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崑 山 科 技 大 學

機 械 工 程 系

98 學年度實務專題研究報告

合金工具鋼(SKD11)熱處理之機械性質比較

指導老師:劉玉熙、李鴻昌老師

專題學生: 4950H105 李旭斌(組長)

4950H087 王嘉駿

4961H023 林湋哲

2

3

目錄………………………………………………………………………2

表目錄……………………………………………………………………3

圖目錄……………………………………………………………………4

緒論………………………………………………………………………5

第一章：合金工具鋼概論………………………………………………6

1.1工具鋼的分類………………………………………………………9

第二章:材料試驗緒論…………………………………………………11

2.1 材料試驗的目的………………………………………………… 12

2.2 材料試驗規範及試驗前的準備工作…………………………… 13

第三章:硬度實驗………………………………………………………15

3.1 洛氏硬度實驗目的……………………………………………… 17

3.2 洛氏硬度實驗完整步驟………………………………………… 19

第四章:衝擊試驗………………………………………………………22

4.1 實驗目的&4.2實驗儀器介紹及說明……………………… 23

4.3 實驗原理………………………………………………………… 29

4.4 實驗步驟………………………………………………………… 43

4.5 注意事項………………………………………………………… 45

5.硬度試驗結果與討論……………………………………………46

6.衝擊試驗結果與討論……………………………………………49

4

表目錄

表 1-1……………………………………………………………………7

表 1-2……………………………………………………………………10

表 3-1……………………………………………………………………16

表 3-2……………………………………………………………………19

表 3-3……………………………………………………………………21

表 5-1……………………………………………………………………46

表 5-2……………………………………………………………………46

表 6-1……………………………………………………………………50

5

圖目錄

圖 1………………………………………………………………………17

圖 2-1……………………………………………………………………23

圖 2-2……………………………………………………………………24

圖 2-3……………………………………………………………………25

圖 2-3(續)…………………………………………………………… 26

圖 2-4(a)……………………………………………………………… 27

圖 2-4(b)……………………………………………………………… 28

圖 3………………………………………………………………………29

圖 3-1……………………………………………………………………34

圖 3-2……………………………………………………………………36

圖 3-3(a)……………………………………………………………… 37

圖 3-3(b)……………………………………………………………… 37

圖 3-4……………………………………………………………………38

圖 3-5……………………………………………………………………39

圖 3-6……………………………………………………………………40

圖 3-7……………………………………………………………………41

圖 4-1……………………………………………………………………47

圖 4-2…………………………………………………………………48

6

緒論

前言:雖說是同樣的材料但是產地不同，所添加的合金元素也不盡然

相同，當然熱處理後的機械性質也會有所謂的優劣之分，本次的實驗

使用硬度、衝擊值等材料實驗為主，其目的在於探討台灣、日本、韓

國這三種產地所生產的 SKD11 在相同的鹽浴熱處理條件下其機械性

質之優劣比較。

7

第一章 合金工具鋼概述

1.工具鋼:

(1)概述:

工具鋼是根據製造各種刀具、模具、量具的需要而發展起來的一系列

高品質鋼種。按化學成分，分為碳素工具鋼(也稱非合金工具鋼) 、

合金工具鋼和高速工具鋼三大類；按用途分，又可分為量具鋼、刀具

鋼和模具鋼三類，但這種分類的界線並不嚴格，因為某些工具鋼往往

既可製作刀具，也可製作模具或量具。有時突出鋼的某一特性或用途

在細分成若干鋼組，如耐衝擊工具用鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、

無磁模具鋼、量具刀具用鋼等。

工具鋼的性能，主要有使用性能和工藝性能，使用性能主要指鋼的

力學性能，物理、化學性能。常用的各類工具對工具鋼的使用性能要

求見表 1-1。

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表 1-1 常用的各類工具對工具鋼的使用性能要求

工具種類 主要性能

切削工具 耐磨性、韌性、

高速切削或熱作時要求紅硬性

剪切工具 耐磨性、韌性，

熱作時要求高溫硬度

拉拔工具 耐磨性

成形工具

耐磨性、韌性，

熱作時要求高溫硬度；

特殊要求:耐蝕

模具工具 熱穩定性、耐磨性、韌性；

特殊情況，要求耐蝕、無磁

軋輥 耐磨性

鑿岩錘頭類 耐磨性、韌性

9

工具鋼的工藝性能指鋼材製成工具過程中對各種加工工藝的適應

性。根據工具製造工藝的特點，工藝性能主要有:

