓的鎖緊力與應力集中，降低持續的拉伸應力。

環境與使用方式

管理陰極防蝕的電位，避免過度防蝕而產生氫。

製造與維護

酸洗或電鍍之後，以約 200℃ 數小時的烘烤除去氫。焊接時以預熱、後熱減緩冷卻，讓氫逸出。

在計分表中加分的線索

氫的來源（酸洗、電鍍、焊接、陰極防蝕、氫氣） +3高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） +3氫的來源 × 高強度鋼 +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有（碎片可以密合） +2固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +2幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） +2數小時〜數個月 +2平坦而發亮的小面（劈裂）或河流花樣 +1斷面上，細裂縫一邊分岔一邊前進 +1室溫附近 +1水、濕氣、結露 +1剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 +1樹脂（塑膠） −3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −3陶瓷、玻璃 −3大（有頸縮、彎曲或伸長） −2以 SEM 觀察，整面都是窩穴（微小的凹坑） −1反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） −1沃斯田鐵系不鏽鋼 −1

相關名詞: 焊接熱影響區 碳當量 應力腐蝕破裂

確認用的題目:

1. 在高強度鋼的焊接中，為了防止焊接後數分鐘～數天內在熱影響區等處產生的冷裂（氫裂），會進行預熱。預熱的效果何者正確？
2. 以 Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15（質量%）求出作為鋼之焊接性參考的碳當量。C 0.20%、Mn 1.20%、Cr 0.30%、Mo 0.10%、V 0%、Ni 0.30%、Cu 0.15%的鋼，其 Ceq 最接近下列何者？
3. 關於應力腐蝕破裂的敘述，下列何者正確？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 斷裂處附近的斷面上，有許多晶界孔洞（空穴）以及從晶粒三叉點長出的楔形裂縫。
• 晶界是潛變變形與損傷進展最快的地方，裂縫多沿著晶界前進。
• 潛變是變形隨時間增加的現象，因此在斷裂之前，變形可能以管的鼓脹或構件的伸長出現。

確認用的試驗

• 在使用溫度與應力下進行潛變斷裂試驗，以 Larson-Miller 參數換算溫度與時間，估算壽命。
• 由運轉紀錄調查實際的金屬溫度（是否有過熱），也從析出物粗大化等組織變化推定溫度履歷。

常見的混淆

• 只憑沿晶破斷面，很難與氫脆或應力腐蝕破裂區分，因此要把溫度與時間當作最重要的線索。
• 在溫度上下變動的使用方式中，要考慮熱疲勞，以及潛變與疲勞的重疊（熱機械疲勞）。
• 樹脂的熔點低，即使在室溫下，長時間承受負荷也會潛變伸長而破裂。本指引主要處理金屬的高溫潛變，但若樹脂有經長時間的伸長，就要懷疑潛變。

對策

材料

選擇鎳基超合金等高溫強度高的材料。晶界是潛變的弱點，因此有以單向凝固的柱狀晶或單晶，消除垂直於應力的晶界的方法。

設計

降低使用溫度與應力，以 Larson-Miller 參數等預估有餘裕的壽命。

環境與使用方式

防止過熱，並以熱障塗層等降低金屬的溫度。

製造與維護

正確進行固溶處理與時效的熱處理，得到目標的析出組織。

在計分表中加分的線索

斷裂處附近的斷面上，晶界有許多孔洞或楔形裂縫 +3經過長時間逐漸鼓脹或伸長 +3高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） +3耐熱合金（鎳基超合金等） +3樹脂 × 經長時間的伸長（樹脂在室溫下也會潛變） +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +2數年以上 +2略有 +1反覆加熱與冷卻（啟動與停機、急冷） +1高溫氣體（燃燒氣體、高溫空氣） +1低溫（低於 0℃ 左右） −3衝擊，或突然承受很大的負荷 −2室溫附近 −2剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −2反覆負荷（振動、旋轉、壓力或負荷的變動） −1中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等） −1橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −1

相關名詞: 潛變 冪律潛變 擴散潛變 Larson-Miller參數 鎳基超合金 變形機構圖

確認用的題目:

1. 關於在一定負荷與溫度下量測的潛變曲線（應變與時間的關係）的3個階段，下列敘述何者正確？
2. 在室溫下細化晶粒會提高強度（霍爾-佩奇關係），但在高溫下長時間承受負荷的零件，卻常使用粗晶粒或單晶。其理由何者正確？
3. 某耐熱合金在某應力下，於1000 K經1000 h而潛變破斷。設Larson-Miller參數 P = T(C + log₁₀t_r)（T為絕對溫度，t_r為破斷時間、單位為h，C = 20）在相同應力下為一定，要在相同應力下得到10⁵ h的破斷壽命，溫度最接近下列何者？
4. 噴射引擎的渦輪葉片使用單向凝固的柱狀晶或單晶鎳基超合金，其理由何者正確？
5. 設潛變變得不可忽略的溫度標準為熔點（絕對溫度）的約0.4倍。對鋁（熔點660℃）而言，此標準最接近下列何者？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 被急速冷卻的表面產生許多裂縫，看起來呈網狀（龜甲狀）。
• 裂縫寬，從表面開始，多被高溫下的氧化物填滿。以楔子般的形狀在晶粒內前進。
• 裂縫多沿著焊趾，或斷面厚度改變的地方出現。

