經濟部標準檢驗局台南分局

94 年度專題研究報告

預扭轉負載圈數對硬鋼線材料抗拉

強度之影響

蔡森南、方冠權、邵新益、陳俊忠

台南分局第一課

經濟部標準檢驗局台南分局 印

中華民國 94 年 12 月

摘要

硬鋼線除了使用在土木建築外，彈簧是另一項最多的成

型產品之一，此產品在汽車、機車、工作母機及彈簧床等皆

有其應用之需，因此使用範圍極廣，以下將以彈簧產品為例

來進行說明。

經訪談硬鋼線製造業者，了解其硬鋼線製造完成後係成

捲捆狀，交付彈簧製造商後截取適當長度來加工成所需之彈

簧產品，而不論拉伸、壓縮或扭轉彈簧等在製造過程中皆有

扭製成型過程，此即國家標準對扭轉性有所規範之原因。

CNS3697硬鋼線標準 3.機械性質 3.1抗拉強度、3.2捲繞

性、3.3扭轉性及 3.4彎曲性皆有其相對應之標準要求，然

在進行抗拉強度及扭轉性試驗時，係針對不同試件各別進行

破壞性試驗，此試驗僅能建立各別試驗之背景資料，並無針

對同一試件先進行扭轉性試驗再進行抗拉強度試驗之背景

資料，因此了解同一試件在預扭轉疲勞負載下之機械性質是

有必要的，故本專題研究之主要目的即在於建立此一背景資

料，供業界參考。

I

目錄

摘要 ........................................................................................... I

目錄 ........................................................................................... II

附圖目錄 .................................................................................... III

附表目錄 ....................................................................................VI

一、前言 ....................................................................................1

二、硬鋼線使用現況及技術發展 ................................................2

三、研究動機及方法 ..................................................................13

四、試驗結果 .............................................................................16

五、討論與建議 .........................................................................30

II

附圖目錄

圖 2.1 自動伸線機 400車..........................................................3

圖 2.2 自動伸線機 500車..........................................................3

圖 2.3 自動伸線機 900車..........................................................4

圖 2.4 預應力低鬆弛鋼線設備 ...................................................4

圖 2.5 鍍鋅鋼鉸線設備 ..............................................................5

圖 2.6 鋼纜用鋼線撚線機 ..........................................................5

圖 2.7 預應力低鬆弛異形鋼棒設備 ............................................6

圖 2.8 熱處理一貫作業設備.......................................................6

圖 2.9 壓力模 ............................................................................8

圖 2.10 新型式眼模 ...................................................................9

圖 2.11 傳統眼模與新式眼模差異 ..............................................10

圖 2.12 溼式伸線用壓力模 ........................................................12

圖 2.13 鋼線基本製程................................................................12

圖 3.1 扭轉試驗機 .....................................................................15

圖 3.2 拉伸拭驗機 .....................................................................15