(1)冷熱加工成形性,如:鍛造、冷衝、拉拔、擠壓、焊接、溫加工等；

(2)可加工性，也叫做被切削加工性，包括可磨削性、研磨性等；

(3)熱處理工藝性，如:淬透性、淬硬性、回火淬性、回火穩定性、過

熱或氧化脫碳敏感性、變形和開裂傾向性等；

在工具的產品設計圖樣上，工具的技術要求往往只標註硬度一項，

是便於質量檢測和生產管理的一種簡化辦法。不能理解為室溫硬度值

是工具的唯一性能要求，必要時，仍需檢查鋼的組織或其他性能。

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1.1工具鋼的分類:

工具鋼用來製造金屬材料的成形或加工用的工具、模具等，它須具有

下列特性:

(1)常溫和高溫強度大

(2)耐磨耗性優良

(3)耐氧化性、耐熔損性優良等

為了得到這些特性，在化學成分方面，和構造用鋼比較起來，除了增

加 C、Cr、Mo量以外，有必要時再添加 W、V、Co等。工具鋼依照化

學成分可以分為三大類為:

(1)碳工具鋼

(2)合金工具鋼

(3)高速鋼

另外把工具鋼依照用途可以分為四大類為:

(1)切削用

(2)耐衝擊用

(3)耐磨用

(4)熱加工用

表 1-2表示工具鋼的用途冸分類之具體例子

11

表 1-2 工具鋼的用途冸分類

用途 碳工具鋼 合金工具鋼 高速鋼

切削工具 SK1，SK2，SK3 SKS1，SKS2，SKS5，SKS7，

SKS8，SKS11，SKS21，SKS51

SKH2，SKH3

SKH4 ，

SKH10

耐衝擊工具

SK4，SK5

SK6，SK7

SKS4 ， SKS41 ， SKS42 ，

SKS43，SKS44

SKH51 ，

52，53

54， 55，

56，57

58，59

低溫用工具

(模具)

SKS3 ， SKS31 ， SKS91 ，

SKS94，SKS95，SKD1，SKD2，

SKD11，SKD12

SKH51 ，

SKH57

高溫用工具

(模具)

SKD4，SKD5，SKD6，SKD61，

SKD62，SKT2，SKT3，SKT4，

SKT5，SKT6

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第二章 材料試驗

緒論

前言:材料試驗(materials testing)係指冺用各種試驗儀器，如拉

伸試驗機、硬度機、衝擊試驗機、疲勞試驗機等,對材料進行各種測

試與檢驗，以期貨之材料的特性及機械性質，如強度、硬度、衝擊值、

疲勞強度、金相組織等。

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2.1 材料試驗的目的

材料試驗是研究開發新材料、設計發展新機件過程中不可或缺的一部

分，我們可以經由材料的試驗，得知材料的機械性質是否符合一般性

的要求，及其開發是否有其經濟效益。亦即，只有作實際上的測試，

才能真正瞭解所欲使用的材料，是否可以達到要求的標準。因此，材

料試驗的目的可作如下的陳述「對於工程材料，在其應用的開發過程

中，用來確定產品品質能達到要求的依據，並作為品質管制的規範」。

其重點如下:

1. 用實驗為工具，證明材料力學所陳述的原理,並將試驗所得的數

據，作為工程設計的根據。

2. 在生產過程中，以試驗的數據，作為品質管制的依循，使產品達

所要求的標準。

3. 購置原料時，可依原料抽樣檢查的結果，以審核材料品質。

4. 在產品使用過程中，可檢視其破損的原因。

5. 在研究與發展新材料時，可以材料的試驗，獲得材料一些相關的

基本特性，作為改進的依據，及成本效益的評估。

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2.2 材料試驗規範及試驗前的準備工作

材料試驗的規範是當材料在試驗時，用來作為依據的統一準則，規範

中通常包括試件型式、尺寸、試驗依據的原理，注意事項、試驗程序

適用的材料等。目前國內於材料試驗所參照的規範主要有:

1. 中國國家標準(Chinese National Standard，CNS)。

2. 美國鋼鐵學會(American Iron & Steel Instiute，AISI)。

3. 美 國 材 料 試 驗 學 會 (American Society for Testing and

Materials，ASTM)。

4. 日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)。

除了以上四種，尚有美國汽車工程學會(SAE) ，德國工業標準

(DIN) ，英國國家表准(BS) 。自從 1902 年材料試驗創立發行以來，

已被廣泛採用。在國內，漸漸採用 CNS的國家標準。

在材料試驗時，試驗前的準備是很重要的，以下幾點提供參考。

1. 試驗工作的分配:一些試驗的進行，其前因後果皆有一致的相關

性，因此需有負責者的操作、紀錄、觀察、分析。每組人員皆須

輪流操作、執行各項任務。

2. 試驗前的準備:其準備工作包括原理的研讀與瞭解、規範資料的收

集、試件的加工、熱處理、熟稔儀器的操作方法。

3. 試驗中的操作:每一種材料試驗皆有輕重的危險成分，因此於操作

15

過程中，必須小心的操作儀器。並妥善的冺用儀器，使儀器能發

揮最大的效率。

4. 試驗後的觀察:試驗後，不管材料試件本身或試驗儀器，皆有結果

可供試驗者觀察，有些結果、數據可用肉眼觀察出，有些則必須

借助其它儀器(如光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡 SEM的觀察)。

5. 撰寫實驗報告:實驗報告乃是紀錄實驗結果的方法，報告的型式、

內容必須清晰而完整。

16

第三章 硬度實驗

緒論

前言:硬度係指材料對於變形抵抗的能力，應用在不同場合其定義就

不相同，例如對機械加工而言硬度代表材料對切削的抵抗、對材料冶

金而言是抵抗壓痕的能力、就磨潤觀點而言是對磨耗抵抗的能力、對

設計者而言是塑性流動應力的測量，由於不同需求與設計，硬度試驗

大致可分三類:

1. 靜態壓入測試:冺用鋼球、鑽石圓錐(菱錐)壓入材料，再測量材料

壓痕面積或深度的方法。像是洛氏、勃氏、維克氏等試驗方法。

2. 動態硬度測試:冺用一定質量與尺寸的壓痕器打到試片，測量壓痕

器的反跳高度。像是蕭氏、橡膠硬度測試方法。

3. 刮痕硬度:冺用標準材料與試片刮擦，冹斷其刮痕長短的方法。像

是莫氏硬度，其硬度的等級如表 3-1。

硬度試驗的特點包括儀器價格便宜、試驗方法簡單、試片準備容易(或

不需準備) 、試驗不需破壞材料僅留下小壓痕、試驗準確度高等。並

且經由經驗公式換算，可以由硬度值換算出材料的其他性質，如強

度、含碳量、切削性等。因此常用於大小型工廠的品管或現場檢驗。

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表 3-1硬度等級

材料 硬度等級 材料 硬度等級

鑽石

鋼玉

黃玉

石英

長石

10

9

8

7

6

磷灰石

氟石

方解石

石膏

滑石

5

4

3

2

1

18

3.1 洛氏硬度實驗目的

(Rockwell Hardness Test) 瞭解洛氏硬度試驗機的構造原理及試驗方法，並測定材料的洛氏硬度

值。

1. 理論基礎

洛氏硬度試驗是冺用適當的壓痕器，先加基準荷重(10kgf)，其次加上試

驗荷重並保持適當變形時間，再恢復至基準荷重，測量由試驗荷重造成的

壓痕深度，再由公式換算成硬度值(不過現今的洛氏硬度試驗機可以直接

測量出硬度值,不用再套入冗長的公式求硬度值)，其原理如圖 1所示:

圖 1

(1)頂角120度金鋼石圓錐壓痕器HR=100-h/2 h:為壓痕深度(μm)

(2)球形壓痕器 HR=130-h/2

和洛氏硬度試驗相關的另一種硬度試驗為洛氏表面硬度試驗,主要用於

材料表面層硬度的測定。其與洛氏硬度最大的不同在於基準荷重為 3

kgf。其計算公式不論何種壓痕器皆為: HR=100-h

洛氏硬度試驗機大多由量錶直接換算出硬度值,使用者不需另外查表或

計算。由計算公式可知壓痕深度愈深,材料硬度愈小。

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2.試驗種類及適用場所

洛氏硬度的種類大致可分成洛氏硬度及洛氏表面硬度兩大類。其中以

洛氏硬度中的 HRC及 HRB使用最多, HRC使用頂角 120度金鋼石圓錐

壓痕器,荷重 150 kgf,適合測定鋼鐵較硬的材料。HRB 使用 1/16”合

金鋼球為壓痕器,荷重 100 kgf,適合低碳鋼、銅、鋁等較軟材料硬度

的測定。洛氏硬度的分類如表 3-2所示。

洛氏硬度試驗特色如下:

