2-1 鎂合金簡介
鎂金屬在地殼中含量約2.5%，為地表所含第八大豐富元素，其製造始 於西元1808年。鎂（Magnesium，Mg）呈銀白色，其結晶結構為六方緊密 堆積（HCP），比重為1.74g/cm3，熔點為650°C，沸點約1107°C，比熱為 0.25cal/g°C，熔解潛熱為89cal/g，於週期表中屬於2A 鹼土族，原子序為12，
原子量為24.32。
塑膠佳，尤其是相同抗力下厚度僅塑膠的1/3。 理工學院 Flemings教授實驗室在對錫-鉛合金做熱裂處理研究時發現，當金 屬在凝固的過程中給予連續的攪拌動作，會把剛生成的樹枝狀結構破壞成 球狀結構，也因為有這種微結構上的改變，所以使黏漿的視黏度降低許多，
如圖2-2所示[5]。所以他們建構一個高溫同心圓柱黏度計，将熔融的錫-鉛合
在1976 年時Joly等人[6]發現即使當固相率（solid fraction）達到60％，
在較大的剪應力作用下仍然可得到跟機油差不多的黏滯係數，這個特殊的
驗的發現而發展出新的成型製造技術：半固態成形 （semi-solid forming） 。 狀晶的機制，Flemings歸納為三種說法：[7]
1. 樹枝狀晶臂受剪應力作用而斷裂，但對於剛生成的樹枝狀晶臂，其
2-3 半固態胚料製造
2-3-1 半固態黏漿製造法
半固態金屬成形技術的要點在固、液相混合的金屬或合金進入成形模 具之前，必須先將樹枝狀晶支解為具有近等軸的球狀晶微結構，這樣半固 態黏漿在成形時才能獲得較佳的流動性。而半固態黏漿製造法，主要可分 為下列七型：凝固擾動法（agitation during solidification），應變導引熔漿活 化法（Strain-Induced Melt Activation，簡稱SIMA），粉末預型部分熔融法
（partial melting of powder preforms），噴霧沈積材料部分熔融法（partial melting of spray-deposit materials），脈衝放電法（electric-pulse discharge），
液相鑄造法（liquidus casting），以及化學晶粒細化法，分別敘述如下：
（1）凝固擾動法
由於此法需將材料熔融後，在施以剪切的條件下逐漸冷卻，因此較適 用於液相線較低的金屬材料。擾動之效果可藉由以下種方法達成：機械攪 動、電磁攪動、震動及被動攪動。依次說明如下
1. 機械攪動
1971年MIT之Flemings 研究小組用來量測錫鉛合金流變性的同軸筒，
即為機械攪拌法之最早應用。之後的研究者，則設計出了各種攪拌器轉子 的形狀，如打蛋式、螺旋槳式等（圖2-4[7]）。機械式攪拌主要就是對半固 態黏漿直接施予剪應力，將形成的樹枝狀晶剪切破碎。這種方法的缺點是，
攪拌的過程中，激烈的攪動常導致轉子在熔融的金屬中快速磨耗或沖蝕，
且碎渣會滲入材料中形成雜質；有時攪動所產生的漩渦也可能會將氣體給 捲入。
2. 電磁攪動（Electromagnetic Stirring，EMS）
電磁攪拌是將電場與磁場交感產生的磁流力（magneto-hydrodynamic， 合及除氣，而其效果隨震動頻率、強度及介質中的靜水壓力（hydrostatic pressure）而有不同；另外，雜質、容器共振頻率、施加震動的方法等亦有 影響。在實驗上已證實使用超音波震動冷卻中的熔湯，能有效地產生具有
非樹枝狀顯微結構的材料。
噴覆鑄造法為非攪動製程，高壓惰性氣體迫使將熔融金屬液通過噴
粒樹枝化的程度也會比較小。另外在合金中添加異質成核劑，可確保在低
外，固相結晶形態及其均勻度對半固態成形影響很大，以下是影響要因之
2-4 應變導引熔漿活化法
在1983年，美國的 K.P.Young 發明了應變導引熔漿活化法，此法之溫 度變化如圖2-7所示。此製程之步驟為：先在再結晶溫度以上將材料進行擠
便不明顯；若回復容易發生的話，材料則會選擇以回復過程釋放多餘的能 消或者是差排重新排列形成一個較低能量的狀態，將過多的儲存能〈stored energy〉釋放出來。
2-5-2 再結晶
愈細小，因而後續產生的次晶粒核相對的也愈細，利用提高塑性變形的應
近幾年，經由大量塑性變形（Severe Plastic Deformation, SPD）方法產
