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高考申論題 105年 [機械工程] 機械製造學(包括機械材料)

第 二 題

📖 題組:
四、請分別敘述下列各種磨耗之形成原因:(每小題5分,共20分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (二)

磨粒磨耗(abrasive wear)

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看到「磨粒磨耗」,首先聯想「硬物刮軟物」的微觀切削現象。答題時務必將成因分為「兩體磨耗(表面粗糙微凸體)」與「三體磨耗(外來硬質游離微粒)」論述,並強烈建議在考卷上繪製微觀犁溝作用(Plowing)的簡圖,這是拿滿分的關鍵。

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【破題】 「磨粒磨耗(Abrasive wear)」係指硬質顆粒或較硬表面的微凸體,在較軟材料表面上受壓並產生相對滑動,導致軟材料表面被刮除、推擠或剝落的物理現象。 【論述】

小題 (一)

黏附磨耗(adhesive wear)

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看到「黏附磨耗」,應直覺聯想「微凸體接觸」、「冷銲(Cold welding)」及「材料轉移」三個關鍵詞。作答時需依序點出微觀接觸面積小導致局部高壓、破壞氧化層產生金屬鍵結,最終因相對滑動而撕裂的完整物理機制,並提示繪圖可獲高分。

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【破題】黏附磨耗(Adhesive Wear)是指兩摩擦表面在相對滑動時,因局部高壓與摩擦熱產生微觀的「冷銲(Cold welding)」現象,隨後因剪應力撕裂而導致材料轉移或剝落的磨耗形式。 【論述】 一、形成原因與物理機制(作答時務必配合「微凸體接觸與撕裂」之簡圖說明):

小題 (三)

腐蝕磨耗(corrosive wear)

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看到「腐蝕磨耗」,應立即聯想到「化學反應」與「機械摩擦」的『協同作用 (Synergy)』。答題時務必寫出「環境介質腐蝕表面生成脆性化合物」→「受機械摩擦剝落」→「暴露出新表面再次被腐蝕」的這個惡性循環過程。

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「腐蝕磨耗 (Corrosive wear)」是指材料表面與周圍環境介質發生化學或電化學反應,並伴隨機械摩擦作用,導致材料表面物質不斷脫落流失的現象。常見如金屬在空氣中摩擦的「氧化磨耗」。 其形成原因與機制包含:

  1. 表面反應:金屬材料表面與環境中的氧氣、水分或潤滑油中的酸性變質物接觸,發生化學反應,生成一層質脆、附著力較差的腐蝕產物(如金屬氧化膜)。

小題 (四)

疲勞磨耗(fatigue wear)

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看到「疲勞磨耗」,應直覺聯想「反覆負荷(Cyclic loading)」與「赫茲接觸應力」。解題關鍵在於清晰描述從「次表面最大剪應力」導致「微裂紋萌生」,進而「裂紋擴展」到最終「表面剝落(Pitting/Spalling)」的動態過程,並強烈建議輔以斷面簡圖說明以獲取高分。

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「疲勞磨耗(Fatigue Wear)」係指兩個接觸表面在反覆的相對滾動或滑動下,因承受交變接觸應力(Cyclic contact stress),導致材料表面或次表面產生微裂紋,最終造成材料局部剝落的現象。 形成原因與發生機制可依序歸納如下:

  1. 應力集中與疲勞:兩機件(如齒輪或軸承)受反覆負荷接觸時,依赫茲接觸理論,其最大剪應力通常發生在距離表面極近的「次表面(Sub-surface)」處。

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