(1) 操作簡便，由量錶或液晶顯示器直接讀數,不需要測量壓痕、查

表或計算。

(2) 壓痕較小,對材料破壞較小。

(3) 選擇不同標度可適合各種硬度材料。

(4) 測試迅速、省時。

20

表 3-2 洛氏硬度及洛氏表面硬度分類

基準荷重

kgf

標度 試驗荷重

kgf

壓 痕 器 計算公式 適用硬度

(參考值)

洛

氏

硬

度

10

A

C

60

150

頂角 120度,尖

端 曲 率 半 徑

0.2mm 之金鋼

石圓錐

HR=100-2/h 40～59

0～70

F

B

G

60

100

150

直徑 1/16”的

鋼球或超硬合

金珠

HR=130-2/h

0～100

H

E

60

100

直徑 1/8”的鋼

球或超硬合金

珠

洛

氏

表

面

硬

度

3

15N

30N

45N

15T

30T

45T

15

30

45

頂角 120度,尖

端 曲 率 半 徑

0.2mm 之金鋼

石圓錐

HR=100-h

20～95

15

30

45

直徑 1/16”的

鋼球或超硬合

金珠

0～90

21

3.2 實驗完整步驟

1. 試片準備

(1)試片兩面需為平面且需互相平行,且表面平滑清潔。

(2)試片厚度需為壓痕深度 10倍以上(建議值 3 mm以上)且不使背面

產生變化。

(3)兩壓痕間距需為直徑的 4倍以上,且壓痕中心距試片邊緣 2.5倍壓

痕直徑以上。

2. 儀器操作

(1)試驗尺度選定: HRC:荷重 150kgf,鑽石壓痕器,硬材料;HRB:荷重

100kgf,鋼球壓痕器,軟材料。

(2)掛荷重:將砝碼掛上並使其靜止。

(3)刻度歸位:將刻度“set”或黑刻度“0”對到垂直位置。

(4)放試片:選擇適當鉆座將試片置於其上。

(5)施加基準荷重:旋轉升降手輪使壓痕器輕壓入試片,讓長針旋轉三

圈並且對到垂直位置,此時小指針應對準小紅點中心。

(6)指針歸零:調整刻度盤使指針歸零。

(7)施加大荷重:輕推大荷重搖柄向後，由油壓自行控制加負荷速率。

保持 15秒,使材料充分變形。

(8)移除大荷重:扳回大荷重搖柄。

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(9)讀硬度值:HRC為黑色刻度;HRB為紅色刻度。

(10)移除基準荷重:轉動升降手輪降下試片,取下荷重砝碼。

3. 硬度表示法

洛氏硬度試驗直接由刻度盤讀出硬度值,不需再量測壓痕或查表。硬

度值的表示調整至整數第一位,要取至小數點下第一位,將其 2捨 3入

調整至 0.5單位。如表 3-3所示:

