4-1 成分及析出相分析
以重力澆鑄法製成的 Mg-5wt.%Sn-1wt.%Ca 合金鑄錠，利用 X-光能量 散佈分析儀( Energy Dispersive System, EDS )進行合金元素含量之分 析，其 EDS 成分重量百分比如表 4-1 所示。而從 XRD 圖 4-1 可得知其主要
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4-3 Impression Creep Test
圖 4-9 至 4-12 為實驗合金經過不同道次等通道轉角擠型之後在 200
℃下所做潛變測詴的應變-時間圖，所有的詴片在經過一短暫的斜率爬升 階段之後，進入斜率穩定的第二階段，也就是所謂的 steady state，實驗 所求得之潛變速率即是由此階段求得，相較於傳統拉伸潛變，Impression Creep Test 不會有第三階段拉伸破斷的發生，此外隨著壓力增大及溫度上 升，所有詴片的潛變速率都有增加的趨勢。
表 4-4 為不同道次合金在相同條件下之潛變速率，如表所示，合金在 經過一次擠型之 N=1 的詴片有最低的潛變速率，第二低則是鑄態合金，經 過兩道次擠型之 N=2 的詴片潛變速率又開始上升，抗潛變能力變得比未擠 型之詴片還要差，而 N=4 的詴片潛變速率最快，有最差的抗潛變能力，圖 4-13 即為合金在 200℃、350MPa 條件下的潛變速率隨道次變化的示意圖，
這樣的趨勢在各條件之下皆成立，為了瞭解這樣的趨勢，我們進一步算出 們尚須考慮到潛變的啟動應力( threshold stress )，將上述之圖外插到 潛變速率 10-10(1/s)所得之力即為啟動應力，其數值如表 4-5 所示，將啟 動應力扣除後，得到修正後的 n 值，如圖 4-18 至 4-21 所示，鑄態詴片 n=7.7，
一道次擠型詴片 n=6.9，二道次擠型詴片 n=6.4，四道次擠型詴片 n=5.6，
可以看出隨著擠型道次的增加，晶粒尺寸變小，應力指數有下降的趨勢，
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這和文獻中所指出，在高應力區(σ/E=0.001~0.01)，隨著晶粒尺寸變小，
鎂合金的應力指數也會如圖 2-6[18]所示，從 power-law breakdown 區域 (n≧7)，趨向 Grain Boundary Sliding 區域(n=2)的趨勢吻合，但就算拿 應力指數最低的 N=4 詴片來看，其 n 值 5.6 也和文獻所提 n=2 有段差距，
根據另一份文獻指出，合金經由 ECAE 後，會產生 bimodal 現象，即晶粒 尺寸並不是常態分佈，其推測合金之 n 值受到這樣的現象影響，須考慮大 小晶粒分別對 n 值的貢獻[24]，而根據 Watanabe 等人所做的實驗證明了 存在一 critical grain size dc，大於此 grain size，則材料擴散機制為 lattice diffusion，小於此 grain size，則擴散機制轉為 grain boundary diffusion[23]，考慮 bimodal 效應，以 50μm 為界，分為大小晶粒，大 晶粒假設其對 n 值的貢獻為 7.7(同鑄態詴片之 n 值)，小晶粒對 n 值貢獻 breakdown 轉變為 Grain Boundary Sliding，因此材料的抗潛變性質才會 隨著擠型道次增加，晶界的增多而下降。
接下來用溫度倒數和潛變速率對數做圖，如圖 4-22 和 4-23 所示，求 得鑄態和 N=4 合金之活化能，經過 ECAE 製程後，從鑄態的 148.2KJ/mol，
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下降到 N=4 的 94.3KJ/mol，前者較純鎂自體擴散活化能(135KJ/mol)來的 高，正是典型 power-law breakdown 的特徵，此時合金的變型由差排的滑 移(glide)轉變為差排的爬升 (climb)，也有一說指出此現象是由於回復 (recovery)所造成[16]，後者接近純鎂的晶界擴散能(92KJ/mol)，這也印 證了前段所述 ECAE 對於潛變機制的影響，由於晶粒細化，使得變形機制 趨向 Grain Boundary Sliding 區域的結論，活化能的改變也可以從另一 方面來探討，圖 2-7[23]說明了在一定溫度下，存在一 critical grain size，
根據前面實驗討論在本實驗此一 grain size 為 50μm，介於本實驗鑄態和 N=4 的晶粒尺寸中間，擴散機制因而由差排滑移主導轉為 grain boundary diffusion 所主導，活化能因此而產生改變。
