第二章 文獻回顧
2-1 鎂合金 (Magnesium Alloys)
2-1-1 鎂合金的簡介
鎂合金是在 1909 年，由德國 I. G. Farben Industrie A. G.的 G.
Elektron 創製，為著名的 Elektron 合金，為 Mg-Al-Zn 系列或 Mg-Mn 系 列合金，但由於鎂本身的化學活性很高，鑄造時條件不易掌控，在純度和
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5 為了能夠析出高熔點之 CaMgSn 相(910℃)，更進一步的強化合金的高溫抗 潛變能力，使得 Mg-Sn-Ca 系列合金甚至能夠和添加稀土元素的 AE 系列相 比較[9]。
2-2 等通道轉角擠型(Equal Channel Angular Extrusion)
傳統上藉由大量應變細化晶粒改善金屬材料機械性質的方法有很多，
6 (
dynamic recrystallization
)，動態再結晶，顧名思義是在材料加工過程中所 產生的再結晶現象，動態再結晶為一需經過成核及成長的現象，為了降低 差排在材料內部所累積的能量，在晶界、變形帶、雙晶等應變能較大的地 方發生動態再結晶現象，產生細小的晶粒，使附近差排密度大幅下降，並 達到晶粒細化的目的。2-4 鎂合金的潛變
2-4-1 潛變[17,18]及 Impression Creep Test[19]
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材料在一定溫度及小於降伏強度的條件下，緩慢產生變形，稱為潛變。
潛變通常分為三個階段，如圖 2-4[17]所示，第一階段應變速率隨著時間 增加接著進入第二階段，此時應變速率成一定值，材料處在 steady state，
此時的應變速率稱為最小潛變速率(creep rate)，一般判定材料抗潛變性 為絕對溫度，R 為理想氣體常數，n 為應力指數(stress exponent) ，σ 為施加的應力。最後進入第三階段，此時潛變速率急速上升，最後詴片會 被破壞。
而 Impression Creep Test 有別於一般以拉伸應力進行潛變測詴的實 驗，而是以一已知截面積之柱狀衝頭對材料施加固定壓力一定時間，以衝 頭移動之速率來判斷材料之抗潛變性質，如圖 2-5 所示，然而此種方法與 傳統的 Tensile Creep Test 間有下列參數需要做修正[19]
(a)
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上三個半經驗公式，我們可以知道在 Impression Creep Test 的實驗中，
我們把衝頭移動的速度除以衝頭的直徑當作所謂的潛變速率。
作法是將應力和潛變速率都取log作圖，並將其外插到潛變速率為10-10(1/s) 時所對應到的應力當為啟動應力σ0
[22]，在引入啟動應力後，潛變速率
9 breakdown 區域移向 Grain Boundary Sliding 區域，所謂的 Power-law breakdown 指得是當應力大到某種程度時，材料不再遵循一般的 Power-law 公式，此時應力主導了材料的潛變機制，使得差排可以自由滑動[16]，GBS 區指的是應力驅使所產生的空孔在晶界上發生作用，使得晶界軟化並發生 滑移的現象[19]。
晶粒的大小也會影響材料在變形時主導擴散的機制，常見的擴散機制 有 lattice diffusion、grain boundary diffusion 以及 pipe diffusion，
lattice diffusion 和 grain boundary diffusion，顧名思義即是發生在 晶格內部和晶界上的擴散，由於晶界相較於晶格內部結構較為鬆散，因此 擴散所需克服的 energy barrier 較低，而 pipe diffusion 則是一種透由 edge dislocation 所發生的擴散行為，和晶界擴散的道理一樣，差排附近 有較多的空間讓原子進行擴散，因此 pipe diffusion 的 energy barrier 也較 lattice diffusion 來的低，一般來說，決定擴散機制最重要的因素 是溫度，溫度高時傾向進行 lattice diffusion，溫度低時傾向 grain boundary 和 pipe diffusion，但圖 2-7[23]指出，對於鎂合金來說，晶粒 尺寸也會影響主導合金擴散的機制，在固定溫度下，存在一晶粒尺寸 dc(critical grain size)，當鎂合金晶粒大於 dc，此時主導擴散的機制為 lattice diffusion，當合金晶粒小於 dc，為 grain boundary diffusion 主導[23]。
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表 2-1 鎂合金常見的添加元素[2]
AM Magnesium-Aluminum-Manganese without Zinc 鎂鋁錳 AZ, ZA Magnesium-Aluminum-Manganese with Zinc 鎂鋁錳鋅 K Magnesium-Zirconium 鎂鋯 ZK Magnesium-Zinc- Zirconium without Rare
Earths
鎂鋅鋯 ZE, EZ Magnesium-Zinc- Zirconium with Rare Earths 鎂鋅鋯稀土 HK Magnesium-Thorium- Zirconium without Zinc 鎂釷鋯 HZ, ZH Magnesium-Thorium- Zirconium with Zinc 鎂釷鋯鋅 QE Magnesium-Silver- Zirconium with Rare Earths 鎂銀鋯稀土 QH Magnesium-Silver- Zirconium without Rare
Earths
鎂銀鋯 WE Magnesium-Yttrium-Rare Earth- Zirconium 鎂釔稀土鋯 ZC Magnesium-Zinc-Copper- Manganese 鎂鋅銅錳
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表 2-2
各種含鋁鎂合金潛變研究[20]12
圖 2-1 Mg-Zn-Al 三元相圖[6]。
圖 2-2 等通道轉角擠型模具示意圖[10]。
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圖 2-3 不同擠型路徑對單位元素變形之影響[12]。
圖 2-4 材料潛變的三個階段[17]。
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圖 2-5 Impression Creep Test 示意圖。
圖 2-6 在 T=573K 下，鎂合金晶力及應力大小對於鎂合金潛變機制的
影響[18]。
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圖 2-7 AZ61 鎂合金溫度及晶粒尺寸對擴散機制的影響。[23]
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