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第四章 實驗結果與討論
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4-2 真應力真應變曲線及金相顯微結構分析
4-2-1 壓縮實驗之真應力真應變曲線
AZ61 鑄錠原材與 AZ61 鑄錠經過均質化處理在不同應變速率下，其真應力真
應變曲線如圖 4-4 所示。無論 AZ61 鑄錠原材或 AZ61 鑄錠經過均質化處理之試件，
其降伏點所對應之真應力皆隨著應變速率的增快而增大，且 AZ61 鑄錠原材降伏點 的真應力皆大於 AZ61 鑄錠經過均質化處理之試件，顯示均質化處理有助於材料的 軟化。在鎂合金當中，臨界剪切應力和基面之間的非基面滑移系統會隨溫度升高而 減少[37]。在動態回復中的非基面滑移系統會導致差排滑移，可以提供軟化作用[38]。
觀察流變曲線發現典型的流變行為與動態軟化。當流變應力增大時，達到峰值後的 應力會因應變增加而減少，最終達到穩定狀態值。在本實驗材料壓縮情況下，應力 峰值出現在應變小於約 0.2。在高應變速率(或較低溫度)時，硬化和軟化現象較為明 顯。而在低應變速率(或較高溫度)時，硬化和軟化在一開始發生變形時就呈現均衡 關係。具有較高的加工硬化效應發生顯示在高應變速率(或較低溫度)的壓縮參數 下。
4-2-2 不同應變速率與溫度之金相顯微結構
圖 4-5 至圖 4-8 顯示 AZ61 鑄錠與在 AZ61 鑄錠經過均質化處理在不同應變速
率與溫度之金相顯微結構。由金相顯微結構觀察發現，在同一應變速率下隨著溫度 的上升，其動態再結晶分佈越均勻且動態再結晶的晶粒大小也隨溫度上升而增大，
而在同溫度下隨著應變速率的減慢，其動態再結晶分佈也越均勻且動態再結晶的晶 粒大小也隨著應變速率的減慢而增大。也就是說在高應變速率(或低溫度)時其動態 再結晶量較少，金相顯微結構主要以大晶粒結構為主要分佈。而在低應變速率(或 較高溫度)時，金相顯微結構主要以動態再結晶結構為分佈，且動態再結晶的晶粒
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大於在高應變速率(或低溫度)時的動態再結晶的晶粒大小。由上述觀察發現可知，
本研究所使用材料(AZ61 鑄錠原材與 AZ61 鑄錠經均質化處理)在高應變速率(或較 低溫度)時，其主要促進材料軟化效應因素為動態回復的效應。而在低應變速率(或 高溫度)時，促進材料軟化因素主要為動態再結晶的效應所導致。
4-3 製程加工圖與金相顯微結構驗證結果分析
製程加工圖(Processing Map)是由材料經過壓縮或拉伸實驗後所得的真應力真
應變曲線取其應力峰值後段平穩區域的真應變作圖[32] 。而功率消耗效率圖中高功 率消耗區通常定義為具有最佳加工性能，然而裂隙破壞機制一般也相對應著高功率 消耗效率值，因此，分析製程加工圖需要進一步由金相顯微結構來冹斷[26,27]。
經由圖 4-4 觀察，無論在 AZ61 鑄錠或 AZ61 鑄錠經均質化處理試件之真應力 真應變曲線圖，其在真應變為 0.8 至 1 的區間處於平穩狀態。本實驗選取真應力真 應變曲線之應力峰值(真應變約在 0.25)、不穩定區(真應變在 0.4)及穩定區(真應變在 0.8)作圖，觀測不同區域(真應變)的製程加工圖結果的差異。以及冺用金相顯微結構 驗證其製程加工圖之結果。
4-3-1 能量消耗效率圖(Efficiency of power dissipation map)結 果分析
功率(能量)消耗效率代表材料產生變形所能吸收的效率，而在功率(能量)消耗 效率圖中高功率消耗區通常定義為具有最佳加工性能。圖 4-9 為 AZ61 鑄錠與經均 質化處理試件在真應力真應變曲線之峰值(真應變約在 0.25)、真應變在 0.4 及真應 變在 0.8 之能量消耗圖，圖中等高線值即為能量消耗效率()值。