圖 4.1 線徑 2.0mm扭轉 4圈.....................................................16

圖 4.2 線徑 2.0mm扭轉 6圈.....................................................17

III

圖 4.3 線徑 2.0mm扭轉 8圈.....................................................17

圖 4.4 線徑 2.0mm扭轉 10圈...................................................18

圖 4.5 線徑 2.0mm扭轉 12圈...................................................18

圖 4.6 線徑 2.0mm扭轉 14圈...................................................19

圖 4.7 線徑 2.0mm扭轉 16圈...................................................19

圖 4.8 線徑 2.0mm扭轉 18圈...................................................20

圖 4.9 線徑 2.0mm扭轉 20圈...................................................20

圖 4.10 線徑 2.0mm扭轉 22圈.................................................21

圖 4.11 線徑 2.0mm扭轉 24圈 .................................................21

圖 4.12 線徑 2.0mm扭轉 26圈.................................................22

圖 4.13 線徑 2.0mm扭轉 28圈.................................................22

圖 4.14 線徑 2.0mm扭轉 30圈.................................................23

圖 4.15 線徑 2.3mm扭轉 4圈...................................................23

圖 4.16 線徑 2.3mm扭轉 6圈...................................................24

圖 4.17 線徑 2.3mm扭轉 8圈...................................................24

圖 4.18 線徑 2.3mm扭轉 10圈.................................................25

圖 4.19 線徑 2.3mm扭轉 12圈.................................................25

圖 4.20 線徑 2.3mm扭轉 14圈.................................................26

圖 4.21 線徑 2.3mm扭轉 16圈.................................................26

IV

圖 4.22 線徑 2.3mm扭轉 18圈.................................................27

圖 4.23 線徑 2.3mm扭轉 20圈.................................................27

圖 4.24 線徑 2.3mm扭轉 22圈.................................................28

圖 4.25 線徑 2.3mm扭轉 24圈.................................................28

圖 4.26 線徑 2.3mm扭轉 26圈.................................................29

圖 4.27 線徑 2.3mm扭轉 28圈.................................................29

圖 4.28 線徑 2.3mm扭轉 30圈.................................................30

圖 4.28 線徑 2.3mm扭轉 30圈.................................................30

圖 5.1 試驗曲線各段名稱（線徑 2.3mm扭轉 4圈）.................31

圖 5.2 線徑 2.0mm之扭轉圈數-最大應力（ ）.................33 mmN 2/

圖 5.3 線徑 2.0mm之扭轉圈數-破壞應力（ ）.................33 mmN 2/

圖 5.4 線徑 2.3mm之扭轉圈數-最大應力（ ）.................34 mmN 2/

圖 5.5 線徑 2.3mm之扭轉圈數-破壞應力（ ）.................34 mmN 2/

圖 5.6 趨勢曲線放大 6個週期曲線............................................35

圖 5.7 線徑 2.0mm預扭轉負載作用 4圈破壞斷面(側面)...........37

圖 5.8 線徑 2.0mm預扭轉負載作用 4圈破壞斷面(軸向面) .......37

圖 5.9 線徑 2.3mm預扭轉負載作用 24圈破壞斷面(側面).........38

圖 5.10 線徑 2.3mm預扭轉負載作用 24圈破壞斷面(軸向面) ...38

V

附表目錄

表 5.1 線徑 2.0mm之扭轉圈數-最大應力..................................32

表 5.2 線徑 2.0mm之扭轉圈數-破壞應力..................................32

表 5.3 線徑 2.3mm之扭轉圈數-最大應力..................................33

表 5.4 線徑 2.3mm之扭轉圈數-破壞應力..................................34

VI

一、 前言

科技發展日新月異，這使得交通更便利更迅速，同時也縮短了各

地間的距離，且使得國際間的商業貿易往來更頻繁。在台灣加入WTO

之後鋼鐵製品全面性在零關稅之下開放進口，台灣的鋼線產業已經成

為一個對外開放且和世界同步接軌的產出環境。此時鋼線廠商的市場

競爭壓力，面對的已經不再是國內同業廠商之競爭，而是來自世界其

他各國的挑戰，尤其是同屬亞洲四小龍的韓國，而更大的威脅是近年

來經濟快速竄起的中國大陸及東南亞各國。

在面對世界各國的激烈競爭下，國內鋼線產業同業間的關係，已

經不再是留停在以往的同業競爭，而是要轉為加強同業間的合作關

係。無論是在產品的價格、品質及技術、產能支援和市場區隔上，都

應該加強同業間的合作關係，這才能使台灣的鋼線產業在世界上展露

頭角爭得一片天地。因此，台灣鋼線產業要達到世界級的高水準，要

有國際性的競爭力，這要靠著加強整體同業間的合作，彼此取長補

短，同心協力，才能達到此目標。

鋼線技術的精進從原料、製造、檢驗到服務等，要多方貢獻方能

有所進展，而此專題的研究是希望能透過有限條件拘束下的物理性質

測試來了解鋼線在不同的預扭轉負載狀態下對其本身機械性質的影

響，而此扭轉負載，將可模擬鋼線在實際後續使用中遇有扭轉使用條

1

件下可能之機械性質變化，並與其在無任何預負載作用下進行比較，

進而了解其材料在負載作用時在有彈性變形與塑性變形的情況下其

內部應力與變形曲線之關係。

二、 硬鋼線（Hard Drawn Steel Wires）使用現況及技術

發展

硬鋼線(以下簡稱為鋼線)依 CNS3697共分三類：1.硬鋼線 A種

(SW-A)適用線徑為 0.08mm以上，10.0mm以下，一般之用途為陽

傘、雨傘用鋼線、自行車、摩托車、三輪車、托板車、輪椅等車輪之

車輻線用鋼線、彈簧華司、煞車線、加油線等壓扁用途用鋼線、鋼索、

鋼絞線用鋼線等。2.硬鋼線 B種(SW-B) 適用線徑為 0.08mm以上，

13.0mm以下，一般之用途為自動陽傘、雨傘及海灘傘用鋼線、重型

摩托車車輪之車輻線用鋼線、運動器材、沙發、彈簧床、自行車座墊 、

彈簧用鋼線、彈簧華司、煞車線、加油線等壓扁用途用鋼線等。3.

