98 年度鋼瓶安全檢驗站基礎教育訓練 物理計量單位、力學及材料概論
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98 年度鋼瓶安全檢驗站基礎教育訓練 物理計量單位、力學及材料概論. 中華民國工業氣體協會. 物理計量單位. 長度 / 面積 / 體積的單位 質 ( 重 ) 量 壓力 溫度 熱量、比熱 密度及其他. 物理計量單位. 計量單位前的常用的倍率分率代號. 物理計量單位. 單位符號之縮寫. 資料來源 : 度量衡國家標準實驗室. 物理計量單位. 單位符號之縮寫. 物理計量單位. 質量單位換算. Ps: 英制的磅 , 有 pound (p) 重量單位 / libra (lb) 指重量的多少數量. 物理計量單位. 壓力單位換算 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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98 年度鋼瓶安全檢驗站基礎教育訓練物理計量單位、力學及材料概論
中華民國工業氣體協會
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物理計量單位 長度長度 // 面積面積 // 體積的單位體積的單位 質質 (( 重重 )) 量量 壓力壓力 溫度溫度 熱量、比熱熱量、比熱 密度及其他密度及其他
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物理計量單位
計量單位前的常用的倍率分率代號
倍數和分數名稱
兆 百萬 千 分 厘 毫 微
代號 T M k d c m μ
說明 1012 106 103 10-1 10-2 10-3 10-6
資料來源 : 度量衡國家標準實驗室
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物理計量單位
MKS 制 長度 容量 質量名稱 米 ( 公尺 ) 公升 千公克 ( 公
斤 )
英譯 meter liter kilogram
代號 m l kg
資料來源 : 度量衡國家標準實驗室
單位符號之縮寫
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物理計量單位 單位符號之縮寫
時 間 面 積 體 積 英 制 ( 長度與重力 )
名稱 時 分 秒 平方米 立方米 英吋 英呎 磅
英譯 hour minute second Sq.
meter
cu.
meter
inch feet pound
代號 hr min sec m2 m3 in ft p
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物理計量單位 質量單位換算
單位 公噸 公斤 公克 磅 盎斯
代號 t kg g p ounce
換算率 0.001 1 1000 2.2 35.274
0.000454 0.454 453593 1 16
Ps: 英制的磅 , 有 pound (p) 重量單位 / libra (lb) 指重量的多少數量
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物理計量單位 壓力單位換算 常用的單位有 kg/cm2,Mpa,psi….
單位 百萬帕斯卡
巴 公斤 /平方公
分
磅 / 平方英吋
公分水柱
厘米汞柱
大氣壓
代號 MPa bar Kg/cm2 psi cmH2O mmHg atm
換算率
0.098 0.98 1 14.22 1000 735.6 0.967
0.101 1.013 1.033 14.696 1033.2 760 1
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物理計量單位 計算例: 潛水伕潛入 100 米深得海底工作,請問潛水伕是在多少
大氣壓力之下的工作環境中工作? 100÷10(mH2O)=10
10x0.967=9.67 (atm)
Ans: 9.67 atm
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物理計量單位 計算例: 1 支 DOT 3AA2265 的鋼瓶應該用多少 kg/cm2 的壓力
做耐壓測試? 2265 ÷14.22 = 159.3
159.3× 5/3 = 265.5 (kg/cm2)
Ans : 265.5 kg/cm2
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物理計量單位
溫度換算 絕對溫度 (K) = 攝氏溫度 (℃)+273 攝氏溫度 (℃) = 【華氏溫度 (℉) -32 】× 9/5
華氏溫度 (℉) = 攝氏溫度 (℉) ×9/5+32
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物理計量單位 熱能單位換算 註 :BTU:British Thermal Unit 英制熱量計量單位
單位 焦耳 千卡 千瓦小時
BTU
代號 j kcal Kw-hr BTU
換算率 4187.6 1 0.00116
3.969
1055075 251.95 0.293 1000
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物理計量單位 計算例: 40L 的鋼瓶水壓後用熱水加熱沖洗 3 分鐘,水流量