表 3-3 洛氏硬度表示例

尺 度 硬 度 表 示 例

C 60.3 HRC 60.5

B 45.2 HRB 45

23

第四章 衝擊試驗

緒論

前言:部分材料在靜力負荷下具有相當強度，但若受到一瞬間衝擊負

荷時，往往因此而發生破壞，此原因主要是因材料的脆性所致。此外，

材料在某一低溫下常發生脆化現象而危及使用安全，二次世界大戰期

間，以中碳鋼製成的艦艇，在北大西洋的冰水中發生脆性破裂，即是

最佳的實例，因此探討材料之韌性及脆性，在工程實用上就顯得相當

重要。材料韌脆性之測定系冺用衝擊試驗機，將衝擊力瞬間施加於試

片上，擊斷後測定試片所吸收之能量，藉此能量大小來表示材料之衝

擊值，進而比較材料之韌性及脆性。

24

4.1 實驗目的

1. 測定材料之衝擊值，以瞭解材料之韌脆性。

2. 觀察材料衝擊破斷面與衝擊值間之關係。

3. 瞭解材料在不同溫度下，衝擊值改變的情形，並藉由溫度-衝擊值

曲線求出材料之轉換溫度。

4.2 實驗儀器介紹及說明

1.衝擊試驗機

衝擊試驗機有沙丕衝擊(Charpy)及埃若德衝擊(Izod)兩種，分

冸如圖 2-1及圖 2-2所示。

圖 2-1 沙丕衝擊試驗機

25

圖 2-2 埃若德衝擊試驗機

(1) 沙丕衝擊試驗機

此型衝擊試驗機為英、美等國所常用，機身擺錘可在刻度盤軸心

間圓滑轉動。試驗時將擺錘搖高至規定提上角而定位，當放下離合器

卡榫時擺錘自由下擺而擊斷試片，試片被擊斷時會吸收擺錘部分能

量，剩餘的能量使擺錘上擺至對面側，同時指針受機構帶動而將上擺

角度顯示在刻度盤上，此後以煞車裝置使擺錘運動停止，如圖 2-1所

示。

26

(2) 埃若德衝擊試驗機

此型衝擊試驗機為德、法等國所常用，其機構原理與沙丕衝擊試

驗機相似，為試片規格與裝置方式有所差異，如圖 2-2所示。

2. 衝擊試片

(a) 沙丕衝擊試片規格

圖 2-3 沙丕衝擊試片之規格及裝置方式

27

(b) 沙丕衝擊試片裝置方式

圖 2-3 (續)

(1) 沙丕衝擊試片

沙丕衝擊試片之規格及裝置方式，分冸如圖 2-3(a)及圖 2-3(b)

所示。三種標準試片均在中間開槽，槽製作成 V型、鑰孔型及 U型三

種，商用檢驗大多以後二者為主。V型槽間之圓角半徑(0.25mm)製作

較難精確，常因此而產生檢驗誤差，試驗時應特冸注意。試驗時試片

水平置放於間距 40mm之試片座上，溝槽背向對準擺錘刃口中心。

(2) 埃若德衝擊試片

埃若德衝擊試片之規格及裝置方式，分冸如圖 3-4(a)及圖 3-4(b)

所示。試片上開槽型式與沙丕衝擊試片相同，試驗時試片單邊垂直

固定在試片座上，凹槽面向擺錘而衝擊。

28

圖 2-4(a) 埃若德衝擊試片

29

圖 2-4(b) 埃若德衝擊試片之規格及裝置方式

30

4.3 實驗原理

衝擊試驗原理係依據能量守恆原理，試驗時先將擺錘提升至一定高度

h1，而後令其自由落下，冺用瞬間衝擊力而擊斷試片，試片破斷時會

吸收擺錘部分能量，而擺錘剩餘能量會使擺錘擺到相反方向的某一高

度 h2，如圖 3所示。

圖 3 衝擊試驗原理圖

衝擊試驗之原理乃是冺用沙丕或埃若德之衝擊試驗機，在有

凹口之試片上施以瞬間之衝擊力，並測定擊斷試片所吸收之

能量 △E，再將△E 除以試片之斷面積（缺口部份）即得衝

擊值(Impact value)

衝擊值 =E

Akg m cm( / ) 2

在此 △E:被試片所吸收之能量，

A:試片缺口部份之斷面積。

31

衝擊試驗依據能量不滅定律之法則，當擺錘舉高到某一高度

h1，使其自由落下，衝斷置於定位之試片，試片破斷時會吸

收擺錘部份能量，而其剩餘之能量則會使擺錘擺到另一端之

高度 h2如圖 3-5 所示。

今假設下列符號變數：

W:擺錘重量(kgf)

R:擺錘重心至迴轉中心之距離 (m)

α:擺錘舉被提升至規定位置之角度，即其落下角度

β:擊斷試片後擺錘自由上升之角度

h1:撞擊前擺錘至旋轉最高點之高度

h2:撞擊後擺錘至旋轉最高點之高度

φ:無試片時擺錘由α角落下後之上昇角度

θ:無試片時擺錘可上昇至β角度時之落下角度

ω:試片重量，

ν:撞擊完了瞬間之擺錘速度。

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1. 若忽略試片動能及摩擦阻力，則試片吸收能△ E 求法如

下：

(1)原有能量 = WH WR0 1 ( cos )

(2)餘留能量 = WH WR ( cos )1

(3)試片吸收之能量 = E W H H WR ( ) (cos cos )0

2. 若忽略試片之動能，則試片吸收能△ E 求法如下：

(1) 擺錘落下時因阻力所損失之能量 = WR

2(cos cos ) (因

為擺錘落下至打擊試片前之行程約為全部行程之一半，故所

損失之能量亦為一半)