硬鋼線 C種 (SW-C) 適用線徑為 0.08mm以上，13.0mm以下，一

般用途為機械、傢俱、汽車、機車、捲門、自動傘等彈簧及皮箱框、

彈簧床框用鋼線、鋼索、鋼絞線用鋼線等。

鋼線在日常生活中的使用性非常的高，因此其安全性也非常重

要，所以 CNS3697於 3.1節抗拉強度、3.2節捲繞性、3.3節扭轉性

及 3.4節彎曲性等機械性質也有諸多要求，而一般鋼線的製造生產所

2

需之設備大致如下照片圖所示：

圖 2.1 自動伸線機 400車

圖 2.2 自動伸線機 500車

3

圖 2.3 自動伸線機 900車

圖 2.4 預應力低鬆弛鋼線設備

4

圖 2.5 鍍鋅鋼鉸線設備

圖 2.6 鋼纜用鋼線撚線機

5

圖 2.7 預應力低鬆弛異形鋼棒設備

圖 2.8 熱處理一貫作業設備

6

近年來，鋼線抽伸時的潤滑問題被認為對其機械性質有很重大的

影響，雖然鋼線的抽伸技術已經有了很大的突破，伸線機的速度也增

快了很多，若能再減少伸線潤滑和眼模（又稱伸線模）的調整呆時就

更具有競爭力了。但是很明顯的，當抽伸鋼線的速度增快時也同時降

低了鋼線經過眼模座的時間，直接提高了鋼線通過眼模時的磨擦力和

溫度。然而由於目前新線材在生產技術精進的情況所製造出來的線材

表面更平滑更潔淨，此時潤滑劑卻不易在抽伸線時的第一道眼模就能

附著在線材上。此外，為了成本考量、環保問題及操作簡單化等理由，

現在的製程趨勢是酸洗及後續的硼砂和磷酸鹽的處理製程，將逐漸被

除銹系統所取代。

綜合上述所言，一方面我們希望伸線機的抽伸速度更快，以增加

產能；但另一方面線材的伸線前處理卻必須更簡化。這是一種自相矛

盾的作法，所以在很多的個案中，不難發現由於鋼線的潤滑不當，導

致鋼線表面刮傷、眼模磨耗加劇而需停機更換眼模的問題日益嚴重。

由於鋼線所製成的最終產品眾多，而且用途差異性很大，因此鋼

線通過眼模時的潤滑方式，也時常需要有所調整，促使鋼線表面殘留

的潤滑劑多寡不一樣，以符合實際上最終產品的線材要求。為了這個

目的，有不同型式的眼模被開發使用來滿足各種需求，這一類型的眼

模一般被通稱為壓力模（pressure dies），如圖 2.9所示。

7

圖 2.9 壓力模

基本上它是由兩個眼模組合而成的，第一個眼模的直徑比第二個

眼模稍大，其主要功能為：(1)鋼線通過第一個眼模時，潤滑劑能密

實的附著在其線材上，(2)第二個眼模主要作用係為了減少鋼線直

徑。因為在第一個眼模作用時潤滑劑已被擠壓在鋼線上，已能增加其

伸線時的潤滑作用，因此能使鋼線的抽伸品質更好。

此種伸線技術在業界雖廣為人知，但在實際使用上亦有諸多缺

點，傳統式的壓力模容易在二個眼模之間發生潤滑劑漏出或結塊導致

潤滑不均勻，改良的方式是在二個眼模之間增加一個連接片，既可容

納潤滑劑，也可避免結塊，這雖然在改進潤滑效果上有些許成功，但

其構造相當複雜且價格昂貴，並不符合經濟效益。在幾經改良測試

下，如圖 2.10所示之碳化鎢與鋼製外殼可分開的壓力模被設計製造

出來使用在抽拉鋼線時，此種壓力模在換模時只需更換壓力模的碳化

鎢材質部份而不需要整組更換。

8

圖 2.10 新型式眼模

上述的方法，毫無疑問的顯示在潤滑效果及眼模壽命上都有很大

的進步，不過它們在實際的使用上仍然有諸多限制，例如對使用者而

言，仍太複雜且價格仍太貴，另外因為壓力模尺寸太大，故眼模座需

修改才能安裝而且並非所有伸線機的眼模座都能修改，有些可能要更

換整個眼模座，如此一來，則費用相對提高，也會造成操作上的困難，

而且要獲得均勻的潤滑劑皮膜，仍有相當困難度。

鑑此，傳統的眼模概念在被大幅修正後去蕪存菁，近年來已開發

出一種新型眼模，此眼模已具有相當精密的構造，僅有碳化鎢的部分

會磨損，雖然初期的購買成本較高，但爾後僅有碳化鎢需更換，而且

能夠快速而簡單的更換。新型眼模由四個部份組成，其中三個部份幾

乎可以長時間使用，僅有伸線模的碳化鎢會磨損，需要更換，由於此

9

種眼模能使鋼線的潤滑性較佳，故其碳化鎢的壽命較傳統眼模多出

20%~30%。而其優點有三：(1)可高速伸線，並可減少停機換模次數，

以提高產能。(2)生產成本降低。(3)使用新式眼模，碳化鎢可循環使

用，且磨損後報廢之碳化鎢亦可回收出售。因其碳化鎢顆粒採用超高

硬度之材質，耐磨性及韌性均特別優異，此類新型眼模的研發初期，

使用傳統的潤滑劑並無法達到預期的效果，在實際的試驗時，潤滑劑

依斷面減少率的變化會得到不同的反應，圖 2.11為傳統眼模與新型

眼模之差異。

圖 2.11 傳統眼模與新型眼模之差異

更明確的來說，潤滑劑無法完整的附著於鋼線上，卻在眼模的入

口處形成黏性殘渣，而阻礙潤滑劑正常的流動進入壓力模，一方面潤

滑劑壓力提高會使鋼線潤滑皮膜的黏度增加，另一方面，此亦使得伸

