§ 3-5 加工硬化※ 冷加工進行時，起初金屬之塑性變形甚易，其後則愈來愈困難，此乃因金屬強度隨冷加工量增加而逐漸增強的緣故。

加工硬化 (work hardening)或應變硬化 (strain hardening)

※硬化 ↔強化。

※ 冷加工量(CW)以加工後截面積之減少量百分率表示如下：

式中，CW：單位為%Red. (面積減少百分率)Ao：原截面積Af：冷加工後截面積

%100][ ×−

=Ao

AAoCW f

※ 加工硬化的程度與冷加工量有一定的關係，下式係由實驗數據累積分析而得的經驗式：

式中，σtr：真實應力(true stress) =F：加工完成時的最大作用力εtr：真實應變(true strain) =ln：自然對數Lo、Lf：加工前後的長度A、B、n：隨金屬材料種類而異的常數，須

由實驗決定之

∵

∴

ntrtr BA )( ε+=σ

fAF

f

o

o

f

AA

LL

lnln =

1)1ln(ln −−

−==εo

fo

f

otr A

AAAA

)1log(303.21 CW−−=

ntr CWBA )]1log(4342.0[ −−=σ

可以計算在某種程度冷加工CW量後，材料的真實應力值。

n又稱加工硬化指數，為式中最具意義之值，通常n小於1，故強度之增加並不與冷加工量成直接比例。

※ 金屬之加工硬化現象，也可用差排的移動加以解釋。

在作用力持續不斷時，符號相反的差排若非互相移近即互相遠離。

移近時，因各自應力場內應力之消除，而產生吸力，直到兩者相遇乃互相抵消。

遠離時，各自向晶粒界面靠近，最後消失於界面處。

如此乃導致差排不斷消耗、消失，結果必然導致金屬材料之增強。

※ 當某一差排被障礙物(包括粒界、雜質、其他差排等)封鎖，則在作用力持續下，其他同符號之差排也會陷在後面，同被封鎖，結果滑動變得愈來愈困難，材料乃相對增強。

※ 如果作用力再增大，迫使被封鎖之差排群聚合，產生空隙，則空隙終將擴展成為裂縫，使材料損壞。

§ 3-6 加工對金屬材料之顯微鏡組織及機械性質之影響

※冷加工 冷加工量增大 金屬晶粒被擠壓變形

破碎、伸長。

※冷加工有強化金屬材料的功效。

純鐵、純銅、純鋁等軟質的材料無法藉著熱處理予以強化，只能利用足量冷加工(如冷抽、冷軋、冷鍛等)使其強度增大到適為所用。

※ 熱加工因係在再結晶溫度以上進行，其加工後形成之破碎晶粒立刻再結晶成多邊形、未受加工影響之晶粒，故無加工硬化的現象發生。

※ 熱加工後的顯微鏡組織隨加工量及加工完成之溫度而定，愈接近再結晶溫度者，晶粒愈細，加工量愈大者晶粒愈細，反之則晶粒愈大；若完工溫度低於再結晶溫度，則有冷加工的影響。

冷加工量增加

抗拉強度、視彈性限、洛氏硬度增高；伸長率 (延性 )降低

愈加工愈困難。

§ 3-7 加工後之退火回復、再結晶、晶粒生長及機械性質之變化

※冷加工後 強度增高 硬度、脆性增加。

※ 退火(annealing)：加工後，吾人為令材料軟化，使具有適當的延性，必須將工件加熱到適宜的高溫，此一操作稱之為「退火」。

簡單地定義為：「加熱使材料軟化的操作」。

※ 回復(recovery)：退火時，加工後的材料隨著溫度上升，逐漸發生一連串的變化，這一時期的退火，殘留應力可被消除，稱為「回復」，亦即應力弛釋期(stress-relief period)，冷加工後金屬材料內部的巨大殘留應力逐漸弛釋。

※ 再結晶(recrystallization)：抗拉強度直線下降(意味著硬度的下降)、伸長率及斷面縮率均急速上升(意味著延性增高)，這一段時期稱為再結晶或軟化(softening)期。

※ 再結晶溫度(recrystallization temperature)：退火時強度(或硬度)呈現急速下降之溫度稱為再結晶溫度，在此溫度下，變形之晶粒又重新孕核、再成長，隨著溫度繼續升高，即可形成未受加工影響特性之晶粒。

也可定義為：「冷加工金屬其晶粒可以重新凝核、生長之最低溫度」。

◎ (pp. 67, 圖3-22：冷加工後的金屬在加熱至高溫過程中(保溫時間一定)的變化情形)

A、B、C：溫度尚低時的退火狀況，其組織沒有什麼變化，機械性質的曲線(包括斷面縮率、抗拉強度、伸長率)尚為水平(不變)。

D~H：晶粒逐漸由伸長型「再結晶」為正常晶粒的過程。I~M：呈現明顯的晶粒長大趨勢，其退火溫度已遠高於再結

晶溫度，此一時期稱為晶粒生長(grain growth)期。(及圖3-24：D~F)

※再結晶溫度受許多因素影響，如：

1. 隨冷加工溫度的降低而下降2. 隨冷加工量之增加而下降3. 隨純度之提高而下降4. 隨退火加熱時間之增長而下降5. 隨加工前之細晶粒而下降 等

※ 自低溫至熔融皆為單相之金屬及合金必須冷加工達一臨界值(如3 %或5 %)後，加熱至再結晶溫度，才會發生再結晶的現象；但具有相變態本質的金屬及合金，只要溫度超過變態點，無論是否受過冷加工均會再結晶產生新相(參閱§6-2及圖6-1，pp. 141)。

在同一再結晶溫度下(260 °C)，退火不同的時間對黃銅顯微鏡組織及機械性質的影響。顯見退火之初期，抗拉強度下降不快，導電度之恢復亦緩，是為再結晶現象之 「 孕 育 期 」(incubation period)。只要溫度保持不變，平衡狀態即可永遠維持。退火溫度愈高，孕育期愈短，且晶粒易於生長。

◎ (pp. 69, 圖3-24：退火溫度不同對七三黃銅顯微鏡組織及機械性質的影響)

由諸曲線之轉折點知，七三黃銅的再結晶溫度約為500 °F (260 °C)。在260 °C以下的溫度退火一小時，則顯微鏡組織及

機械性質均無變化。

高於260 °C之退火，則溫度愈高，抗拉強度、硬度愈低，伸長率(延性)愈大。高於540 °C的退火，晶粒呈現明顯的長大跡象。高於650 °C的退火，伸長率反而與強度、硬度一同

降低，這點具有特殊意義。

伸長率曲線之再度下降，即因晶粒過度成長之故。

金屬材料之晶粒愈細者，強度愈大，故晶粒生長的現象在工程上，須受適當控制，以免晶粒過份成長，反而害其機械性質。

※ 異常粗大之晶粒稱 為 「 偉 晶 」(germination) ，在材料尚待進一步加工時，尤要防止，否則再加工表面易生橘皮(orange peel)狀。

※ 再結晶須有冷加工在先(具有相變態本質者除外)，但晶粒生長則不必要，任何晶粒的金屬材料在高溫下受熱，晶粒都會生長，溫度愈高晶粒之生長愈快。

§§ 作業：

1.

2.

6.

8. 何謂加工硬化？

10.

12. (a)、(b)、(c)、(e)、(f)、(m)、(n)、(u)、(v)

§ 3-5 加工硬化§ 3-6 加工對金屬材料之顯微鏡組織� 及機械性質之影響§ 3-7 加工後之退火回復、再結晶� 、晶粒生長及機械性質之變化 §§ 作業：