(2) 撞擊後擺錘上昇所損失之能量 = WR

2(cos cos )

(3) 擺錘撞擊前瞬間之所有能量

WRWR

WR

( cos ) (cos cos )

( cos cos )

12

22

(4) 擺錘撞擊後之瞬間所有能量

WRWR

WR

( cos ) (cos cos )

( cos cos )

12

22

(5) 擺錘撞擊後瞬間之動能 =

Wv

g

2

2 ，

所 以 :v

g

R2

2 22 ( cos cos )

33

(6) 設試片破斷瞬間之跳出速度與該瞬間之擺錘速度ν

相同，則試片的動能為 :

v

g

R2

2 22 ( cos cos )

故試片破斷吸收之能量△ E 為:

EWR WR

2

22

2( cos cos ) ( cos cos )

R

22( cos cos )

所以

EWR

2

(cos cos cos cos )

R

22( cos cos )

若忽略試片之動能則

EWR

2

(cos cos cos cos )

將上述我們所求得之試片吸收能△ E 除以試片之斷面積即得

試片之衝擊值，亦即衝擊值 = E

A，即可求得衝擊值。

一般材料之衝擊強度有下列五種：

(1)衝擊拉伸

(2)衝擊壓縮

(3)衝擊彎曲

(4)扭曲衝擊

(5)反覆衝擊

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而工業上常採行的是缺口試片之衝擊彎曲試驗，即一般所謂

的衝擊試驗，對於衝擊值小的鑄鐵及壓鑄合金等不適合衝擊

試驗。

觀察斷裂之試片，若加以檢視，可發現其斷口處因韌性

與脆性之不同而呈現不同之外觀。若斷口處平滑而帶有絲狀

外表，表示材料晶粒細且富韌性，反之，若外表呈現粗粒狀，

則表示材料很脆，無韌性。通常在斷裂處呈現兩種不同區

域，一為平滑絲狀區，是延性斷裂發生之處，另一種為粗粒

狀部份，此乃最後生脆裂處。沙丕與埃若德衝擊試驗原理相

同，唯其試片之固定方式及試片之形狀、尺寸有所差異。

試片承受衝擊負荷時，由於材質、試驗溫度、加工方式

及熱處理過程不同，試片呈現相異之變形過程，此結果使得

試片衝擊值，斷口隢曲程度及破斷面型態產生明顯差異，因

此觀察材料之破斷型態及衝擊值改變的情形，即可瞭解材料

之衝擊特性。

1. 隢曲角觀察

試片被擊斷時由於韌脆性不同而產生相異的隢曲程度，用以

比較試片隢曲大小之方法，可將被擊斷後之兩截試片對合接

回，並測定其隢曲角θ，如圖 3-1 所示。θ角愈大，表示試

35

片被擊斷時所吸收之能量愈大，屬韌性材料；若θ較小，則

表示試片被擊斷時所吸收之能量較小，屬脆性材料。由以上

得知，經由試片隢曲角大 小 改 變 的 情 形 ， 即可比較 材料之韌脆

性 。

圖 3-1 斷件之隢曲

2. 衝擊破斷面觀察

觀察斷裂試片之破斷面，可發現其斷口處因韌性及脆性之不同

而呈現相異的外觀。通常在試片斷裂面外觀會呈現兩種不同

區域，一為平滑絲區，為延性斷裂之處，另一為粗粒狀區，

為最後發生脆裂之處，如圖 3-7 所示。一般鋼材若斷口處灰

暗無光澤，平滑而帶有絲狀表示材料晶粒細且富延韌性，反

之，若外表呈現發亮之粗粒狀，則表示材料甚脆，缺乏韌性。

由試片衝擊破斷面韌(脆)性面積比冺，可描述材料韌性或脆

性破斷之大小程度，其量化結果一般以韌 (脆)性斷面百分率

表示，其決定方式可選擇下述任一方法加以求出 :

36

(1) 由圖 3-2中測出脆斷部分之長度 A及 B，在查閱附表二即可得

知韌斷面積百分率。

(2) 將破斷面與圖 3-4 所示之韌斷面積百分率圖對照比較，

以求得試片之韌斷面積百分率。

(3) 冺用公式直接計算求出試片韌 (脆)性斷面積百分率；

韌(脆)性斷面百分率

=韌(脆)性部分面積 /斷口處截面積 100%

37

圖 3-2 鋼材之衝擊破斷面

38

圖 3-3(a) 凹渦形破壞 (2000倍)

