國立台北科技大學機械系
機械工程實驗(一)報告
實驗項次：
四
實驗名稱：
衝擊實驗
實驗日期：
2022/3/23
組
別：
二
組
員： 109300126
張家銘
109300134
謝岳蒝
109300135
楊沐晨
109300136
蔡沛宏
指導老師：
繳交日期：
成
蘇程裕
2022/04/29
績：__________________________
1
目 錄
摘要..................................................................................................................... 3
壹. 實驗目的 ...................................................................................................... 4
貳. 實驗原理 ...................................................................................................... 4
參. 實驗方法 ...................................................................................................... 6
肆. 實驗儀器 ...................................................................................................... 7
伍. 實驗步驟...................................................................................................... 9
六. 結果與討論 ................................................................................................ 10
柒. 結論 ............................................................................................................ 12
捌. 參考文獻.................................................................................................... 13
玖. 心得............................................................................................................ 13
2
摘
要
基於這次實驗的結果，我們可以瞭解到材料在一般、退火、回火、高溫對材料
在衝擊負荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映材料內部的細微缺陷
和抗衝擊性能。衝擊實驗是利用衝擊試驗機對試片進行衝擊，之後根據高度差
算出應該產生的能量。與試驗機上所求得的數據，來算出試片所吸收的能量，
再利用算出的吸收能量除以試片的破壞面積求取衝擊值。利用衝擊值，可以了
解衝擊值對材料的韌性以及對材料的溫度之間的關係。
3
壹 實驗目的
1.1 測定料的韌性。對刻有凹溝的試片施以衝擊力，將其打斷後，由試片的破壞時
所吸收能量的大小來表示材料的韌性。
1.2 觀察實驗料之不同組織造成的物理影響。
1.3 理解實驗料有無隨溫度下降而轉脆的現象。
1.4 研究破斷面狀況與衝擊值間的關係。
1.5 研究試驗材料的熱處理方式。對材料本身的機械性質(韌性、脆性)有甚麼影響。
貳 實驗原理
2.1 具凹口的工件會因應力集中，在負荷下， 凹口根部會出現最高應力，具易出現
三軸應力狀態，而使該處材料不易降伏；若令應變速度急遽提升，可以材料強度提高。
因此，衝擊試驗已具凹口的試件，並以高速能量衝擊試件，可使材料易於破斷，而能藉
