98 年度鋼瓶安全檢驗站基礎教育訓練物理計量單位、力學及材料概論

中華民國工業氣體協會

物理計量單位 長度長度 // 面積面積 // 體積的單位體積的單位 質質 (( 重重 )) 量量 壓力壓力 溫度溫度 熱量、比熱熱量、比熱 密度及其他密度及其他

物理計量單位

計量單位前的常用的倍率分率代號

倍數和分數名稱

兆 百萬 千 分 厘 毫 微

代號 T M k d c m μ

說明 1012 106 103 10-1 10-2 10-3 10-6

資料來源 : 度量衡國家標準實驗室

物理計量單位

MKS 制 長度 容量 質量名稱 米 ( 公尺 ) 公升 千公克 ( 公

斤 )

英譯 meter liter kilogram

代號 m l kg

資料來源 : 度量衡國家標準實驗室

單位符號之縮寫

物理計量單位 單位符號之縮寫

時 間 面 積 體 積 英 制 ( 長度與重力 )

名稱 時 分 秒 平方米 立方米 英吋 英呎 磅

英譯 hour minute second Sq.

meter

cu.

meter

inch feet pound

代號 hr min sec m2 m3 in ft p

物理計量單位 質量單位換算

單位 公噸 公斤 公克 磅 盎斯

代號 t kg g p ounce

換算率 0.001 1 1000 2.2 35.274

0.000454 0.454 453593 1 16

Ps: 英制的磅 , 有 pound (p) 重量單位 / libra (lb) 指重量的多少數量

物理計量單位 壓力單位換算 常用的單位有 kg/cm2,Mpa,psi….

單位 百萬帕斯卡

巴 公斤 /平方公

分

磅 / 平方英吋

公分水柱

厘米汞柱

大氣壓

代號 MPa bar Kg/cm2 psi cmH2O mmHg atm

換算率

0.098 0.98 1 14.22 1000 735.6 0.967

0.101 1.013 1.033 14.696 1033.2 760 1

物理計量單位 計算例： 潛水伕潛入 100 米深得海底工作，請問潛水伕是在多少

大氣壓力之下的工作環境中工作？ 100÷10(mH2O)=10

10x0.967=9.67 (atm)

Ans: 9.67 atm

物理計量單位 計算例： 1 支 DOT 3AA2265 的鋼瓶應該用多少 kg/cm2 的壓力

做耐壓測試？ 2265 ÷14.22 ＝ 159.3

159.3× 5/3 ＝ 265.5 (kg/cm2)

Ans ： 265.5 kg/cm2

物理計量單位

溫度換算 絕對溫度 (K) = 攝氏溫度 (℃)+273 攝氏溫度 (℃) = 【華氏溫度 (℉) -32 】× 9/5

華氏溫度 (℉) = 攝氏溫度 (℉) ×9/5+32

物理計量單位 熱能單位換算 註 :BTU:British Thermal Unit 英制熱量計量單位

單位 焦耳 千卡 千瓦小時

BTU

代號 j kcal Kw-hr BTU

換算率 4187.6 1 0.00116

3.969

1055075 251.95 0.293 1000

物理計量單位 計算例： 40L 的鋼瓶水壓後用熱水加熱沖洗 3 分鐘，水流量

20L/min ，約需耗掉多少能源？ 1 ×(90 － 23) ×20 ×3 ＝ 4020 kcal

4020 ×0.00116=4.66(kw-hr)