觀測 AZ61 鑄錠原材在不同真應變下之能量消耗效率圖，其高能量效率皆處於 高溫度、低應變速率下，最高能量消耗效率約在 40%至 44%，其中以真應變在 0.4 時能量消耗效率為最大值。無論在哪個真應變下的能量消耗效率圖，隨著溫度及應
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變速率的降低，能量消耗效率也隨之遞減。就單一觀看能量消耗效率圖顯示，其 AZ61 鑄 錠 最 佳 加 工 參 數 範 圍 區 域 約 在 溫 度 300℃~400℃ ， 應 變 速 率 1×10-1s-1~1×10-3s-1之參數範圍下。
AZ61 鑄錠經均質化處理在不同應變下之能量消耗效率圖 ，其高能量消耗效率 皆處在高溫度、低應變速率下，最高能量消耗效率皆在 38%，且隨著溫度及應變速 率的降低，能量消耗效率也隨之遞減。就單一觀看能量消耗效率圖顯示，如同 AZ61 鑄錠最佳加工參數範圍區域，其 AZ61 鑄錠經均質化處理之最佳加工參數範圍也約 在溫度 300℃~400℃，應變速率 1×10-1s-1~1×10-3s-1之參數範圍下。
比較 AZ61 鑄錠及 AZ61 鑄錠經均質化處理之能量消耗效率圖結果顯示，AZ61 鑄錠在不同真應變下之最高能量消耗效率值皆大於 AZ61 經均質化處理最高能量消 耗效率值。這是由於材料經均質化處理後塑性會增加，當材料在相同真應變時材料 經均質化處理所需能量會小於材料原材本身所需能量。就能量消耗效率圖顯示結果，
AZ61 鑄錠與 AZ61 鑄錠經均質化處理其最佳加工參數範圍在高溫度及低應變速率 參數下。
4-3-2 顯微結構與能量消耗效率之關係
功率消耗效率圖實際上代表熱加工變形過程中微結構的變化率。選取真應變
為 0.8 之 能 量 消 耗 效 率 圖 ， 將 其 依 能 量 消 耗 效 率 值 分 為 三 個 區 域 Domain1(η=4%~18%)、Domain2(η=32%~42%)，再分冸觀測不同能量消耗效率值其 金相顯微結構之差異。
其圖 4-10 與圖 4-11 分冸為 AZ61 鑄錠及 AZ61 鑄錠經均質化處理在真應變為 0.8 能量消耗效率之不同區域金相顯微結構。由圖得知，能量消耗效率較低值區域 (Domain2)，其顯微結構上晶粒大小相當不均勻，動態再結晶產生的量較少且再結 晶的晶粒尺寸也相對較小。反觀能量消耗效率較高值區域(Domain1)，其金相顯微 結構上晶粒大小較為均勻，動態再結晶產生的量較多且動態再結晶的晶粒大小較
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Domain2 的動態再結晶的晶粒來的大且平均許多。由上述現象可以了解，無論是 AZ61 鑄錠或 AZ61 鑄錠經均質化處理其動態再結晶產生的量會隨能量消耗效率值 升高而增加。
由能量消耗效率圖顯示之結果，高功率消耗區(Domain1)處於高溫、低應變速 率下，而低功率消耗區(Domain2)位在低溫、高應變速率參數範圍。由上述的不同 應變速率與溫度之金相顯微結構觀測結果，在高溫低應變速率下其變形機制主要以 動態再結晶為主，反之低溫高應變速率下其變形機制則以動態恢復中的非基面滑移 系統導致差排滑移為主。也就是說本實驗所使用材料之功率消耗效率圖中高功率消 耗區(最佳加工性能區域)，其主要變形機制以動態再結晶驅動而產生塑性變形。
4-3-3 能量消耗效率值的增減對顯微結構之影響
圖 4-12 與圖 4-13 分冸為 AZ61 鑄錠原材在應變速率 1s-1、溫度 400℃與 AZ61 鑄錠均質化處理在應變速率 1s-1、溫度 300℃之不同真應變下之金相顯微結構。