20L/min ,約需耗掉多少能源? 1 ×(90 - 23) ×20 ×3 = 4020 kcal
4020 ×0.00116=4.66(kw-hr)
Ans:4.66 kw-hr
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物理計量單位 功率換算
單位 千瓦 公斤米 /秒
馬力 千卡/ 小時
BTU
/ 分鐘BTU/小時
代號 kW Kgm/s HP Kcal/hr BTU/min BTU/hr
換算率 1 101.97 1.341 860 56.85 3413
0.746 76 1 642.4 42.462 2544
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物理計量單位 計算例: 1 部 20 馬力的空氣壓縮機 , 稼動率 30%, 問此壓縮機啟
動後每小時需耗能多少? 0.746×20×0.3= 4.476kw-hr
Ans: 4.476kw-hr
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物理計量單位 密度 / 速度單位換算
密度 速度單位 公克 / 公分
3
磅 / 英吋3
公里 / 小時
英哩 / 小時
代號 g/cm3 lb/in3 km/hr mile/hr
換算率 1 0.03613 1 0.621
27.678 1 1.609 1
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物理計量單位 容積單位換算單位 公秉 公升 公撮 立方公
尺立方英
呎美加侖
代號 kl l ml m3 ft3 gal
換算率 1 1000 1000000 1 35.316 264.18
0.028 28.31 28316 0.0283 1 7.48
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物理計量單位 計算例: 氣瓶水容積 40L ,充填壓力 150kg/cm2 的壓縮氣體,氣
體的量有多少的立方英呎 cu-ft(ft3) ? 40X150=6000
35.316X6=211.896≒212 cu-ft
Ans: 212cu-ft
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力學與材料概論 力學的主要分類
力學
固體力學
流體力學
剛體力學
非剛體力學
靜力學動力學運動學
材料力學
彈性力學
塑性力學理想流體力學
黏性流體力學
壓縮性流體力學
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力學與材料概論
靜力學 討論平衡力系的問題。 運動學 討論物體或質點運動時的幾何性質 動力學 討論物體或質點上的不平衡力系、慣性及不平衡力系所產
生之運動的關係。
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力學與材料概論
依力的作用方式 __ 依作用方式 外力 指物體所受之作用力來自物體的外界者,稱為外力。 內力 指物體受外力之作用,其內部相應產生之抵抗力,為內
力。 內力是伴隨者外力作用而產生,二者為作用力與反作力的
關係,且彼此大小相等,方向相反。
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力學與材料概論
依物體的受力部位 接觸力 與物體有相接觸之作用力稱之為接觸力。 非接觸力 物體不需接觸而有力作用者稱之為超距力。
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力學與材料概論
力的三要素 大小 方向 作用點
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力學與材料概論
力的效應 外效應 外力作用於 剛體 上,使物體產生 運動狀態之改變 ,稱
之為 力的外效應 。 ( 應用力學 )
內效應 外力作用於 非剛體 上,使物體產生 形變 及其內部產 內
生應力 以 抵抗外力 的現象,稱之為 力的內效應 。 ( 材料力學 )
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力學與材料概論
力的單位 絕對單位 CGS 制→達因 (dyne) :使 質量1 g 的物體,產生 1 cm/sec2 之
加速度所需要之力。 MKS 制→牛頓 (newton) :使 質量1 kg 的物體,產生 1 m/sec2
之加速度所需要之力。 重力單位 CGS 制→公克重 (gm) : 質量1 g 的物體,在緯度 45° 的海平面上,
所受地心引力大小,稱為 1公克重 。 MKS 制→公斤重 (㎏ ) : 質量1 kg 的物體,在緯度 45° 的海平面
上,所受地心引力大小,稱為 1公斤重 。
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力學與材料概論 彈性係素
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力學與材料概論
彈性係數 ( 或稱為楊氏係數 )
從張力試驗所得的應力 - 應變圖,如上圖所示,可知材料在比例限度內呈直線變化 --OP 線段,即在此範圍內,應力 (σ)與應變 (ε) 恆成正比例。此一關係稱為虎克定律 (Hooke's law)
安全係數 材料所受之應力必須遠在比例限度之下 , 此應力
稱之為工作應力 , 工作應力與比例限度之比值即為安全係數 .
