高考申論題 107年 [材料工程] 材料科學與工程

第一題

📖 題組：
以下列的[A]、[B]、[C]三種拉伸應力－應變曲線（stress-strain curves）為例，回答下列問題：（每小題 5 分，共 15 分）

📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

若有金屬、高分子、陶瓷三種材料，這三種應力－應變曲線應會分屬那一種材料，請說明原因。

本題測驗巨觀拉伸性質與微觀材料結構的關聯。解題時應先從應力-應變曲線的『彈性模數（斜率）』、『降伏強度』與『斷裂應變（延展性）』三個幾何特徵切入，接著以三大材料（金屬、陶瓷、高分子）的化學鍵結特性與差排運動（或分子鏈運動）機制來論證其對應關係。

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【破題】根據應力－應變曲線的彈性模數、降伏行為與斷裂應變特徵，可判定曲線 [A] 為陶瓷、曲線 [B] 為金屬、曲線 [C] 為高分子材料。【論述】

以[B]應力－應變曲線為例，請說明為何材料降伏（yielding）後，應力仍會持續上升再下降的原因。

看到降伏後應力上升，應立刻聯想到「應變硬化（加工硬化）」，必須從微觀的「差排密度增加及交互作用阻礙滑移」來解釋。而應力達到最高點後下降，則需切入「工程應力」的定義，說明巨觀上的「頸縮（Necking）」導致局部截面積急遽縮小，使得所需外加荷重下降。

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【破題】曲線[B]在降伏後應力先持續上升再下降，分別是受微觀的「應變硬化（Strain Hardening）」與巨觀的「頸縮（Necking）」現象所主導。【論述】

在這三種應力－應變曲線所對應的材料中，那一種材料可以採用熱處理方式達到晶粒細化（grain refinement）的目的？請說明其原因與進行的方式。

先判別三條曲線的材料特性（A為脆性材料、B為具加工硬化之韌性金屬、C為高分子彈性體或極軟材料）。接著聯想金屬「晶粒細化」的兩大機制：冷加工後的再結晶退火，或是具同素異形變態的相變態熱處理（如鋼的正常化）。B材料因具備充足塑性變形與加工硬化能力，能提供再結晶驅動力，最符合操作條件。

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【破題】應選擇 [B] 材料。從應力－應變曲線判斷，曲線 [B] 具有明顯的降伏行為、寬廣的塑性變形區及加工硬化現象，為典型的「韌性金屬材料」，最適合藉由熱處理達到晶粒細化的目的。【論述】