以測定材料對凹口或切槽的敏感度，並據以來判斷材料的韌性。
2.2 衝擊試驗機的原理是使用能量守恆原理。先將重量擺錘提升到一高度 h1，假設不
考慮摩擦等等的損失，僅考慮破壞試片的能量，最後剩下的動能會使擺錘上升到一高度
h2。所吸收的能量 E 為 Wh1-Wh2 。
Wh1 = 擺錘的原有能量 = WR ( 1 – cosα)
Wh2 = 擺錘的餘留能量 = WR ( 1 – sinβ)
試片吸收的能量 = E = Wh1-Wh2 ( J )
W=擺錘的重量(kgf)
R=擺錘的重心到迴轉中心距離
α=擺錘被提高到規定位置的角度(∘)
β=打斷試片後擺錘自由上升的角度(∘)
(圖 1) 衝擊試驗機原理
(表一) 符號代表
2.3 衝擊實驗是藉由衝擊試驗機，對具有凹口的試件上施以瞬間衝擊力，測定斷裂試
件所吸收的能量 E，再將此能量除以試件的斷面積 A(凹口部分)，即得衝擊值。此衝擊
4
值主要是試件破斷前後的塑性變形功，因此可定義為材料的韌性。同時，與材料塑性變
形相關的降伏強度、延性、破裂機制等，都會影響衝擊值，所以衝擊值可以描述材料對
凹口的敏感度。
衝擊值= ΔE/A ( 單位：kg-m/cm2 )
2.4 溫度對於材料有著不可忽視的影響，平時具有一定的韌性，韌脆轉變溫度
（ductile-to-brittle transition temperature），主要針對隨著溫度的變化，鋼鐵的內部晶體
結構發生改變，從而材料的韌性和脆性發生相應的變化。
2.4-1 在韌性脆斷轉變溫度(FTP)區域以上(圖 2)中之 T1 溫度以上，金屬材料處於韌性
狀態，斷裂形式主要為韌性斷裂。
2.4-2 在韌性脆斷轉變溫度(FTP)區域以下(圖 2)中之 T1 溫度以下，材料處於脆性狀
態，斷裂形式主要為脆性斷裂。脆性轉變溫度越低，理解材料的抵抗冷脆性能越高。
2.4-3 在 50%脆斷轉變溫度(FTTP)那個點上(圖 2)中之 T2 溫度斷裂面，有著 50%韌性
破斷面和 50%脆性破斷面的溫度。
2.4-4 在 100%脆斷轉變溫度(NDT)，T3 溫度以下(圖 2)其破斷面可視為完全脆性破
斷，可忽略韌性破斷面。
T3
T2
T1
(圖 2) 韌性-脆性轉變溫度
2.5 材料破斷面視試驗溫度與材料內部性質可區分為三種不同的區域，為纖維區、
輻射區及剪唇區。當試片在衝擊試驗中被破壞時，其斷面部分有一部分為韌性斷裂，
5
有一部分為脆性斷裂。
2.5-1 脆性斷裂面是指許多晶粒裂開斷裂或脆性斷裂而看起來閃亮的斷裂面。
脆性斷口面積佔試片斷裂面積總面積的百分比。
脆斷面積百分率 = （脆斷面積／破斷面總面積 ）ｘ100%
2.5-2 韌性斷裂面是由延展性斷裂面是指纖維狀斷裂破壞，不發光的斷裂面。
韌性斷裂面積佔試片斷裂面積總面積的百分比。
韌斷面積百分率 = ( 韌斷面積／破斷面總面積 ) x100%
(圖 3) 脆性-韌性斷面積百分率
參 實驗方法
3.1 使用事先經過不同熱處理的試驗料，實驗後就可知材料內部結構對韌性的影
響，對性質未知的材料可使用火花試驗進行對比確認材料之成分。
3.2 將與先前試驗相同材料之一般試片加熱至 100°C(敲擊當下)放入沙胚衝擊試驗
機，重複實驗即可得溫度提升對材料韌性的影響，並測試實驗料有無隨溫度下降而轉
脆的現象。
3.3 測定韌性:將不同的試驗料放入沙胚衝擊試驗機實驗後即可依機器指標得知材料
之韌性，其結果亦可使用位能公式求得。
3.4 進一步將實驗後之試驗料棒回收，斷面朝上並置於方格紙上拍攝後標記斷面不
同型態部分，辨別後並以方格所佔比例推估其韌斷面積、脆斷面積及全面積，後依公
式計算取得其韌、脆斷面積百分比。
3.5 將試棒水平橫放於方格紙上並將兩斷面接合放置後，記錄其斷裂處兩端之水平
夾角角度，相互比較後可得到不同試驗料之延展性比較，並與先前實驗所得之韌性做
對比即可知道不同材料之韌性。
6
肆 實驗儀器
4.1 容量 30kgf－m 沙胚衝擊試驗機（Charpy Impact Testing Machine）(圖 4)
試片座寬 40±0.2 ㎜，錘重 26.15kgf，擺錘迴轉中心軸至擺錘重心距離 0.635m， 擺錘
舉高到預定位置之角度，即落下角度 144∘，迴轉中心至衝擊中心之距離 0.750m。可
量測吸收能量(J)、擺錘角度(∘)
4.2 游標卡尺及量角器:
游標卡尺: Mitutoyo 三豐游標卡尺(0.02mm):最小測量單位/準確度:0.02mm；測量範
圍:0~150mm；測量單位:公制；材質:Hardened stainless steel。
4.3 電磁加熱設備一套(圖 6): 規格 攪拌能力 10L、加熱功率 1000W、盤面尺寸
180x180mm、溫度範圍 RT...500℃ PID 溫度控制、溫度設定 LCD 數字顯示、轉速範圍
100...1500rpm、轉速設定刻度盤 1...6 段、盤面材質陶瓷玻璃。
4.4 電熱偶一組(圖 7):Ｊ型範圍 : -150~1,000°C (-238~1,832°F)；精準度 : ±(0.1% +
0.7°C)；解析度 : 0.1 (顯示值小於 1,000 時)；熱電偶類型 : J-Type。
4.5 保溫設備(石綿)。
(圖 4)游標卡尺
7
刻度盤
手輪
離合器把手
煞車控制桿
衝擊錘
載物台
(圖 5)衝擊試驗機
8
A 指針
B 指針
(圖 6) 衝擊試驗機之刻度盤
開關
溫度旋鈕
(圖 7) 電磁加熱裝置
(圖 8) 電熱偶溫度測量器
伍 實驗步驟
5.1 在開始操作機台前，先將試片區別出一般試片 x2、淬火試片及退火試片。
5.2 觀察試片外部有無明顯的缺裂，使用游標卡尺對試片進行量測其尺寸是否合乎
試驗規格。
5.3 選擇其中一個一般試片，將它設為加溫模板的試片；在選定的加溫試片後，使
9
用電熱偶(圖 8)的感測器使用絕熱膠帶將其貼黏住。在正式加熱前，應將使用尖嘴鉗多
次訓練，將試片從加熱裝置正確且迅速擺往衝擊試驗機上。
5.4 將加熱裝置(圖 7)中的溫度旋鈕調整至高於試驗溫度 20℃~30℃，此動作是確保
試片離開加熱裝置到斷裂的瞬間溫度都保持在實驗溫度以上，可以避免實驗上的誤
差。
5.5 調整好加熱裝置之溫度後，將保溫設備蓋至加溫試片上。
5.6 加溫試片加熱的同時，將衝擊試驗機先檢查一次，並且了解驗試機的操作步
驟。
5.7 利用(圖 5)中的手輪，將衝擊錘上升至試當的角度 (試片易放入為原則)。
5.8 將待測試片擺上(圖 5)中的載物台上，要確定試片的凹口與衝擊錘為異向(圖 9)。
(圖 9)試片凹口之擺放位置
5.9 利用手輪將衝擊錘持續上升至α角度，將(圖 6)中的 B 指針轉至 A 指針前。
5.10 確定試驗機前後沒有人，才可以放開(圖 5)離合器把手，將擺錘落下。
5.11 衝擊完畢後，應使用(圖 5)中的煞車控制桿使擺錘慢慢靜止，不可立即的將擺
錘停止。在擺錘還在擺動的時候，不要使用離合器把手將拖鉤鉤住擺錘，以免損壞離
合器裝置。
5.12
5.13
5.14
5.15
讀取刻度盤上 B 指針的數值與角度。
將其帶回公式計算求取衝擊值。
重複步驟 7~13 將剩餘的試片依序做實驗。
將斷裂或未斷裂的試片拼裝起來，描繪出破壞角度；將試片放置於方格紙上計
算並觀察斷裂面的脆斷與韌斷面積比。
陸 結果與討論
6.1 實驗成果照
10
(圖 9) 一般試片斷面
(圖 10) 一般試片破壞角度
(圖 11) 失敗淬火試片斷面
(圖 12) 失敗淬火試片破壞角度
(圖 13) 淬火試片斷面
(圖 14) 淬火破壞角度
(圖 15) 退火試片斷面
(圖 16) 退火試片破壞角度
(圖 17) 加溫試片斷面
(圖 18) 加溫試片破壞角度
11
(圖 19) 乾冰試片斷面
(圖 20) 乾冰試片破壞角度
上敘的陸-1(圖 9、11、13、15、17)中的紅色區域為脆性面積，藍色為韌性面積。
6.2 實驗數據(表 2)
試片編碼
1
2
3
4
5
6
材料種類
一般試片
失敗淬火試
淬火試片
退火試
加溫試
乾冰試
片
片
片
片
擺錘質量
30kg
含碳量
0.2%~0.25%
硬度(HV)
364.3
659.8
202.1
試片吸收能量
130 J
145 J
155.5 J
147 J
125 J
8J
脆斷面積百分
23.18 %
45.65 %
42.85 %
15.88 %
52.17 %
100%
76.82 %
54.35 %
57.15 %
84.12 %
47.83 %
0%
破斷面積(cm2)
1.375
1.38
1.575
1.495
0.9775
0.855
衝擊值
94.54
105.072
98.73
98.327
127.87
9.356
率
韌斷面積百分
率
6.3 為什麼淬火失敗的試片韌性會比退火試片的韌性還大?