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力學與材料概論 各種材料之安全係數 ( 例 )
材料種類 靜負荷 覆變負菏 交變負荷 衝擊質脆金屬 4 6 10 15
軟鋼 3 5 8 12
木材 7 10 15 20
混凝土 5~20 ~ ~ ~
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力學與材料概論
薄壁圓筒之應力 若圓筒之壁厚 (t) 與其半徑 (r) 相比為甚小時 ( t<r/
10) ,則稱此圓筒為薄壁圓筒 (thin- Walled Cylinder) ,如水管、瓦斯筒、鍋爐管及鋼瓶等均屬之。由於筒內受均勻內壓力作用,故在筒生上產生兩方向之正交應力 其中,與軸向垂直之應力,稱為周向應力,即縱截之應力 (σ1) ;而沿圓筒軸向之應力,稱為縱向應力即橫截面之應力( σ2 )。薄壁圓筒的周向應力為縱面應力的兩倍,即其縱截面為此圓筒的危險截面。故無特別指明時,薄壁圓筒的應力 ( σt )當以周向應力計算之。即
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力學與材料概論 熱應力 溫度變化時 ,絕大多數的材料均有熱脹冷縮的現象。當
溫度升高或降低時,其產生的伸長 量或收縮量 (δT) 為 δT=αLΔT
當材料兩端均受限制,當溫度升高或降低時皆無法變形,故其內部產生壓應力或張應力,此種應力均稱為熱應力 ( thermal stress) ,以 σr表示。
δr=-EεT
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力學與材料概論 萬有引力( Gravitation ) , 常亦稱為重力( Gravity )
指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢。 重力︰ 在地面或地面附近物體受到地球吸引的萬有引力和隨
地球自轉所需的向心力相減的合力。符號是 W,
W=mg m 表示物體的質量 ,g 表示物體所在點的重力加速度,一般計算採
用標準重力加速度,即 g=gn=9.80665m/sec2 。 重力的 SI 單位是牛頓 (N ) 。
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力學與材料概論 力矩 力矩是一個旋轉力。等於作用在槓桿上的力乘以支點到
力的距離。 扭矩又稱為轉矩 .
使機械元件轉動的力矩或力偶稱為轉動力矩 , 簡稱轉矩 .
力矩是由一個不通過旋轉中心的力對物體形成的,而力偶是一對大小相等、方向相反的平行力對物體的作用。
扭矩的計量單位為公斤力 ·米等
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力學與材料概論 鎖緊扭矩 ( 例 )
氣瓶材質 螺紋規格 鎖緊扭矩 ( 建議範圍 )
備註
鋁合金瓶 0.750-16 UNF 2B
8.4-10 Kg.M
鋁合金瓶 0.625-18 UNF 2B
8.4-10 Kg.M
碳合金瓶 3/4" NPT Male
34.7 Kg.M
碳合金瓶 1" NPT Male 48.6 Kg.M
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力學與材料概論 摩擦力 兩個表面接觸的物體相互接觸時互相施加的一種物理力 F=μFN μ: 摩擦係數 固體表面之間的摩擦力 滑動、 滾動、 滾壓 (兼有滑動與滾動運動時 ) 、 轉動摩擦 最大靜摩擦
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力學與材料概論
名詞說明 : 金屬、合金、非金屬 金屬材料的組織 _ 金屬及合金的狀態 _ 金屬的塑性加工和塑性變形 _
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力學與材料概論
金屬材料的組織 金屬的晶粒 _ 金屬的結晶構造 _ 結晶的面和格子直線
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力學與材料概論 金屬的晶粒 把金屬材料折斷時 , 在斷口處可以看到很多微細的粒子 ,
這種粒子就稱為金屬的晶粒。 金屬的結晶構造 依照晶粒排列的方式可將其分類為:體心立方格子、面心立方格子、 六方密格子。
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力學與材料概論
金屬及合金的狀態 純金屬的熔解、凝固及平衡 相律 多元合金的平衡
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力學與材料概論
金屬的塑性加工 塑性加工 _彎曲 ,拉長 , 鎚扁 ,打圓等 .