Ans:4.66 kw-hr

物理計量單位 功率換算

單位 千瓦 公斤米 /秒

馬力 千卡/ 小時

BTU

/ 分鐘BTU/小時

代號 kW Kgm/s HP Kcal/hr BTU/min BTU/hr

換算率 1 101.97 1.341 860 56.85 3413

0.746 76 1 642.4 42.462 2544

物理計量單位 計算例： 1 部 20 馬力的空氣壓縮機 , 稼動率 30%, 問此壓縮機啟

動後每小時需耗能多少？ 0.746×20×0.3＝ 4.476kw-hr

Ans： 4.476kw-hr

物理計量單位 密度 / 速度單位換算

密度 速度單位 公克 / 公分

3

磅 / 英吋3

公里 / 小時

英哩 / 小時

代號 g/cm3 lb/in3 km/hr mile/hr

換算率 1 0.03613 1 0.621

27.678 1 1.609 1

物理計量單位 容積單位換算單位 公秉 公升 公撮 立方公

尺立方英

呎美加侖

代號 kl l ml m3 ft3 gal

換算率 1 1000 1000000 1 35.316 264.18

0.028 28.31 28316 0.0283 1 7.48

物理計量單位 計算例： 氣瓶水容積 40L ，充填壓力 150kg/cm2 的壓縮氣體，氣

體的量有多少的立方英呎 cu-ft(ft3) ？ 40X150=6000

35.316X6=211.896≒212 cu-ft

Ans: 212cu-ft

力學與材料概論 力學的主要分類

力學

固體力學

流體力學

剛體力學

非剛體力學

靜力學動力學運動學

材料力學

彈性力學

塑性力學理想流體力學

黏性流體力學

壓縮性流體力學

力學與材料概論

靜力學 討論平衡力系的問題。 運動學 討論物體或質點運動時的幾何性質 動力學 討論物體或質點上的不平衡力系、慣性及不平衡力系所產

生之運動的關係。

力學與材料概論

依力的作用方式 __ 依作用方式 外力 指物體所受之作用力來自物體的外界者，稱為外力。 內力 指物體受外力之作用，其內部相應產生之抵抗力，為內

力。 內力是伴隨者外力作用而產生，二者為作用力與反作力的

關係，且彼此大小相等，方向相反。

力學與材料概論

依物體的受力部位 接觸力 與物體有相接觸之作用力稱之為接觸力。 非接觸力 物體不需接觸而有力作用者稱之為超距力。

力學與材料概論

力的三要素 大小 方向 作用點

力學與材料概論

力的效應 外效應 外力作用於 剛體 上，使物體產生 運動狀態之改變 ，稱

之為 力的外效應 。 ( 應用力學 )

內效應 外力作用於 非剛體 上，使物體產生 形變 及其內部產 內

生應力 以 抵抗外力 的現象，稱之為 力的內效應 。 ( 材料力學 )

力學與材料概論

力的單位 絕對單位 CGS 制→達因 (dyne) ：使 質量１ g 的物體，產生 １ cm/sec2 之

加速度所需要之力。 MKS 制→牛頓 (newton) ：使 質量１ kg 的物體，產生 １ m/sec2

之加速度所需要之力。 重力單位 CGS 制→公克重 (gm) ： 質量１ g 的物體，在緯度 45° 的海平面上，

所受地心引力大小，稱為 １公克重 。 MKS 制→公斤重 (㎏ ) ： 質量１ kg 的物體，在緯度 45° 的海平面

上，所受地心引力大小，稱為 １公斤重 。

力學與材料概論 彈性係素

力學與材料概論

彈性係數 ( 或稱為楊氏係數 )

從張力試驗所得的應力 - 應變圖，如上圖所示，可知材料在比例限度內呈直線變化 --OP 線段，即在此範圍內，應力 (σ)與應變 (ε) 恆成正比例。此一關係稱為虎克定律 (Hooke's law)

安全係數 材料所受之應力必須遠在比例限度之下 , 此應力

稱之為工作應力 , 工作應力與比例限度之比值即為安全係數 .

力學與材料概論 各種材料之安全係數 ( 例 )

材料種類 靜負荷 覆變負菏 交變負荷 衝擊質脆金屬 4 6 10 15

軟鋼 3 5 8 12

木材 7 10 15 20

混凝土 5~20 ～ ～ ～

力學與材料概論

薄壁圓筒之應力 若圓筒之壁厚 (t) 與其半徑 (r) 相比為甚小時 ( ｔ＜ｒ／

10) ，則稱此圓筒為薄壁圓筒 (thin- Walled Cylinder) ，如水管、瓦斯筒、鍋爐管及鋼瓶等均屬之。由於筒內受均勻內壓力作用，故在筒生上產生兩方向之正交應力 其中，與軸向垂直之應力，稱為周向應力，即縱截之應力 (σ1) ；而沿圓筒軸向之應力，稱為縱向應力即橫截面之應力（ σ2 ）。薄壁圓筒的周向應力為縱面應力的兩倍，即其縱截面為此圓筒的危險截面。故無特別指明時，薄壁圓筒的應力 ( σt )當以周向應力計算之。即

力學與材料概論 熱應力 溫度變化時 ，絕大多數的材料均有熱脹冷縮的現象。當

溫度升高或降低時，其產生的伸長 量或收縮量 (δT) 為 δT=αLΔT

當材料兩端均受限制，當溫度升高或降低時皆無法變形，故其內部產生壓應力或張應力，此種應力均稱為熱應力 ( thermal stress) ，以 σr表示。

δr=-EεT

力學與材料概論 萬有引力（ Gravitation ） , 常亦稱為重力（ Gravity ）

指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢。 重力︰ 在地面或地面附近物體受到地球吸引的萬有引力和隨

地球自轉所需的向心力相減的合力。符號是 W,

W=mg m 表示物體的質量 ,g 表示物體所在點的重力加速度，一般計算採

用標準重力加速度，即 g=gn=9.80665m/sec2 。 重力的 SI 單位是牛頓 (N ） 。

力學與材料概論 力矩 力矩是一個旋轉力。等於作用在槓桿上的力乘以支點到

力的距離。 扭矩又稱為轉矩 .