中碳鋼退火的韌性會大於淬火，一般狀況的試片會大於加熱的試片。所測出來的實驗
數據與理論值有些出入，包含檢查實驗步驟、排除可能的人為因素等等等…. 後來經火
花後發現學校提供給我們的的是低碳鋼，且已經維克氏硬度計測試後其硬度也與一般
碳鋼相差不多。由此可知他並不是原本預期的中碳鋼，從這就能看出含碳量不同的碳
鋼淬火後造成的結果也會不同。
6.4 為何實際實驗做出來的衝擊值與預想中的衝擊值不同?
在觀察斷面時，我們發現加溫試片之斷面狀態較為平整，其型態類似脆斷材料但有更
大的尾端變形；根據理論，韌性越強脆斷面越小，而加熱後試片韌性最強所以應具最
小脆斷面，竟與實驗結果相反，在經過討論我們判定後，可能是因為試片在衝擊後大
部分的材料並未斷裂，在進行人工分離時受到額外衝擊影響，導致破壞角度有誤，但
也有可能實驗無誤，且結果反映正確，只是因實驗結果呈現出較大的纖維區使我們誤
以為它是脆斷面。
6.5 破斷面積量測時影響的因素導致實驗誤差?
經過討論我們判定，其結果可能是因為試棒在衝擊後大部分並未斷裂，在人工分離時
12
受到額外衝擊影響。但也有可能實驗無誤，而解果反映正確，是因纖維區擴大使我們
誤以為它是脆斷面，實際的脆斷面可能因原脆斷面後移而與人工分離的痕跡結合，以
致無法分辨。
柒 結論
7.1 藉由這次的衝擊試驗後我們了解到不同的熱處理方式也會影響到材料的韌性，
如：退火>一般狀況>淬火。
7.2 材料的機械性質也會隨著材料的溫度不同而有所改變，如：高溫>常溫，再來就
是觀察斷裂面的高溫>常溫，再來就是觀察斷裂面的韌斷面百分比和脆斷面百分比，韌
性較高的材料的破壞角度都會比較大，如：退火>一般狀況>淬火。
7.3 最後一點就是我們發現如果淬火的鋼材碳含量不足時極極有可能造成淬火失敗，
進而導致硬度無法提升甚至造成韌性不降反升。
捌 參考文獻
[1] Ccallister and Rethwisch, 9th ed., SI version, Wiley Pub.
Materials Science and
Engineering 2015
[2] 張合 蘇程裕，材料實驗課程教材 2005
玖 心得
109300126 張家銘:
在這次實驗的過程中，因為有一個試片，所測量出來的數據與理論值不同。我們在這
方面小組進行了多次討論及查詢資料；最有可能就是那個試片的淬火不完全導致這樣
的事情發生。
109300134 謝岳蒝:
這是我第一次實際操作衝擊試驗機，因此在實驗的過程中甚是小心，就怕一個不注意
錯過學習機具使用的機會；實驗中也因為最初熱處理失敗的例子深刻的體會到熱處理
能對材料組織、物理性質的影響，並讓人好奇業界實際試驗的應用。
109300135 楊沐晨:
這次的實驗以前只在教科書上看過，沒想到實驗中的細節比想像中的還多。雖然知道
經過不同的熱處理還有溫度不同等等的會影響機械性質，但是沒想到差別會是如此的
顯著。讓人不禁對前人的研究精神感到佩服。
109300136 蔡沛宏:
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這次的實驗以前只在教科書上看過，沒想到實驗中的細節比想像中的還多。雖然知道
經過不同的熱處理還有溫度不同等等的會影響機械性質，但是沒想到差別會是如此的
顯著。讓人不禁對前人的研究精神感到佩服。
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