影響裂孔化的因素

對於超塑性變形會發生裂孔化的情形，以下將針對材料內在的本質因素與 外在的環境因素，從這兩種不同的角度去探討種種變因如何去影響到超塑性材料 在變形時裂孔化情形。

1.5.1 材料的內在本質因素

1.5.1.1 二次相(Hard second phases)

Bae 與 Ghosh[40]在 Al-Mg-Mn-Cu的鋁合金中發現到預先存在顆粒與母材介 面(particle- matrix interface)的小缺陷(defects)，在超塑性變形的初期時，會以類似 裂紋(crack- like)的方式生長，隨著更進一步應變，會導致裂孔與顆粒完全的打斷 鍵結(debonding)。另外也提到二次相顆粒越大以及介面之間的缺陷越大，越容易 隨著應變的增加而快速的使裂孔在介面周圍成形。Ghosh 等人[41]認為這種在介 面周圍的缺陷能進一步發展成裂孔，可能是因為在變形時，這些缺陷的周圍會產 生應力過度集中，進而使這些缺陷更進一步藉由塑性成長產生裂孔。

1.5.1.2 晶粒的大小與形狀

Lombard 等人[42]針對 Ti-45.5Al-2Cr-2Nb 的合金，以只在 1254

^o

C 經過熱壓 延，與接著在 1177

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C 下和 1238

^o

C 下熱處理個別處理 4 小時與 2 小時，其晶粒尺

寸的大小列在表 1-2。只經過壓延沒有熱處理的材料有著較好的超塑性，且有著 較低的裂孔體積成長參數η，相對地，經過熱處理的材料，存在著較高的裂孔體 積成長參數η。另外經過熱壓延的材料在變形時所發展出來的大尺寸裂孔數目，

也少於經過熱處理材料。這是由於只經過壓延的材料，相對於熱處理的材料有著 較小的晶粒，使得在變形過程中產生較低的流應力(flow stress)，從式(6)可以知 道較低的流應力較不容易使得裂孔塑性成長，且小晶粒的材料容易藉由擴散的過 程來緩和晶界周圍的應力集中處，進而使得在晶界應力集中處的裂孔成核與成長 能得到緩和的作用。

1.5.1.3 晶界特性(Grain boundary characteristics)

Kobayashi 等人[43]在 Al- Li 合金的超塑性變形過程中發現到，裂孔成核的 位置都優先地偏向晶界三交點的位置，且這些晶界至少都是兩個以上的高亂度晶 界(random grain boundaries)相連。他們並認為隨機晶界在超塑性變形扮演一個很 重要的角色，但這些高亂度晶界在變形時的相連性問題也是一個很重要的考量。

Hirata 與 Higashi[44]針對用粉末冶金法得到含有約 50%的低角度的 7475 鋁 合金，在超塑性變形時會藉由動態再結晶的方式改變晶界特性，從低角度晶界轉 變成高亂度的高角度晶界。觀察裂孔化很容易在高亂度的晶界上發生，相對的，

在低角度的晶界上就不容易發生。另外與一般用鑄造方式(ingot metallurgy, I/M) 且經過熱機處理的 7475 鋁合金比較，一般用鑄造法的 7475 鋁合金有較高的隨機 晶界，在超塑性變形時會得到較高的體積成長參數η，且裂孔的體積分率與裂孔 的尺寸也相對比用粉末法的7475鋁合金來的大。這種結果，Hirata 與 Higashi 認 為用鑄造法的方式在變形前就已經具有相當大比例的高亂度晶界，以致容易導致 裂孔化的情形發生。

1.5.1.4 液態相(Liquid phase)的存在

Iwasaki 等人[45]使用 Si

3

N

4p

/Al-Mg-Si 的複合材料，在稍微高於部分融化 (partial melting)的溫度 560

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C 下做超塑性變形測試，實驗結果顯示顯示大於 2 µm 的裂孔相當的少，大部分的裂孔都小於 1 µm，且裂孔的成長速率是明顯的下降。

這種裂孔化受到限制，主要是因為在變形過程中，造成在強化物(reinforcements) 周圍的應力集中處，可以藉由液態相的存在來作為這些應力集中的調適機制 (accommodation helper mechanism)，更進一步抑制裂孔的成長。

Iwasaki 等人[46]也使用 AA 7475 鋁合金在低於部分融化的溫度 500

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C 與稍 微高於部分融化的溫度 533

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C 兩種溫度下作超塑性變形，實驗的結果顯示 533

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C 下的裂孔成長率較低於 500

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C 的裂孔成長率，並認為裂孔成長率會受到抑制，主 要是因為有少量的液態相存在。這些液態相的存在能做為在應力集中處的緩和作 用。

1.5.2 外在的環境因素

1.5.2.1 靜液壓的影響(Effect of hydrostatic pressure)

Pilling 與 Ridley[47]在超塑性鋁合金的拉伸測試試驗中，將試片放入一個容 器中並通入惰性氣體，使試片的周圍高於一大氣壓，其示意圖如圖 1-12。隨著通 入的氣體壓力越高，超塑性變形所產生的裂孔體積分率與裂孔大小也隨之越小，

其中能明顯的減小在超塑性變形所產生的裂孔化的傷害，必須通入氣體壓力高達 流應力(flow stress)的一半。

Bampton 等人[48]在細晶的 7475 鋁合金超塑性變形，通入氣體使試片周圍

高於一大氣壓。實驗結果顯示，在靜液壓狀態下的試片，其變形時的超塑性流特 徵，如流應力與應變速率敏感係數 m 值等，並不會受到靜液壓的液體影響。超 塑性的延展性(superplastic ductilities)與區域的破裂應變會隨著通入的氣體壓力 越高而增加，這是因為在變形時所產生的裂孔化情形被減少了，也就說裂孔化在 超塑性的最大破裂扮演了一個很重要的角色。

1.5.2.2 溫度與應變速率

增加變形時的溫度與減小應變速率能有效而減小變形時的流應力，從上述 的裂孔成核所需臨界尺寸式(4)，可以很明顯的看到，應力越小，成核所需的臨 界尺寸也就越大，這意謂著增加變形溫度與減小應變速率，能減少裂孔成核。在 低應變速率，將能夠有足夠的時間來緩和(relaxation)，因為晶界滑移導致在晶界 上所產生的應力集中，進而減少裂孔化的發生。另外較高的變形溫度，將使得擴 散過程能更容易發生，進而減少裂孔化的發生。關於增加變形溫度與減少應變速 率能減少裂孔化的發生，在許多學者的研究[26,40-42]都可以能清楚地看到。

在文檔中 鎂合金超塑變形之裂孔成核成長研究 (頁 33-36)