使機械元件轉動的力矩或力偶稱為轉動力矩 , 簡稱轉矩 .

力矩是由一個不通過旋轉中心的力對物體形成的，而力偶是一對大小相等、方向相反的平行力對物體的作用。

扭矩的計量單位為公斤力 ·米等

力學與材料概論 鎖緊扭矩 ( 例 )

氣瓶材質 螺紋規格 鎖緊扭矩 ( 建議範圍 )

備註

鋁合金瓶 0.750-16 UNF 2B

8.4-10 Kg.M

鋁合金瓶 0.625-18 UNF 2B

8.4-10 Kg.M

碳合金瓶 3/4" NPT Male

34.7 Kg.M

碳合金瓶 1" NPT Male 48.6 Kg.M

力學與材料概論 摩擦力 兩個表面接觸的物體相互接觸時互相施加的一種物理力 F=μFN μ: 摩擦係數 固體表面之間的摩擦力 滑動、 滾動、 滾壓 (兼有滑動與滾動運動時 ) 、 轉動摩擦 最大靜摩擦

力學與材料概論

名詞說明 : 金屬、合金、非金屬 金屬材料的組織 _ 金屬及合金的狀態 _ 金屬的塑性加工和塑性變形 _

力學與材料概論

金屬材料的組織 金屬的晶粒 _ 金屬的結晶構造 _ 結晶的面和格子直線

力學與材料概論 金屬的晶粒 把金屬材料折斷時 , 在斷口處可以看到很多微細的粒子 ,

這種粒子就稱為金屬的晶粒。 金屬的結晶構造 依照晶粒排列的方式可將其分類為：體心立方格子、面心立方格子、 六方密格子。

力學與材料概論

金屬及合金的狀態 純金屬的熔解、凝固及平衡 相律 多元合金的平衡

力學與材料概論

金屬的塑性加工 塑性加工 _彎曲 ,拉長 , 鎚扁 ,打圓等 .

熱加工 /冷加工 鍛造 /軋延 /拉製 /板金壓製 /擠製

力學與材料概論

金屬的塑性變形 結晶格子內原子間的作用力 結晶的滑動產生變形 由雙晶所產生的變形 單結晶的強度 差排 _刃狀或螺旋

力學與材料概論

金屬材料的物理性質 比重 比熱 膨脹係數 導熱度 比電阻 磁性

力學與材料概論

金屬材料的機械性質 彈性限 比例限 彈性係數 降伏強度 材料疲勞 抗拉強度 伸長率

力學與材料概論

鋼鐵的製造 鼓風爐、平爐、轉爐、電爐

鋼的熱處理 退火 (annealing) 、淬火 (quenching) 、回火

(tempering)

力學與材料概論

退火 annealing 定義 把鋼料加熱到適當溫度 ,保持適當時間後使它慢慢冷卻 . 目的 (1)消除高溫加工時所產生的應力 (2) 降低硬度 (3) 改良機械切削性或常溫加工性 (4)調整結晶組織 (5)得到所希望的機械性質或物理性質 (6)消除化學成分的不均勻性等 .

種類 分完全退火及軟化退火 .

力學與材料概論

淬火 quenching 定義 把鋼加熱到適當溫度 ,保持適當的時間後 ,使它急冷 . 目的 這個作業可以讓鋼材在溫度與組織的變化過程中 ,阻止發生波來鐵變態 , 而得到高硬度的麻田散鐵組織 .

影響淬火效果的因素 主要取決於淬火液的 (1) 比熱 (2)導熱度 (3) 黏性 (4) 揮發性

( 淬火液從鋼材奪取熱量的速度越快 ,則淬火的效果越顯著 )

力學與材料概論 理想淬火 把鋼淬火時 ,採用一種理想的冷卻方法 ,讓鋼的

表面在淬火的瞬間冷卻到淬火液的溫度 , 能達到這種條件的淬火 , 就稱為理想淬火。以這種冷卻速度把某一直徑的鋼施行淬火時 ,如果中心部分的組織剛好變為麻田散鐵 50% 和肥粒散鐵50%, 這個直徑叫做淬火直徑 ( 或理想直徑 )

力學與材料概論

淬火硬化能 不同的鋼各有他特有的淬火硬化能力 , 這種能力叫做硬化能 (hardenability),通常以淬火時硬化的深度作為比較的準則 , 而與淬火時所得硬度之大小無關 .

