高考申論題
107年
[材料工程] 材料科學與工程
第 一 題
📖 題組：
請說明下列有關金屬材料與差排（dislocation）的性質與現象各項描述是否正確，無論是否有誤，均需敘明其原因。（每小題 5 分，共 25 分）
請說明下列有關金屬材料與差排（dislocation）的性質與現象各項描述是否正確，無論是否有誤，均需敘明其原因。（每小題 5 分，共 25 分）
📝 此題為申論題，共 5 小題
小題 (一)
螺旋差排（screw dislocation）與刃差排（edge dislocation）兩種差排，其柏格斯向量（Burgers vector）與差排線（dislocation line）皆是相互垂直的。
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想差排的幾何定義。判定差排種類的核心物理量為「柏格斯向量（Burgers vector）」與「差排線（dislocation line）」的空間幾何關係，回憶刃差排（額外半原子面）與螺旋差排（螺旋梯狀滑移）的微觀晶格畸變特徵即可精確破題。
小題 (二)
為提升金屬材料的強度，通常採用晶粒細化（grain refinement）、固溶強化（solid-solution strengthening）及應變強化（strain hardening）方式，這些強化方式皆與差排移動無關。
思路引導 VIP
看到此題，應立刻聯想到金屬塑性變形的本質即為『差排的滑移』。解題關鍵在於直接點出敘述的錯誤，並分別利用微觀力學與晶體缺陷的觀點（晶界阻礙、應力場交互作用、差排糾結），論證這三種強化機制的核心原理皆是『阻礙差排移動』。
小題 (三)
金屬材料在進行同一條件的加工與退火（annealing）時，純金屬會比合金來得容易得到晶粒細化的效果。
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想「再結晶晶粒尺寸」由「成核率（N）」與「成長率（G）」的相對大小決定。需分別從加工階段的「儲存應變能差異（差排密度）」與退火階段的「溶質拖曳效應（Solute drag）」來比較純金屬與合金的微觀機制，進而判斷何者更容易細化。
小題 (四)
純金屬的再結晶溫度（recrystallization temperature）會比添加合金元素後之合金的再結晶溫度來得高。
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想「再結晶的驅動力與阻力」。再結晶依賴晶界的遷移，思考添加合金元素（溶質原子）後，其在晶界與差排處的偏析會如何產生「溶質拖曳效應（Solute drag effect）」，從而推導出晶界移動變難、所需熱能增加，進而判斷溫度的升降。
小題 (五)
奈米材料的奈米晶粒在高溫下會晶粒成長（grain growth），主要是因為晶粒過小沒有差排之故。
思路引導 VIP
看到「晶粒成長（grain growth）」，應立即反射退火三階段中各自的驅動力。回復與再結晶的驅動力是「降低差排造成的應變能」，而晶粒成長的驅動力則是「減少總晶界面積以降低系統晶界能」。藉此明確區分差排與晶粒成長的因果關係。