熱加工 /冷加工 鍛造 /軋延 /拉製 /板金壓製 /擠製
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力學與材料概論
金屬的塑性變形 結晶格子內原子間的作用力 結晶的滑動產生變形 由雙晶所產生的變形 單結晶的強度 差排 _刃狀或螺旋
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力學與材料概論
金屬材料的物理性質 比重 比熱 膨脹係數 導熱度 比電阻 磁性
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力學與材料概論
金屬材料的機械性質 彈性限 比例限 彈性係數 降伏強度 材料疲勞 抗拉強度 伸長率
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力學與材料概論
鋼鐵的製造 鼓風爐、平爐、轉爐、電爐
鋼的熱處理 退火 (annealing) 、淬火 (quenching) 、回火
(tempering)
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力學與材料概論
退火 annealing 定義 把鋼料加熱到適當溫度 ,保持適當時間後使它慢慢冷卻 . 目的 (1)消除高溫加工時所產生的應力 (2) 降低硬度 (3) 改良機械切削性或常溫加工性 (4)調整結晶組織 (5)得到所希望的機械性質或物理性質 (6)消除化學成分的不均勻性等 .
種類 分完全退火及軟化退火 .
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力學與材料概論
淬火 quenching 定義 把鋼加熱到適當溫度 ,保持適當的時間後 ,使它急冷 . 目的 這個作業可以讓鋼材在溫度與組織的變化過程中 ,阻止發生波來鐵變態 , 而得到高硬度的麻田散鐵組織 .
影響淬火效果的因素 主要取決於淬火液的 (1) 比熱 (2)導熱度 (3) 黏性 (4) 揮發性
( 淬火液從鋼材奪取熱量的速度越快 ,則淬火的效果越顯著 )
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力學與材料概論 理想淬火 把鋼淬火時 ,採用一種理想的冷卻方法 ,讓鋼的
表面在淬火的瞬間冷卻到淬火液的溫度 , 能達到這種條件的淬火 , 就稱為理想淬火。以這種冷卻速度把某一直徑的鋼施行淬火時 ,如果中心部分的組織剛好變為麻田散鐵 50% 和肥粒散鐵50%, 這個直徑叫做淬火直徑 ( 或理想直徑 )
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力學與材料概論
淬火硬化能 不同的鋼各有他特有的淬火硬化能力 , 這種能力叫做硬化能 (hardenability),通常以淬火時硬化的深度作為比較的準則 , 而與淬火時所得硬度之大小無關 .
影響的因素有 (1) 材料的化學組成 (2) 晶粒度 (3) 碳化物的量 , 性質
與分佈 (4) 鋼材的形狀與尺寸 (5) 表面狀態 (6)淬火液的冷卻能力
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力學與材料概論
淬火 quenching 深冷處理 sub-zero cooling 淬火後的鋼冷到室溫時 ,如果尚殘留沃斯田鐵組織 ,則將溫度繼續降到 0℃ 以下 ,則變態會繼續進行 , 而使殘留的沃斯田鐵的量更減少 ,如此可得到更高的硬度 .
淬火溫度 鋼的成分決定其淬火溫度 , 過高的溫度會使沃斯田鐵晶
粒生長變粗 , 造成淬火後的機械性質不良 , 甚至裂痕 .