線溫度昇高，此種現象會形成潤滑劑皮膜的重大變化，為避免此潤滑

10

上的缺點，新的潤滑劑配方被逐一試驗以了解其潤滑狀態，而具有各

種不同融點之金屬皂的混合物，並加入高分子添加劑及其他特殊添加

劑的新配方被開發出來後是目前為止效用較佳者。此配方成分含有助

流動性添加劑、極性有機油脂、無機鹽類淨化劑。這些化合物之目的

如下：(1)金屬皂和極性油脂使得潤滑劑能以「正負相吸」的原理吸

附於鋼線上。(2)改良之添加劑能夠調整潤滑皮膜之黏度。(3)特殊添

加劑能增加抗壓性。(4)助流動性添加劑可避免潤滑劑結塊，並增加

其滑動性。(5)淨化劑添加劑具有清除眼模表面金屬氧化物的功能，

並可避免金屬與眼模產生融合現象。

如何將乾式伸線用的眼模應用於溼式伸線又是另外一個難題，雖

然溼式伸線並不像乾式伸線有壓力和溫度的問題，最重要的是潤滑劑

快速的流過鋼線，且要連續不能間斷，以避免表面有微細孔蝕或應

力，這點對鍍鋅鋼線尤其重要。由於拉抽時並不是要把潤滑劑擠壓在

鋼線上，而是要增加速度使得潤滑劑與鋼線一起通過眼模。因此根據

流體力學的原理設計出一種完全可滿足溼式伸線用的壓力模，如圖

2.12所示，其鋼製外殼與碳化鎢是可分離的，使用時碳化鎢可簡易

的更換，並具有與乾式伸線新型眼模相同的優點。

11

圖 2.12 溼式伸線用壓力模

圖 2.13為鋼線製造的基本製程，從表面脫氧化膜至潤滑皮膜處

理的過程稱為「抽線前處理」，抽線過程用潤滑劑改善被加工材與眼

模間的潤滑。而鋼線以外的線、棒、管材的製造與鋼線類似只是在處

理方法、處理條件上稍有差異而以，故基本上都以與鋼線同樣的製程

抽拉而得到產品。

熱處理

熱軋線材 脫氧化皮 潤滑皮膜處理 伸線 鋼

熱處理 線

圖 2.13 鋼線基本製程

為使被加工材有良好的抽拉加工性，或為使抽拉後的製品有所定

特性，在抽拉加工前後，或抽拉加工的工程途中，依必要施行各種熱

處理，諸如製程退火、淬火、回火、正常化等，一般鋼線製造過程中

12

最常用的熱處理為退火，而表面處理為脫碳，略述如下。

（一） 退火

退火的目的包括：消除內部應力、降低硬度，提昇被切削性及冷

間加工性等方面的改善，並可調整結晶組織，達到所要之機械性質或

物理性質。而將鋼材加熱到適當的溫度並保持適當時間後，再徐徐冷

卻的處理方法稱為退火，塑性加工一般常用之退火為球狀化退火，此

退火處理可把鋼線的碳化物球狀化，達成冷間加工性最優良的軟狀

態，可使冷間鍛造等強化加工容易進行。

（二） 脫碳

鋼線熱處理時，碳從表面逸出，造成鋼材表面層碳含量較

低，此現象為脫碳，有脫碳時會造成鋼材表面硬度降低，降低冷鍛性

及皮膜化成性。

三、 研究動機及方法

一般 PC 鋼絞線（預力混凝土用鋼絞線）以高碳鋼線材

SWRH82B 為原料，因進行大減面率連續抽拉控制故擁有高抗拉強

度、低鬆馳、應力消除效果佳且能與混凝土結合牢固等特點，主要

用於公路、房屋建築、水利樞紐、錨固拉力構件、提升拉力構件、

核電站等。而 PC 鋼線（預力混凝土用鋼絲）係採高碳鋼線材

SWRH82B 為原料，應用於公路、橋梁、機場、碼頭、房屋建築、

13

水利工程、鐵路軌枕、隧道工程。鋼線製造完成後係成捲捆狀，再

交付下游製造商截取適當長度來加工成所需之最終產品，而不論最

終成品為何其製程中多少皆有扭製過程，此即 CNS對扭轉性皆有所

規範之原因。

而 CNS3697 對於硬鋼線的機械性質、抗拉強度、捲繞性、扭

轉性及彎曲性皆有其相對應之標準要求，然在依標準進行抗拉強度

及扭轉性試驗時，係針對不同試件分別進行破壞性試驗，此試驗僅

能建立各別試驗之背景資料，並無針對同一試件先進行扭轉性試驗

再進行抗拉強度試驗之背景資料，因此了解同一試件在預扭轉疲勞

負載下之機械性質是有必要的，而本專題研究之主要目的係在於建

立較常用鋼線直徑 2.0mm（SW-B）及 2.3mm（SW-C）此兩種材

料之預扭轉疲勞負載下的抗拉強度及破壞強度資料，為求較詳細扭

轉圈數-應力之變化曲線，2種鋼線材料預定執行之預扭轉圈數為 4、

6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30圈，而每

一試件皆在執行預定的扭轉圈數後利用拉力試驗機進行拉伸試驗，

其中因考慮扭轉圈轉若太少線材恐有回彈現象，故選擇至少 4 圈以

上之扭轉圈數，以避免因彈性變形之回彈現象而造成無效影響。因

考慮鋼線直徑 2.0mm及 2.3mm之線材在單獨執行扭轉試驗時其扭

轉破壞之總圈數大約都在 30~36圈間，故選擇預扭轉的最大圈數為

14

30圈，以免扭轉之塑性變形量過大破壞而無效。

本專題主要研究設備為圖 3.1 之扭轉試驗機及圖 3.2之拉伸試

驗機，如下照片所示：