影響的因素有 (1) 材料的化學組成 (2) 晶粒度 (3) 碳化物的量 , 性質

與分佈 (4) 鋼材的形狀與尺寸 (5) 表面狀態 (6)淬火液的冷卻能力

力學與材料概論

淬火 quenching 深冷處理 sub-zero cooling 淬火後的鋼冷到室溫時 ,如果尚殘留沃斯田鐵組織 ,則將溫度繼續降到 0℃ 以下 ,則變態會繼續進行 , 而使殘留的沃斯田鐵的量更減少 ,如此可得到更高的硬度 .

淬火溫度 鋼的成分決定其淬火溫度 , 過高的溫度會使沃斯田鐵晶

粒生長變粗 , 造成淬火後的機械性質不良 , 甚至裂痕 .

力學與材料概論

回火 tempering 定義 把淬火鋼加再熱到變態點 A1 以下的適當溫度 , 以改善其特性 目的 除去淬火鋼的內部應力 ,並調節硬度以取得適當的強韌性 回火 期間主要的變態 (1)由體心正方形 α 麻田散鐵析出碳原子 (2)殘留沃斯田鐵

的變態 (3)雪明碳鐵變態 (4)雪明碳鐵凝集

力學與材料概論

回火 tempering 回火脆性 低溫回火 / 高溫回火 恆溫回火 麻回火 麻淬火

力學與材料概論 高壓氣體容器常用之碳合金鋼之化學成分 (例 )

材質 CC SiSi MnMn PP SS CuCu NiNi CrCr MoMo VV OO

錳鋼 0.34~0.4

0.15~0.3

1.35~1.65

≦0.03

≦0.015

≦0.3 __ __ __ __ __

鉻鉬鋼 0.3~0.35

0.2~

0.35

0.4~

0.8

≦0.03

≦0.015

≦0.3

≦0.25

0.8~

1.1

0.15~0.25

__ __

特殊鉻鉬鋼

0.3~

0.35

0.15~

0.35

0.6~

0.85

≦0.02

≦0.01

≦0.15

≦0.15

0.9~1.1

0.35~

0.45

0.07~

0.15

≦0.0015

力學與材料概論高壓氣體容器常用之碳合金鋼 Cr-Mo 鋼 硬化能大 , 對於回火的軟化抵抗性高 ,回火脆性的傾向小 ,

回火到高溫時可得韌性、 強度、 硬度都高的強韌組織，所以氣瓶中大量採用此種材質 ,但因會與 CO 反應 , 造成 強度降低 , 所以不適於充填含 CO 的氣體。

Mn 鋼 硬化能大 ,但對於回火的軟化抵抗性較 Cr-Mo 鋼低 ,回火脆性的傾向較 Cr-Mo 鋼高 ,但Mn比Ni及 Cr便宜 ,同時不與 CO 反應 , 所以一部分的氣瓶會使用這種材質。

力學與材料概論

其他金屬銅及銅合金 鋁及鋁合金鎂及鎂合金鎳及鎳合金 其他

力學與材料概論

銅 具有良好的導電性及導熱性 純銅質軟 ,不適合做構造材料 空氣中有濕氣及 CO2時 , 會產生碱性碳酸銅 熔點 1083±0.1℃ 比電阻 1.6730μΩ-cm 比重 (20℃) 8.96

力學與材料概論

鋁 重量輕 , 比重 (20℃)僅 2.689 純鋁強度低 導熱度 ,導電度 ,耐蝕性良好 容易被稀薄的無機酸類腐蝕 ,但能抵抗大多數

的有機酸

力學與材料概論 鋁的陽極化處理 (alumite) 將鋁製品做為陽極 ,將該製品放入電解槽中 , 以 5~10﹪草酸水溶液 , 5~25﹪硫酸水溶液 ,或 5~10﹪鉻酸水溶液為電解液進行電解 , 在製品的表面形成一個緻密化的氧化膜 (Al2O3) .

力學與材料概論

鋁合金 分構造用 /鍛造用 鋁合金的時效硬化 高壓鋁瓶常用之鋁合金 5283/ 6082/ 7060HP

力學與材料概論 鋁合金之抗拉強度 ( 例 )

合金種類 5283 6082 7060HP

抗拉強度(MPa)

345 330 460

降伏強度(MPa)

285 290 390

伸長率(%)

12 14 16

力學與材料概論 碳系合金與鋁系合金氣瓶之比較

項目 \ 合金系類別

碳合金 鋁合金

容許應力與忍受覆變負荷的能力

較高 次之

表面硬度 高 普通內表面毛細孔及粗糙度

普通 較光滑

重量 較重 較輕購置成本 普通 相對較高

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Albert.yutw@msa.hinet.net游仁傑