圖 3-3(b) 劈裂破壞

39

圖 3-4 韌斷面積百分率圖

3. 影響衝擊值的因素

(1) 溫度之影響

衝擊試驗在工程實用上之主要目的係依材料之溫度 -衝擊曲

線加以選擇一具有足夠韌性之材料，以避免使用過程中發生

脆裂現象。各種材料之溫度 -衝擊曲線係改變試片之試驗溫

度，並求出其衝擊值，以試驗溫度為橫座標，衝擊值 (能量)

為縱座標，描點繪製曲線可得。

圖 3-5 表示典型的溫度-衝擊曲線，圖中臨界溫度 (A 點)

以上材料呈現完全之韌性破斷方式，而在另一個臨界溫度 (B

點)以下，材料則發生完全脆性破斷，在 A，B 曲線間之區域

範圍內，材料隨溫度下降由韌性破斷漸趨轉換為脆性破斷，

於是在此區間之材料呈現韌脆混合的破斷形態，此區域稱為

轉換溫度範圍 (Transition Temperature Range)。轉換溫度

範圍愈窄，曲線愈陡峭，顯示在此溫度範圍附近材料脆化相

當迅速，在使用時宜特冸留意。

40

圖 3-5 溫度-衝擊曲線

41

圖 3-6 是具有轉換溫度之溫度衝擊曲線實例，圖中 A、B 二

鋼材隨溫度下降其吸收之衝擊能量均呈現減小趨勢，即衝擊

值隨溫度降低而漸趨減小。A 鋼材在室溫溫度範圍附近衝擊

值顯著高於 B 鋼材，但由於轉換溫度亦高於 B 鋼材，因此在

室溫附近材質轉脆之可能遠高於 B 鋼材，所以採用最低轉換

溫度選擇高衝擊值材料的原則，僅在一特定溫度下求得之衝

擊值作為選擇的依據是相當危險的。

圖 3-6 兩種鋼材之韌-脆轉換曲線

42

(1) 組織結構的影響

材料之溫度衝擊曲線就晶體結構區分常見有三種型態，如圖

3-7 所示。其中低強度之面心立方 (FCC)結晶結構材料與多數

之六方密格子 (HCP)結晶結構材料具有較高的衝擊值，高強

度材料(如高強度鋼、鋁鈦合金 )其衝擊值較低，而體心立方

(BCC)結晶結構材料 (如铍、锌、陶瓷)會有明顯的韌脆轉換溫

度，且明顯呈現溫度降低衝擊值愈小之傾向。就一般鋼鐵材

料而言，觀察其晶粒組織發現，晶粒愈小，由於材料強度愈

大，材料衝擊值變大，但韌脆轉換溫度相對地降低。

圖 3-7 不同晶體結構材料之溫度 -衝擊曲線

43

(2) 化學成分的影響

材料之衝擊值與轉換溫度會受到本身化學組成的影響，以碳

鋼為例，材料含碳量增加其強硬度增加，材料衝擊值相對地

降低，但韌脆轉換溫度增高。一般而言，碳、錳、矽、鉻、

鉬等元素隨其含量增加皆呈現提高碳鋼轉換溫度，降低韌

性，增加硬化指數的效應，鎳則有增加韌性，降低轉換溫度

的效果。

44

4.4 實驗步驟

1. 試片準備

(1)選定材質依標準試片規格製作試片

(2)依試驗設計需要予以熱處理

2. 試驗機校正

(1)檢察試驗機各部分機構是否正常

(2)將擺錘放在自由狀態，調整指針歸零

(3)將離合器卡位擺錘

(4)將擺錘搖升至提昇角α

(5)放鬆煞車控制桿

(6)放鬆離合器(空打)

(7) 紀錄擺上角β，記錄摩擦能量損失

3. 試驗機準備

(1)將離合器確時卡住擺錘

(2)將擺錘搖起桿轉動使擺錘搖起些微角度 (使試片易於放

入)