圖 3.1 扭轉試驗機

圖 3.2 拉伸試驗機

15

試驗方法係先將線徑 2.0mm之鋼線裁切成長 200mm之試件，

線徑 2.3mm之鋼線裁切成長 230mm之試件，先經扭轉試驗機扭轉

至預設定之圈數後，再將試件移至拉伸試驗機進行拉伸試驗，過程

中利用電腦系統控制其拉伸速率，並記錄拉伸過程的應力及變形數

據，最後將電腦系統所記錄之拉伸試驗文字數據資料利用 Excel 軟

體轉為曲線圖形方便進一步分析。

四、 試驗結果

以下圖 4.1～圖 4.28為直徑 2.0mm（SW-B）及 2.3mm（SW-C）

之鋼線在預扭轉負載下進行拉伸試驗後之應力(Stress； )-變形

曲線圖，以下之圖形為拉力試驗機電腦系統之原始數據資料經 Excel

軟體所轉繪之曲線圖：

mmN 2/

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

4.0

6.1

9.5

13.8

18.2

22.5

26.8

31.2

35.5

39.8

44.2

48.5

52.8

57.2

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.1 線徑 2.0mm扭轉 4圈

16

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.1

2.3

3.4

4.5

5.7

6.8

7.9

9.1

10.2

11.3

12.5

13.6

14.7

15.9

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.2 線徑 2.0mm扭轉 6圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.3

2.6

3.9

5.3

7.9

10.5

13.1

15.7

18.3

20.9

23.5

26.1

28.7

31.3

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.3 線徑 2.0mm扭轉 8圈

17

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

9.4

11.0

12.1

13.1

14.2

15.3

16.3

17.4

18.5

19.5

20.6

21.7

22.7

23.8

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.4 線徑 2.0mm扭轉 10圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

6.7

12.4

13.1

14.0

15.3

16.6

18.0

19.3

20.9

22.2

23.6

24.9

26.2

27.6

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.5 線徑 2.0mm扭轉 12圈

18

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.7

3.4

5.1

6.8

8.5

10.2

11.9

13.6

15.3

17.0

18.7

20.4

22.1

23.8

25.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.6 線徑 2.0mm扭轉 14圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.5

2.9

4.4

5.9

7.3

8.8

10.3

11.7

13.2

14.7

16.1

17.6

19.1

20.5

22.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.7 線徑 2.0mm扭轉 16圈

19

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.6

3.1

4.7

6.3

7.8

9.4

11.0

12.5

14.1

15.7

17.2

18.8

20.4

21.9

23.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.8 線徑 2.0mm扭轉 18圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.6

