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高考申論題 107年 [材料工程] 材料科學與工程

第 一 題

📖 題組:
請說明下列有關鋼鐵材料的各項描述是否正確,無論是否有誤,均需敘明其原因。(每小題 5 分,共 30 分)
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

低碳鋼比中碳鋼較容易以熱處理方式進行改質強化。

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看到此題,應先聯想鋼鐵熱處理強化的核心機制——「麻田散體相變」及其與含碳量的關係。接著從微觀角度切入,比較低碳鋼與中碳鋼中,間隙碳原子在BCT晶格中造成的晶格扭曲程度,以及該扭曲應力場對差排(Dislocation)滑移運動的阻礙效果,進而判斷兩者熱處理強化效益的差異。

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【破題】描述錯誤。鋼鐵的熱處理強化效果(淬火硬度與可熱處理性)主要取決於含碳量,中碳鋼比低碳鋼更容易且更適合透過熱處理進行改質強化。 【論述】 一、熱處理強化的微觀機制

小題 (二)

低合金鋼(low-alloy steel)通常添加多種合金元素,如:銅、鎳、鉬等,但是其合金元素的總量不會超過 5 wt.%;且其強度不會因為熱處理而增加。

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面對鋼鐵材料的敘述題,應先將句子拆解為多個命題逐一檢視。本題前半段探討「低合金鋼的定義與成分限制」,後半段探討「熱處理對其強度的影響」。判斷時需立刻聯想合金元素(鎳、鉬等)對 TTT 曲線的作用、淬透性(Hardenability)的概念,以及麻田散鐵相變的強化機制(晶格畸變阻礙差排運動)。

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【解答】 描述錯誤。 【解析】

小題 (三)

不銹鋼之所以不易生銹是因為含有大量的鎳元素,且具有磁性。

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看到這題,首先應將敘述拆解為兩個檢驗點:「不銹鋼防鏽的主因是鎳?」以及「不銹鋼皆具磁性?」。接著運用物理冶金與晶體結構知識:防鏽的微觀機制是鉻(Cr)在表面形成緻密的氧化物鈍化膜;而磁性與否取決於室溫下的晶體結構,添加鎳會穩定面心立方(FCC)相而呈現非磁性。

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【解答】 描述錯誤。 【原因說明】

小題 (四)

鋼鐵材料的正常化(normalizing)是在加工前所做的熱處理,且是在臨界溫度(critical temperatures, A3 or Acm)以下的溫度進行,其目的是消除材料的內應力。

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解題第一步是核對正常化(Normalizing)的定義要素:溫度區間與主要目的。思考材料相圖與微觀機制,區分「正常化(加熱至 A3/Acm 以上促使相變態以細化晶粒)」與「去應力退火(在 A1 以下提供熱能促使差排重組以消除應變能)」的本質差異,即可精確點出敘述的錯誤之處並給予理論支持。

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【解答】 描述錯誤。 【解析】

小題 (五)

鋼鐵材料在含水的潮濕環境中,這環境不論是一般的水或是非常純淨的水,皆會產生一次性的氧化反應而生成 Fe2O3,也就是鐵生銹的來源。

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看到這題,應立即聯想「金屬腐蝕的電化學機制」四大要素:陽極、陰極、電解質與導電通路。接著針對題目中的「純水」與「一次性反應」兩個陷阱進行反駁,利用微觀的電化學反應方程式(陽極溶解、陰極氧還原)來證明生鏽是多步驟的連鎖反應,並非一次性生成。

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【破題】 描述錯誤。 【論述】

小題 (六)

陰極防護(cathodic protection)中,試舉例說明兩種常用在鋼鐵材料防範腐蝕的方式與其實施原理。

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看到陰極防護,應立刻聯想到電化學腐蝕電池的原理,核心目標是藉由提供電子使鋼鐵的電位下降至免蝕區(immunity region)。接著列舉工業上最常見的兩種作法:犧牲陽極法(利用電極電位差)與外加電流法(利用外部電源),並運用熱力學與電子流動機制來解釋原理。

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【破題】 陰極防護的核心概念是藉由提供額外的電子給受保護的鋼鐵,使其發生陰極極化(Cathodic polarization),強制將材料電位拉低至材料熱力學蒲拜圖(Pourbaix diagram)中的「免蝕區(Immunity region)」,從而抑制鐵原子的陽極溶解反應(Fe → Fe²⁺ + 2e⁻)。 【論述】

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