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力學與材料概論
回火 tempering 定義 把淬火鋼加再熱到變態點 A1 以下的適當溫度 , 以改善其特性 目的 除去淬火鋼的內部應力 ,並調節硬度以取得適當的強韌性 回火 期間主要的變態 (1)由體心正方形 α 麻田散鐵析出碳原子 (2)殘留沃斯田鐵
的變態 (3)雪明碳鐵變態 (4)雪明碳鐵凝集
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力學與材料概論
回火 tempering 回火脆性 低溫回火 / 高溫回火 恆溫回火 麻回火 麻淬火
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力學與材料概論 高壓氣體容器常用之碳合金鋼之化學成分 (例 )
材質 CC SiSi MnMn PP SS CuCu NiNi CrCr MoMo VV OO
錳鋼 0.34~0.4
0.15~0.3
1.35~1.65
≦0.03
≦0.015
≦0.3 __ __ __ __ __
鉻鉬鋼 0.3~0.35
0.2~
0.35
0.4~
0.8
≦0.03
≦0.015
≦0.3
≦0.25
0.8~
1.1
0.15~0.25
__ __
特殊鉻鉬鋼
0.3~
0.35
0.15~
0.35
0.6~
0.85
≦0.02
≦0.01
≦0.15
≦0.15
0.9~1.1
0.35~
0.45
0.07~
0.15
≦0.0015
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力學與材料概論高壓氣體容器常用之碳合金鋼 Cr-Mo 鋼 硬化能大 , 對於回火的軟化抵抗性高 ,回火脆性的傾向小 ,
回火到高溫時可得韌性、 強度、 硬度都高的強韌組織,所以氣瓶中大量採用此種材質 ,但因會與 CO 反應 , 造成 強度降低 , 所以不適於充填含 CO 的氣體。
Mn 鋼 硬化能大 ,但對於回火的軟化抵抗性較 Cr-Mo 鋼低 ,回火脆性的傾向較 Cr-Mo 鋼高 ,但Mn比Ni及 Cr便宜 ,同時不與 CO 反應 , 所以一部分的氣瓶會使用這種材質。
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力學與材料概論
其他金屬銅及銅合金 鋁及鋁合金鎂及鎂合金鎳及鎳合金 其他
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力學與材料概論
銅 具有良好的導電性及導熱性 純銅質軟 ,不適合做構造材料 空氣中有濕氣及 CO2時 , 會產生碱性碳酸銅 熔點 1083±0.1℃ 比電阻 1.6730μΩ-cm 比重 (20℃) 8.96
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力學與材料概論
鋁 重量輕 , 比重 (20℃)僅 2.689 純鋁強度低 導熱度 ,導電度 ,耐蝕性良好 容易被稀薄的無機酸類腐蝕 ,但能抵抗大多數
的有機酸
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力學與材料概論 鋁的陽極化處理 (alumite) 將鋁製品做為陽極 ,將該製品放入電解槽中 , 以 5~10﹪草酸水溶液 , 5~25﹪硫酸水溶液 ,或 5~10﹪鉻酸水溶液為電解液進行電解 , 在製品的表面形成一個緻密化的氧化膜 (Al2O3) .
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力學與材料概論
鋁合金 分構造用 /鍛造用 鋁合金的時效硬化 高壓鋁瓶常用之鋁合金 5283/ 6082/ 7060HP
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力學與材料概論 鋁合金之抗拉強度 ( 例 )
合金種類 5283 6082 7060HP
抗拉強度(MPa)
345 330 460
降伏強度(MPa)
285 290 390
伸長率(%)
12 14 16
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力學與材料概論 碳系合金與鋁系合金氣瓶之比較
項目 \ 合金系類別
碳合金 鋁合金
容許應力與忍受覆變負荷的能力
較高 次之
表面硬度 高 普通內表面毛細孔及粗糙度
普通 較光滑
重量 較重 較輕購置成本 普通 相對較高