3.1

4.7

6.3

7.8

9.4

11.0

12.5

14.1

15.7

17.2

18.8

20.4

21.9

23.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.9 線徑 2.0mm扭轉 20圈

20

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.3

2.5

3.8

5.1

6.3

7.6

8.9

10.1

11.4

12.7

13.9

15.2

16.5

17.7

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.10 線徑 2.0mm扭轉 22圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.2

2.4

3.6

4.8

6.0

7.2

8.4

9.6

10.8

12.0

13.2

14.4

15.6

16.8

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.11 線徑 2.0mm扭轉 24圈

21

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.5

2.9

4.4

5.9

7.3

8.8

10.3

11.7

13.2

14.7

16.1

17.6

19.1

20.5

22.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.12 線徑 2.0mm扭轉 26圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.1

2.3

3.4

4.5

5.7

6.8

7.9

9.1

10.2

11.3

12.5

13.6

14.7

15.9

17.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.13 線徑 2.0mm扭轉 28圈

22

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0

1.3

2.6

3.9

5.2

6.5

7.8

9.1

10.4

11.7

13.0

14.3

15.6

16.9

18.2

19.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.14 線徑 2.0mm扭轉 30圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.9

3.8

5.7

7.6

8.8

8.9

9.0

9.1

9.4

10.3

11.3

12.2

13.2

14.1

15.1

16.0

17.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.15 線徑 2.3mm扭轉 4圈

23

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.4

2.9

4.3

5.7

7.2

8.7

10.1

11.5

13.0

14.4

15.8

17.3

18.7

20.1

21.6

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.16 線徑 2.3mm扭轉 6圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.1

2.2

3.3

4.4

5.5

6.6

7.7

8.8

9.9

11.0

12.1

13.2

14.3

15.4

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.17 線徑 2.3mm扭轉 8圈

24

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.18 線徑 2.3mm扭轉 10圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.2

2.3

3.5

4.7

5.8

7.0

8.2

9.3

10.5

11.7

12.8

14.0

15.2

16.3

17.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.19 線徑 2.3mm扭轉 12圈

25

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.3

2.7

4.0

5.3

6.7

8.0

9.3

10.7

12.0

13.3

14.7

16.0

17.3

18.7

20.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.20 2.3mm扭轉 14圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.1

2.2

3.3

4.4

5.5

6.6

7.7

8.8

9.9

11.0

12.1

13.2

14.3

15.4

16.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.21 線徑 2.3mm扭轉 16圈

26

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.4

2.7

4.1

5.5

6.8

8.2

9.6

10.9

12.3

13.7

15.0

16.4

17.8

19.1

20.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.22 線徑 2.3mm扭轉 18圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.1

2.2

3.3

4.4

5.5

6.6

7.7

8.8

9.9

11.0

12.1

13.2

14.3

15.4

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.23 線徑 2.3mm扭轉 20圈

27

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.2

2.3

3.5

4.7

5.8

7.0

8.2

9.3

10.5

11.7

12.8

14.0

15.2

16.3

17.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.24 線徑 2.3mm扭轉 22圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.6

3.3

4.9

6.5

8.2

9.8

11.4

13.1

14.7

16.3

18.0

19.6

21.2

22.9

24.5

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.25 線徑 2.3mm扭轉 24圈

28

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.6

2.9

4.2

5.5

6.8

8.1

9.4

10.7

12.0

13.3

14.6

15.9

17.2

18.5

19.8

伸長量(mm)

Streee(N/mm2)

圖 4.26 線徑 2.3mm扭轉 26圈

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.4

2.8

4.2

5.6

7.0

8.4

9.8

11.2

12.6

14.0

15.4

16.8

18.2

19.6

21.0

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.27 線徑 2.3mm扭轉 28圈

29

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

0.8

1.5

2.3

3.1

3.8

4.6

5.4

6.1

6.9

7.7

8.4

9.2

10.0

10.7

11.5

12.3

13.0

13.8

14.6

15.3

16.1

16.9

17.6

18.4

伸長量(mm)

Stress(N/mm2)