由圖 4-18 觀測發現，AZ61 鑄錠原材在應變速率 1s-1、溫度 400℃之能量消耗 效率值隨著應變量的增加而遞減，由此現象可知其金相顯微結構會有變化。在應變 速率 1s-1、溫度 400℃取不同真應變觀測其金相顯微結構如圖 4-12(a)、(b)、(c)、(d) 所示。隨著應變量的增加(能量消耗效率值的遞減)，其動態再結晶產生量也隨之增 加。
而 AZ61 鑄錠均質化處理在應變速率 1S-1、溫度 300℃參數範圍下，其真應變 與能量消耗率值關係圖如圖 4-13 所示。由圖顯示在真應變 0.25 至真應變 0.4 區間 其能量效耗效率值為遞增趨勢，而在真應變 0.25 與真應變 0.4 之金相顯微結構如圖 4-13(a)、(b)所示，發現材料之動態再結晶量有增加現象。在真應變 0.4 至真應變 0.6 區間其能量消耗效率值為接近平穩狀態，其在金相顯微結構如圖 4-13(b)、(c)並無 明顯差異。而在真應變 0.6 至真應變 0.8 區間其能量消耗效率值為遞減趨勢，金相 顯微結構如圖 4-13(c)、(d)所示，其結果如同在真應變 0.25 與真應變 0.4 之金相顯
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微結構現象一樣，材料動態再結晶量也有增加現象。
由上述現象結果可以知道，當能量消耗效率值產生變化時(增加或減少)皆會造 成微結構上的變化，而在本實驗材料微結構的變化為動態再結晶的產生量增加，而 當能量消耗效率值無變化時，在金相顯微結構上就無明顯的差異性。
4-3-4 不穩定性圖結果
圖 4-14 分冸為 AZ61 鑄錠與經均質化處理試件在應力-應變曲線之應力峰值、
真應變在 0.4 及真應變在 0.8 之不穩定性圖，圖中陰影區域為
< 0 範圍，即為不 穩定性區域。AZ61 鑄錠在應力-應變曲線之應力峰值與真應變 0.4 時，其不穩定性區域範圍 大致相同(範圍約在溫度 400℃以下、應變速率在 1×10-3s-1以上)。而當真應變達 0.8 時，其不穩定性區域則與應力-應變曲線之應力峰值及真應變 0.4 時的不穩定性區域 不同。(例如溫度 350℃、應變速率在 1×10-3s-1在應力-應變曲線之應力峰值及真應 變 0.4 時處於不穩定性區域，而在真應變為 0.8 時則處理穩定區域)。初步可知 AZ61 鑄錠在真應變為 0.8 之金相顯微結構與在應力-應變曲線之應力峰值或真應變為 0.4 時會有差異。
AZ61 鑄錠經均質化處理在應力-應變曲線之應力峰值、真應變 0.4 與真應變 0.8 時之不穩定性區域皆不相同，且當真應變為 0.4 之不穩定性區域形狀與應力-應變曲 線之應力峰值與真應變 0.8 之不穩定性區域形狀不同。推測由於金相顯微結構有差 異性而造成此現象。
若就單一從不穩定性圖來比較 AZ61 鑄錠與 AZ61 鑄錠經均質化處理不穩定性 區域，結果顯示鎂合金 AZ61 鑄錠經均質化處理過後在不同真應變下，其不穩定性 區域範圍皆小於鑄錠原材。由結果可知，AZ61 鑄錠經均質化處理過後是有助於材 料的加工性，減少不穩定性的發生。
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4-3-5 製程加工圖結果
將上述的圖 4-9 能量消耗效率圖與圖 4-14 不穩定性圖相互疊加製作成製程加
工圖，如圖 4-15 所示。圖中等高線值為能量消耗效率(%)，而陰影部分為不穩定性 區域。在避開不穩定性區域選取最高能消耗效率值的範圍，此區域即為材料的最佳 加工區域範圍。
AZ61 鑄錠之不穩定性區域對應在能量消耗效率值顯示，當應力-應變曲線之應 力峰值與真應變 0.8 時，不穩定性區域約處在能量消耗效率值小於 28%之區域。而 當真應變為 0.4 時，不穩定性區域約處在能量消耗效率值小於 30%之區域。
AZ61 鑄錠經均質化處理之不穩定性區域對應在能量消耗效率值顯示，當應力-應變曲線之應力峰值與真應變 0.4 時，不穩定性區域約處在能量消耗效率值小於 26%之區域。而當真應變為 0.8 時，穩定性區域約處在能量消耗效率值小於 26%之 區域。