確認用的試驗

• 由運轉紀錄調查啟動與停機的次數，以及溫度變化的速度，並由熱膨脹差與溫度差估算熱應力。
• 裂縫多與表面相連，因此以磁粒探傷或液滲探傷尋找。

常見的混淆

• 許多淺的裂縫，容易誤認為腐蝕造成的破裂。要確認裂縫是否集中在被急速冷卻的表面，以及是否垂直於熱應力的方向。

對策

材料

縮小互相組合的材料之間的熱膨脹差，並選擇熱膨脹小、導熱好的材料。

設計

採用能吸收伸縮的柔性支撐，並使焊接部與斷面變化平順。

環境與使用方式

管理啟動與停機時加熱與冷卻的速度，避免冷水淋到高溫的部分。

製造與維護

將焊趾修整平滑，減少應力集中。

在計分表中加分的線索

表面有許多呈網狀排列的裂縫，且被氧化物填滿 +3反覆加熱與冷卻（啟動與停機、急冷） +3高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） +2耐熱合金（鎳基超合金等） +2海灘紋（以起點為中心擴展、像貝殼的條紋） +1棘輪紋（破斷面邊緣並排的段差；有多個起點） +1以 SEM 可看到疲勞紋（細小的平行條紋） +1幾乎沒有（碎片可以密合） +1高溫氣體（燃燒氣體、高溫空氣） +1數年以上 +1樹脂（塑膠） −2橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −2固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） −1低溫（低於 0℃ 左右） −1

相關名詞: 熱應力 線膨脹係數 熱障塗層

確認用的題目:

1. 將矽基板（線膨脹係數2.6×10⁻⁶ K⁻¹）上的鋁膜（楊氏模數70 GPa，蒲松比0.35，線膨脹係數23×10⁻⁶ K⁻¹）由無應力的125℃冷卻至25℃。設基板足夠厚，膜中產生的熱應力 σ = EΔαΔT/(1 − ν) 的方向與大小為下列何者？
2. 固體因加熱而膨脹（發生熱膨脹）的主要原因為下列何者？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 接觸熔融金屬時，幾乎不變形就破裂。熱浸鍍鋅的鋼，會在鋅層之下產生沿著晶界的裂縫。
• 破斷面的晶界被鋅等引起破裂的金屬覆蓋。
• 知名的組合有鋁與鎵、汞，鋼與鋅、銅、錫，銅合金與汞等。

確認用的試驗

• 以 SEM 與 EDS、EPMA 分析破斷面與裂縫內部，調查是否有引起破裂的金屬。
• 在斷面上觀察破裂是否沿著晶界，以及金屬侵入到多深。
• 調查電鍍或焊接的條件、加工條件、殘留應力與鋼的化學成分。

常見的混淆

• 因為是沿晶破斷面，容易與應力腐蝕破裂或氫脆混淆。要確認是否有接觸熔融金屬的履歷。
• 電鍍之後的破裂，也可能是由鋼吸收的氫造成，因此兩者都要調查。

對策

材料

選擇鋼時，注意會偏析於晶界而促進破裂的成分（銅、錫等）。

設計

採用冷彎或焊接造成的拉伸殘留應力不會集中的形狀。

環境與使用方式

使用中避免接觸銲錫、汞等熔融金屬。

製造與維護

管理電鍍前的加工與焊接條件，以及電鍍作業的條件。

在計分表中加分的線索

破斷面或晶界上附著鋅、銲錫等其他金屬 +3熔融金屬（熱浸鍍鋅、銲錫、硬銲料、汞） +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有（碎片可以密合） +2幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） +2剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 +2固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +1高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） +1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） +1鋁合金 +1銅合金（黃銅等） +1熔融金屬 × 製造中、剛開始使用 +1樹脂（塑膠） −3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −3陶瓷、玻璃 −3大（有頸縮、彎曲或伸長） −2數年以上 −2

相關名詞: SEM（掃描式電子顯微鏡） EDS（能量散布式X光能譜法）

確認用的題目:

1. 以SEM或EPMA分析特性X光的EDS（能量散布式）與WDS（波長散布式）的比較，下列何者正確？
2. SEM二次電子影像與背向散射電子影像的特徵，下列何者正確？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 硬的顆粒或凸起切削表面時（磨粒磨耗），刮痕會沿滑動方向排列。
• 金屬互相黏著後被剪斷時（黏著磨耗），會有對偶材料的轉移附著，或表面被撕起。
• 零件不會破裂，而是尺寸逐漸減少。

確認用的試驗

• 觀察磨耗面，調查刮痕的方向與磨屑的形狀與成分，並將表面硬度與對偶面或混入顆粒的硬度比較。
• 以銷盤試驗（pin-on-disk）等量測磨耗量，以 Archard磨耗方程式 V = KWL/H 比較材料與條件。

常見的混淆

• 因磨耗而變薄的部分，最後也可能破裂，因此不只看破裂的部分，也要確認在那之前尺寸是否已經減少。
• 在流動中配管壁厚減少的損傷（沖蝕腐蝕）是沒有接觸對象的另一種機制，對策也不同。

對策

材料

使表面硬度達到與對偶顆粒相同程度以上（滲碳、氮化、硬質膜等）。

設計

降低面壓與滑動速度。

環境與使用方式

使潤滑接近流體潤滑（Stribeck 曲線），並防止砂等異物進入。

製造與維護

管理表面粗糙度與加工精度，使凸起不易穿過油膜而接觸。

在計分表中加分的線索

不是裂縫，而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 +3在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損） +3與對偶面的滑動、摩擦或滾動 +3內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸，並且變薄 +1高速流動、液滴或含顆粒的流動 +1橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） +1陶瓷、玻璃 +1數年以上 +1剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −1

相關名詞: Archard磨耗方程式 黏著磨耗 磨粒磨耗 Stribeck曲線 滲碳 氮化處理

確認用的題目:

1. 下列磨耗機制的說明中，屬於黏著磨耗的是何者？
2. 某建設機械零件受到含石英砂粒（硬度約1000 HV）的土砂摩擦，減少磨粒磨耗的選材方式，正確者為下列何者？
3. 在銷盤式（pin-on-disk）試驗中，對硬度 H = 2.0 GPa 的銷施加50 N的正向負荷，滑動1.0 km的距離。以Archard磨耗方程式 V = KWL/H、無因次磨耗係數 K = 1.0×10⁻⁴ 計算時，銷的磨耗體積與負荷變為2倍時磨耗體積的變化，正確的組合為下列何者？
4. 以潤滑油黏度η、轉速N、面壓P組成的軸承特性數 ηN/P 為橫軸，畫出滑動軸承摩擦係數的Stribeck曲線，下列敘述何者正確？

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 配管內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸，局部變薄。
• 在孔口板、彎頭、T 形接頭的下游等流動紊亂的地方變薄。
• 破口周圍非常薄，變薄的部分因內壓而裂開。

確認用的試驗

• 以超音波測厚儀量測壁厚，由與上次數值的差估算減薄速率與剩餘壽命。
• 分析鋼的 Cr 含量（即使是少量的 Cr 也會減緩減薄）。
• 調查水質（pH、溶氧）與溫度、流動的紀錄。一般認為在單相水流中，約 140〜160℃ 時減薄最快。

常見的混淆

• 減薄是局部的，不能像均勻腐蝕那樣由平均腐蝕速率預測。
• 蒸汽中液滴撞擊造成的液滴衝擊沖蝕也會造成減薄，但發生的位置與對策不同。

對策

材料

改用含 Cr 的低合金鋼（1.25%Cr 以上的 Cr-Mo 鋼）或不鏽鋼。

設計

減少擾亂流動的複雜形狀。

環境與使用方式

將 pH 保持在弱鹼性，並管理溶氧。

製造與維護

將要檢查的位置無遺漏地登錄，並優先量測流動紊亂處的壁厚。

在計分表中加分的線索

內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸，並且變薄 +3在斷裂之前，材料已經減少（壁厚減薄、磨損） +3高速流動、液滴或含顆粒的流動 +3高速流動 × 碳鋼 +3中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等） +2數年以上 +2不是裂縫，而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 +1水、濕氣、結露 +1一般碳鋼、低合金鋼 +1沃斯田鐵系不鏽鋼 −3樹脂（塑膠） −3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） −3陶瓷、玻璃 −3剛開始使用、製造中，或第一次承受大負荷時 −3乾燥空氣 −2高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） −1鋁合金 −1銅合金（黃銅等） −1耐熱合金（鎳基超合金等） −1

相關名詞: 鈍態 法拉第定律

確認用的題目:

1. 鐵的腐蝕電流密度在整面均勻為1.0 µA/cm²時，表面因腐蝕而後退的速率最接近下列何者？設鐵以 Fe²⁺ 溶解，莫耳質量55.85 g/mol，密度7.87 g/cm³，法拉第常數96485 C/mol，1年為3.15×10⁷ s。
2. 不鏽鋼在大氣或水中不易生鏽的主要理由為下列何者？