圖 4.28 線徑 2.3mm扭轉 30圈

五、 討論與建議

材料的性質包括密度、蒸汽壓力、熱膨脹、熱傳導、導電性、磁

性及工程特性等，而工程特性又包恬了抗拉強度、抗壓強度、抗扭強

度、楊氏模數、硬度、切削性、易成形性等。抗拉強度是一種利用拉

伸試件兩端來決定其強度值的表示方法，材料的抗剪強度及抗扭強度

迄今並無被廣泛使用的標準試驗方法，通常經由經驗法則推知其抗剪

強度通常取抗拉強度的 50%，而抗扭強度約取抗拉強度的 75%，抗

壓強度對於脆性材料而言係指將其壓至破裂時之特性，鑄鐵是屬於脆

性材料的一種，其抗壓強度約為其抗拉強度之 3~4倍，但對於延性

材料則因抗壓強度與鋼種及熱處理性質方式有極密切關係，故無法直

接推估。本研究試驗結果雖只求得材料的抗拉強度值，但依此經驗法

30

則亦可進一步推估其鋼線材料的抗剪強度及拉扭強度值。

觀察圖 4.1～圖 4.28之試驗曲線走趨，在彈性區、降伏區、頸縮

區及破壞區大致皆可符合鋼線材料的機械性質，而各曲線在斜率較大

之區域即為彈性區，由此經虎克定律(Hook’s Law)可推得鋼線材料之

楊氏模數值，彈性區之斜率愈大代表楊氏模數值愈大，材料欲變形之

驅動負載就要愈大；而降伏區為材料在破壞前斜度最小之區域，由此

可了解塑性區愈大則材料的塑性變形能力愈好，圖 5.1為彈性區與降

伏區在曲線上之分佈位置。

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

1.9

3.8

5.7

7.6

8.8

Stress(N/mm2)

降伏區

圖 5.1 試驗曲線各段

以下為線徑2.0mm及2

後所得之最大應力（Max-str

）曲線圖，中國國家mmN 2/

8.9

彈性區

名稱

.3mm

ess；

標準

9.0

9.1

9.4

10.3

11.3

12.2

13.2

14.1

15.1

16.0

17.0

伸長量(mm)

（線徑 2.3mm扭轉 4圈）

在不同預扭轉圈數下執行拉伸試驗

）及破壞應力（Break-stress；

CNS3697對於硬鋼線的抗拉(或最

mmN 2/

31

大)強度有上、下限範圍之標準規定，而破壞強度則無所管制。由圖

5.2、5.3、5.4、5.5中可得知指數趨勢曲線下之扭轉圈數-應力曲線走

勢，皆隨著圈數的增加而應力呈現遞減趨勢，這是合理的，因為線材

在塑性變形後其內部產生差排及雙晶滑移晶格結構更緊密，這會使其

硬度增加但抗拉強度減弱，伸長率減少，而且扭轉圈數愈多塑性變形

愈嚴重，抗拉強度也就愈低，一般而言若塑性變形很嚴重時同時也會

產生加工硬化現象，而導致鋼材脆化，此時必需施以製程退火來調質

以使材料內部組織軟化，以便於進行其他製程的加工。

表 5.1 線徑 2.0mm之扭轉圈數-最大應力（ ） mmN 2/

0圈 4圈 6圈 8圈 10圈 12圈 14圈 16圈 1924.622 1852.95 1853.57 1859.82 1844.83 1856.07 1827.35 1818.61

18圈 20圈 22圈 24圈 26圈 28圈 30圈 1960 1837.97 1817.99 1802.38 1809.25 1784.28 1774.91 1779.91 1720

表 5.2 線徑 2.0mm之扭轉圈數-破壞應力（ ） mmN 2/

4圈 6圈 8圈 10圈 12圈 14圈 16圈 1845.46 1852.33 1857.32 1842.34 1852.33 1823.61 1814.24

18圈 20圈 22圈 24圈 26圈 28圈 30圈 1832.97 1814.24 1797.39 1804.88 1780.53 1768.67 1775.53

32

2.0mm Max-Stress

y = 1893.7e-0.0043x

1650

1700

1750

1800

1850

1900

1950

2000

0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

扭轉圈數

Max-Stress(N/mm2)

2.0mm

2.0上限

2.0下限

指數趨

勢線

圖 5.2 線徑 2.0mm之扭轉圈數-最大應力

2.0mm Break-Stress

y = 1869.8e-0.0037x

1600

1650

1700

1750

1800

1850

1900

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

扭轉圈數

Break-Stress(N/mm2)

圖 5.3 線徑 2.0mm之扭轉圈數-破壞應力

表 5.3 線徑 2.3mm之扭轉圈數-最大應力（ ） mmN 2/

0圈 4圈 6圈 8圈 10圈 12圈 14圈 16圈 1699.418 1662.62 1674.42 1666.87 1626.74 1648.46 1647.51 1628.63

18圈 20圈 22圈 24圈 26圈 28圈 30圈 1910 1651.76 1612.58 1619.66 1627.69 1634.77 1628.63 1615.89 1670