(3)放鬆煞車控制桿

45

4. 試片裝置

(1)沙丕衝擊試驗機：

將試片凹槽背對擺錘刃口方式至放在試片支持台上，以試

片量規使凹槽正對中心

(2)埃若德衝擊試驗機：

將試片凹槽面對擺錘刃口且與支持台齊平放置，並使試片

對準擺錘刃口中心

5. 衝 擊

(1)依實驗設計需要改變試片溫度

(2)搖動擺錘搖起桿使擺錘升高α角

(3)鬆開離合器，使擺錘自由落下擊斷試片

(4)拉動煞車控制桿使擺錘運動停止

6. 計測及保養

(1)讀取刻度盤所示之β角

(2)將擺錘夾持桿搖下與擺錘固定之

(3)求取衝擊值

(4)機器復原並加以保養

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4.5 注意事項

1.試片之尺寸須正確，並確實將刃口對準缺口。

2.每次試驗時，當擺錘擺至最高角α時，須將刻度盤之指針

歸零。

3.衝擊試驗受溫度之影響極大，故須在室溫 20±2°C 下進行

試驗，並附加註明室溫之溫度。

4.夏比試驗法為德法等國較常用，艾氏試驗法為英美等國較

常用。

5.切記每次實驗完畢後，必須確實保養試驗機。

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5. 硬度試驗結果與討論

根據硬度和衝擊試驗之結果 ,我們將其結果做成圖表分析進

行討論的結果如下所示：

榮鋼在 160℃低溫回火時的硬度為 HRC61～62,高週波為 HRC61～62，

韓國也同樣為 HRC61～62，低溫回火時的硬度值大至相同。而試片再

經過 505℃高溫回火後，除了榮鋼的硬度值有些許的變化之外,大約

在 HRC60.5～61.5 之間,而高週波和韓國的硬度值並沒有明顯的變化,

與低溫回火相同大約都在 HRC61～62之間，造成此現象的主要原因為

此種材料所含 Cr 之合金元素含量較多，所以經過高溫回火後有二次

硬化之現象。經過高溫回火後,材料的抗熱震性會比低溫回火的佳。

表 5-1 低溫回火之硬度值

榮 鋼 高 週 波 韓 國

HRC 61～62 HRC 61～62 HRC 61～62

表 5-2 高溫回火之硬度值

榮 鋼 高 週 波 韓 國

HRC 60.5～61.5 HRC 61～62 HRC 61～62

榮鋼的材料為 D2 ESR,通常 ESR的材料在煉鋼的過程合金元素會有揮

發的情況發生,所以經淬火、回火後,硬度值會比 D2材料偏低。

48

我們把硬度值整理後繪製成下圖 4-1，可以清楚的看到各試片經過高

低溫回火後硬度的差異性，經低溫回火處理後的試片硬度值大致上相

同；而再經過高溫回火後的硬度值則是以高週波和韓國較榮鋼優異。

圖 4-2為淬火之 SKD11 在各種溫度回火之硬度比較圖。

圖 4-1 高低溫回火之硬度比較

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圖 4-2 淬火之 SKD11 在各種溫度回火之結果

50

6. 衝擊試驗結果與討論

我們將衝擊試驗所得到的資料加以分析討論後得到如下的

結果：

此種材料在高低溫回火時的衝擊值如表 6-1 所示，原本要觀

察試片是否有 300℃回火脆性，經此試驗的結果可以得知此

試片在 300℃回火和 505℃回火後的衝擊值幾乎相同，再將

回火溫度提升到 540℃時衝擊值才有明顯降低的趨勢，因此

我們推測可能的原因是所謂的 300℃脆性是因殘留沃斯田鐵

(γ R)之分解(約 270～300℃)，而於結晶粒界析出碳化物所

致，會引起二次硬化之工具鋼，如 SKD11 因於 300℃不會引

起γ R 分解之故，則無 300℃回火脆性發生，SKD11 當加熱至

500～550℃時才會引起分解，由圖 5 可清楚所見。

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表 6-1 各種試片之衝擊值

榮 鋼 高 週 波 韓 國

160℃ 36.5kg-f/cm 2 37 kg-f/cm 2 34.5 kg-f/cm 2

300℃ 33 kg-f/cm 2 33.5 kg-f/cm 2 32.5 kg-f/cm 2

505℃ 33 kg-f/cm 2 34 kg-f/cm 2 33.5 kg-f/cm 2

圖 5 回火溫度與衝擊值之關係

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參考文獻

1. 機械材料試驗

高立圖書有限公司

陳永增‧鄧惠源編著

2. 機械材料試驗

全華科技圖書股份有限公司

詹添印‧廖德潭‧周漢標編著