高考申論題 110年 [材料工程] 物理冶金

第一題

📖 題組：
共析鋼(Fe-0.8C)由沃斯田鐵相變化為麻田散鐵(Martensite),其過程為一無擴散相變化,說明:

📝 此題為申論題，共 2 小題

小題 (一)

其相變化機制與存在於微結構內之缺陷。(10分)

看到「麻田散鐵」與「無擴散」，應直覺連結至「剪切應變」主導的軍式相變與 Bain 應變模型。作答時需拆分為「相變機制（FCC轉BCT的原子協同移動）」與「微觀缺陷（釋放應變能的晶格不變形變：差排與雙晶）」兩層次進行條列說明。

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【破題】共析鋼由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵，屬於無擴散的軍式相變（Military Transformation），其特徵為原子進行短距離的協同位移，並透過剪切變形完成晶格重整。【論述】

為何麻田散鐵是一種介穩定微結構?如何使其成為安定微結構?(10分)

解題應從「相變熱力學與動力學」的競爭關係切入。首先以微觀晶格畸變（過飽和碳導致BCT結構）與高應變能解釋其熱力學上的高能介穩定態；接著利用動力學上的擴散機制（回火提供活化能），說明碳原子如何析出並使系統回歸至穩定的肥粒鐵與雪明碳鐵相。

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【破題】麻田散鐵（Martensite）是在極大過冷度下經由「無擴散位移型相變」形成的產物，因受制於動力學條件（冷卻極快、無擴散時間），系統無法達到熱力學自由能最低的平衡狀態，故屬於高能的介穩定相（Metastable phase）。【論述】一、麻田散鐵為「介穩定微結構」之微觀機制與熱力學原因