從上述機制的轉變便可以清楚解釋不同道次間抗潛變性質的差異，
而此時合金變型的機制開始往 Grain Boundary Sliding 移動，此時晶粒 細化對於潛變所帶來的好處已經趕不上晶界數量變多所帶來的壞處，所以 從 N=2 開始，抗潛變性質開始變差。
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更進一步擠型到四道，此時平均粒徑已經小於 10μm，50μm 以下的 小晶粒已經佔了整體的 72%以上，Grain Boundary Sliding 的效應更加明 顯，因此 N=4 具有最差的抗潛變性質。
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表 4-1 EDS 的成分重量百分比與原子百分比
Element Weight% Atomic%Mg 93.75 98.29
Sn 5.36 0.011
Ca 0.89 5.6E-3
Total 100.00
表 4-2 經過不同道次後之合金密度
N(道次) 0 1 2 4
密度(g/cm3) 1.89 2.01 2.02 2.02
表 4-3 經過不同道次合金之孔隙率
N(道次) 0 1 2 4
孔隙率(%) 6.9 0.9 0.5 0.5
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表 4-4 不同道次鎂合金在 200 度下，不同應力所對應之潛變速率
Nstress
0 1 2 4
325MPa 3.11E-4 3.03E-4 5.58E-4 9.95E-4 350MPa 6.3E-4 5.4E-4 9.41E-4 1.24E-3 375MPa 1.22E-3 9.4E-4 1.55E-3 2.34E-3
單位：1/s
表 4-5 不同道次鎂合金對應之啟動應力
N(道次) 0 1 2 4
σ0啟動應力 (MPa)
68.5 51.1 37.6 22.8
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圖 4-1 鑄態鎂合金 XRD 圖
30
(a)
(b)
圖 4-2 鑄態金相圖(a)低倍率(b)高倍率。
31
(a)
(b)
圖 4-3 N=1 的金相圖(a)低倍率(b)高倍率。
32
(a)
(b)
圖 4-4 N=2 的金相圖(a)低倍率(b)高倍率。
33
(a)
(b)
圖 4-5 N=4 的金相圖(a)低倍率(b)高倍率。
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圖 4-6 孔隙率隨擠型道次變化圖。
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5
道次
孔隙率(%)
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(a)
(b)
36
(c)
(d)
圖 4-7 合金晶粒分佈圖(a)鑄態(b)N=1(c)N=2(d)N=4。
37
(a)
(b)
38
(c)
(d)
圖 4-8 合金析出物尺寸分佈圖(a)鑄態(b)N=1(c)N=2(d)N=4。
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圖 4-9 鑄態合金在 200℃下潛變測詴之應變-時間圖。
圖 4-10 N=1 合金在 200℃下潛變測詴之應變-時間圖。
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圖 4-11 N=2 合金在 200℃下潛變測詴之應變-時間圖。
圖 4-12 N=4 合金在 200℃下潛變測詴之應變-時間圖。
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圖 4-13 不同道次鎂合金所對應之潛變速率示意圖。
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0.00195 0.002 0.00205 0.0021 0.00215 0.0022 0.00225
1/T(1/K)
0.00195 0.002 0.00205 0.0021 0.00215 0.0022 0.00225
1/T(1/K)
ln(c reep rat e) N=4
Q=94.3kJ/mol
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