事故案例: 美濱發電廠 3 號機的配管破損（2004 年）：孔口板下游的壁厚減薄

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 橡膠密封件即使沒有破裂，也可能留下從縫隙洩漏的痕跡，或熱造成的損傷（燒焦、侵蝕）。
• 樹脂零件在低於玻璃轉移溫度時分子不易運動，可能幾乎不變形就破裂（例如聚丙烯的玻璃轉移溫度約為 −20〜0℃）。

確認用的試驗

• 在使用溫度下，量測橡膠從壓縮狀態恢復原形的速度（彈性恢復）。
• 量測玻璃轉移溫度，並與最低使用溫度比較。
• 在包含最低溫度的使用範圍內，以盡可能接近實物的狀態進行試驗。

常見的混淆

• 密封件的故障沒有破裂或破斷面，因此有時不易察覺是材料的問題。
• 高分子的性質取決於時間與溫度，降低溫度與在更短時間（快速變形）下量測具有相同的效果。在低溫下，要跟上快速的動作更加困難。

對策

材料

選擇玻璃轉移溫度遠低於最低使用溫度的材料。

設計

採用對溫度與尺寸變異不敏感的設計，使密封件在縫隙變動時也能跟上。

環境與使用方式

以加熱器等保持溫度，或設定使用（發射、運轉）的溫度限制。

製造與維護

在包含低溫的整個使用範圍內，以接近實際使用方式的試驗進行認證。

在計分表中加分的線索

低溫（低於 0℃ 左右） +3橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） +3樹脂（塑膠） +2橡膠、彈性體 × 低溫 +2樹脂 × 低溫 +2塑膠上有細小的條紋（銀紋）或白化 +1幾乎沒有（碎片可以密合） +1高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） −3高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） −3一般碳鋼、低合金鋼 −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金（黃銅等） −3耐熱合金（鎳基超合金等） −3陶瓷、玻璃 −3中溫（約 60〜300℃；熱水、蒸汽的配管等） −2大（有頸縮、彎曲或伸長） −1室溫附近 −1

相關名詞: 玻璃轉移溫度 黏彈性

確認用的題目:

1. 關於結晶性高分子（半結晶性高分子）的玻璃轉移溫度Tg與熔點Tm的敘述，下列何者正確？
2. 在聚氯乙烯（PVC）中添加塑化劑時，玻璃轉移溫度Tg與材料性質會如何變化？
3. 關於高分子黏彈性中時間-溫度換算法則（時溫疊加原理）的想法，下列何者正確？

事故案例: 挑戰者號事故（1986 年）：低溫使 O 形環的彈性恢復變慢

辨識方法（破斷面、斷面組織、SEM）

• 從彎曲、鎖緊、壓入等造成應力高的地方，產生許多細小的銀紋或裂縫，其中一條發展成破裂。
• 破裂附近有時會變白（白化）。
• 變形少，以脆性方式破裂。

確認用的試驗

• 將試片彎曲固定並塗上液體，調查到出現裂縫或銀紋為止的時間或應變（聚乙烯有 ASTM D1693 等標準）。
• 調查附著在零件上的液體、清潔劑、潤滑劑的成分，確認使用環境。

常見的混淆

• 即使樹脂沒有膨潤或溶解也會發生，因此即使液體看起來無害也要懷疑。
• 即使是無害濃度的液體，因蒸發等而濃縮後也可能引起破裂。

對策

材料

選擇對接觸的液體不易破裂的樹脂。

設計

降低鎖緊、壓入、彎曲造成的拉伸應力。

環境與使用方式

避免接觸會引起破裂的液體（溶劑、界面活性劑等）。

製造與維護

減少成形的殘留應力。

在計分表中加分的線索

塑膠上有細小的條紋（銀紋）或白化 +3油、溶劑、清潔劑（界面活性劑） +3樹脂（塑膠） +3固定負荷（自重、內壓、鎖緊力等） +2幾乎沒有外部負荷（焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力） +2樹脂 × 油、溶劑、清潔劑 +2幾乎沒有（碎片可以密合） +1室溫附近 +1橡膠、彈性體（密封件、O 形環等） +1數小時〜數個月 +1高強度鋼（淬火回火的高強度螺栓、彈簧等） −3一般碳鋼、低合金鋼 −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金（黃銅等） −3耐熱合金（鎳基超合金等） −3陶瓷、玻璃 −3大（有頸縮、彎曲或伸長） −2高溫（熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上；鋼約為 450℃以上） −1

相關名詞: 結晶度 黏彈性

確認用的題目:

1. 同種高分子的結晶度提高時，一般會如何？