就單一觀測製程加工圖冹定可加工區域範圍，當應力-應變曲線之應力峰值其 AZ61 鑄錠可加工範圍在能量消耗效率值約在 26%至 40%範圍內，而 AZ61 鑄錠經 均質化處理可加工範圍在能量消耗效率值約在 18%至 38%範圍內。當真應變為 0.4 其 AZ61 鑄錠可加工範圍在能量消耗效率值約在 26%至 42%範圍內，而 AZ61 鑄錠 經均質化處理可加工範圍在能量消耗效率值約在 24%至 36%範圍內。當真應變為 0.8 其 AZ61 鑄錠可加工範圍在能量消耗效率值約在 26%至 40%範圍內，而 AZ61 鑄錠經均質化處理可加工範圍在能量消耗效率值約在 20%至 38%範圍內。可知其兩 種材料可加工範圍區域皆處於約高溫、低應變速率加工參數範圍內。
比較 AZ61 鑄錠與 AZ61 鑄錠經均質化處理之可加工區域範圍，由製程加工圖 結果顯示， AZ61 鑄錠之可加工區域範圍皆小於 AZ61 鑄錠經均質化處理可加工範 圍區域。顯示，鑄錠經均質化處理後是有助於材料的加工性。
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4-3-6 製程加工圖之顯微結構分析
塑性變形中當
< 0 時，金相顯微結構產生不穩定狀態；不穩定狀態代表材料會有缺陷產生，包括裂隙(fracture)、絕熱剪力變形(adiabatic shear band)[24]、局 部塑性變形(flow localization)、機械雙晶(mechanical twining) [25]等。對 AZ61 鑄錠 與 AZ61 鑄錠經均質化處理之試件在真應變為 0.8 選取同溫度、不同應變速率及同 應變速率、不同溫度之條件下，觀測其金相顯微結構如圖 4-16 至圖 4-19，其中製 程加工圖陰影區域為材料不穩定性區域。
圖 4-16 為 AZ61 鑄錠在真應變 0.8 製程加工圖之 300℃不同應變速率(a~e)之金 相顯微結構。在 300℃應變速率為 1×10-2s-1至 5s-1 (b 到 e)處於不穩定區域，其中應 變速率為 1s-1 (d)與應變速率為 5s-1 (e)之金相顯微結構有絕熱剪力變形的缺陷產生 如圖 4-16(d)、(e)，在應變速率為 1×10-2s-1 (B)與應變速率為 1×10-1s-1 (C)金相顯微結 構呈現局部塑性變形(flow localization)甚至有裂隙(fracture)產生如圖 4-16(b)、(c)，
故在應變速率 b 至 e 範圍是處在不穩定性區域。而應變速率為 1×10-3s-1 (a)是處於材 料可加工範圍區，其金相顯微結構動態再結晶量較多。
圖 4-17 為 AZ61 鑄錠在真應變 0.8 製程加工圖之應變速率 1×10-2s-1不同溫度 (a~d)之金相顯微結構。在應變速率 1×10-2s-1溫度為 250℃(a)至 300℃(b)處於不穩定 區，其金相顯微結構有絕熱剪力變形(adiabatic shear band)、局部塑性變形(flow localization)及裂隙(fracture)生成如圖 4-17(a)、(b)。而在應變速率 1×10-2s-1 溫度為 350℃(c)至 400℃(b)是處於可加工區域，其金相顯微結構晶粒大小較平均，也就是 說動態再結晶在此條件下較為緻密。由圖 4-16 與圖 4-17 可知 AZ61 鑄錠不穩定區 域缺陷為裂隙(fracture)、絕熱剪力變形(adiabatic shear band)及局部塑性變形(flow localization)。且隨著溫度的降低與應變速率的增快，絕熱剪力變形(adiabatic shear band)現象更加明顯。
圖 4-18 為 AZ61 鑄錠經均質化處理在真應變為 0.8 製程加工圖之 300℃不同應