33

表 5.4 線徑 2.3mm之扭轉圈數-破壞應力（ ） mmN 2/

4圈 6圈 8圈 10圈 12圈 14圈 16圈 1647.51 1663.57 1662.15 1597.00 1642.32 1636.19 1621.55

18圈 20圈 22圈 24圈 26圈 28圈 30圈 1638.55 1589.92 1597.00 1607.39 1623.44 1613.53 1605.50

2.3mm Max-Stress

y = 1678.3e-0.0027x

1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

1850

1900

1950

2000

0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

扭轉圈數

Max-Stress(N/mm2)

2.3mm

2.3上限

2.3下限

指數趨

勢線

圖 5.4 線徑 2.3mm之扭轉圈數-最大應力

2.3mm Break-Stress

y = 1653e-0.0023x

1540

1560

1580

1600

1620

1640

1660

1680

1700

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

扭轉圈數

Break-Stress(N/mm2)

圖 5.5 線徑 2.3mm之扭轉圈數-破壞應力

34

由圖 5.2及圖 5.4之趨勢曲線斜率比較得知線徑 2.0mm因預扭

矩之最大應力變化較線徑 2.3mm之斜率為大，這表示預扭轉對於線

徑 2.0mm之抗拉強度之影響較線徑 2.3mm者大。若將圖 5.2之趨勢

曲線放大 6個週期時發現線徑 2.0mm約在扭轉圈數 40圈時材料之

抗拉應力將超出 CNS之標準範圍，如圖 5.6所示，而線徑 2.3mm之

鋼線由圖 5.4即可得知在扭轉圈數超過 8圈後皆已超過 CNS之標準

範圍，由此得知若要降低預扭轉效應對抗拉應力的影響時，鋼線本身

的原始抗拉強度應以接近標準範圍的上限較為有利，但由曲線趨勢線

的斜率可得知直徑 2.3mm之鋼線圈數-應力變化較平滑，這顯示扭轉

負載對其抗拉強度(應力)之影響小，而直徑 2.0mm之鋼線則在圈數-

應力的變化上較為劇烈。

2.0mm Max-Stress

y = 1893.7e-0.0043x

1650

1700

1750

1800

1850

1900

1950

2000

0 10 18 26

扭轉圈數

Max-Stress(N/mm2)

2.0mm

2.0上限

2.0下限

指數趨

勢線

圖 5.6 趨勢曲線放大 6個週期曲線

35

線徑 2.0mm及 2.3mm鋼線在預扭轉負載作用 4圈～30圈下拉

伸破壞斷面之情形大致相同，因此列舉線徑 2.0mm在預扭轉負載作

用 4圈及 2.3mm鋼線在預扭轉負載作用 24圈下之拉伸試件破壞面

照片圖 5.7～圖 5.10為例，由觀察鋼線之破壞斷面知拉伸過程線材外

圍大致與軸線成 斜向破壞，而靠近斷面形心處為與軸線成90 之垂

直斷裂，由材料力學及破壞力學之理論得知線材在拉伸過程因塑性變

性之故先受剪應力破壞產生永久塑性變形後因線材斷面太小無法承

受拉力負載後，最終殘餘之斷面呈拉應力斷裂。在學理上一般係用複

變函數求解彈性力學的問題，主要係用於求解平面問題，在彈性力學

的平面問題中，基本方程式是雙調和方程式，即

45o o

( )＝0，式中 為

拉普拉斯微分算符﹐是艾里應力函數(見應力函數和位移函數)。將雙

調和方程表示為複變函數形式，即 ，式中 ＝ ＋i 為複變

量； 為 的共軛，此方程的通解為： ＝Re[ ( )+ ( )]，式中 ( )、

( )為任意解析複變函數﹔Re表示複變函數實部，所以彈性力學平面

問題就歸結為求解兩個滿足用複數表示的彈性力學邊界條件的複變

函數 ( )和 ( )，對於各向同性材料，平面問題的應力位移與 ( )，

( )的關係為﹕

式中 、 、 為可應力分量；i= ； 、 為位移分量； 為剪彈性係

36

數，函數上的橫線表示復共軛； 為常數。對平面應變問題， =3-4 ﹔

對平面應力問題， ，式中 為泊松比。

圖 5.7 線徑 2.0mm預扭轉負載作用 4圈破壞斷面(側面)

圖 5.8 線徑 2.0mm預扭轉負載作用 4圈破壞斷面(軸向面)

37

圖 5.9 線徑 2.3mm預扭轉負載作用 24圈破壞斷面(側面)

圖 5.10 線徑 2.3mm預扭轉負載作用 24圈破壞斷面(軸向面)

38

參考文獻

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相關網頁

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