生超細晶粒，一直是材料科學界關注的焦點。Valiev 等人[12]認為一個產生 超細晶粒好的大量塑性變形法應該具備下列三個條件：
1. 可以產生擁有高角度晶界（high angle grain boundaries）的超細晶
粒。這是最重要的一點，因為只有擁有高角度晶界的超細晶粒，材 料的性質才會有定性上的改變。
2. 超細晶粒需均勻的在試體中形成。如此，材料的性質才會較穩定。
3. 在經由大量變形後，試體不可以被損傷或裂開。
在低溫，利用傳統大量變形，人們可以明顯的改良金屬材料的微結構 及性質；但是卻無法滿足上述的條件。而且，這些傳統的方法在變形量很 大的時候，材料的尺寸（尤其是厚度）會被嚴重的限制。
為了改善這些缺點，有些較特殊的大量塑性變形方法就被開發出來，
一般在文獻中常引起注意的方式如：高壓扭轉變形（High Pressure Torsion，
HPT）[12]、等徑轉角擠製（Equal Channel Angular Extrusion，ECAE）[12]、
循環壓縮（Cyclic Channel Die Compression，CCDC）、往復擠型（reciprocal extrusion）[13]、高擠型比擠型（high extrusion ratio extrusion）[14]、累積滾 壓（Accumulative Roll Bonding，ARB）[15]、多道次鍛壓（multi-forging）
[12]、反折曲伸直強化法（Repetitive Corrugation and Straightening，RCS）
[16]。 一步的被提出應用在 SPD，用來產生具有次微米晶粒結構（submicron grain）
和奈米晶粒結構（nanometric grain）的金屬材料[12]。
ECAE是利用一個模具（die），有兩個截面相同的孔徑通道，以Φ角度
相交，而其相交處的外側弧角為Ψ，如圖2-11。試件大小約與通道的大小相 同，將材料從模具上方的通道放入，經由壓桿（plunger）的擠壓，經過轉 角變形後進入另一通道。材料在經轉角時，會受到一剪變形（simple shear）
[17]，因而得到很大的剪應變（shear strain），同時也維持棒材的橫斷面積 不變。
在ECAE的加工過程中，棒材在每一道擠製完成之後，以棒材的長軸為
旋轉軸，旋轉某個角度再進行下一道的擠製，此一步驟稱為加工路徑
（route）。不同的加工路徑會得到不同的變形組織。Segal [17]與 Iwahashi 等 人[18]將路徑分為：路徑A（route A）、路徑B（route B）及路徑C（route C）。
Furukawa [19]更進一步把路徑B 細分為路徑BA、路徑BC。各路徑不同的旋
循環壓縮的示意圖如圖2-12所示，為ESI（Erich Schmid Institute）所發 展出來的一種大量塑性變形法，為傳統通道模具壓縮製程（channel die
compression process）[20][21]的一種變形應用。
透過上方沖頭施力壓縮試片，金屬的流動會與通道方向平行，又如果 讓試片高度與模具寬度相等的話，則壓縮前後試片的幾何形狀大致上將會 相等。如此我們只要每次壓完垂直轉90°，即可重複進行壓縮，試片可累積 大量的應變。而依照轉的角度的不同，可以分為兩種路徑。route I 是垂直 旋轉90°；route II 是垂直轉90°後再延橫向轉90°，詳細的圖示可參考圖2-13。
2-7 結合大量塑性變形法與應變導引熔漿活化法之顯微組織
Jufu Jiang[22]利用等徑轉角擠製的方法製備AZ91D的半固態胚料，發現 對鎂合金在半固態時的晶粒組織有很好的球化與細化效果，當加熱溫度和 持溫時間固定時，隨著擠壓次數的增加，即胚料獲得更多的應變量，半固 態溫度下的晶粒尺寸減小，同時球化的效果也更好。另外用此法製備的胚 料進行觸變鑄造後的成品，在拉伸強度與伸長率上比傳統SIMA法所得到的 成品都有明顯提昇。
Young Buem Song[23]利用多道次鍛壓（multi-forging）來取代SIMA法
的冷加工段，材料為鋁合金7175，發現同樣溫度下，利用多道次鍛壓持溫
良好的機械性質。鍛造加工的目的有二[25]，其一為鍛鍊：破壞粗大鑄造組
織，使之細粒化，並使胚料內的空隙壓著，並隨著流動變形而形成機械性 纖維化的組織-鍛流線（forging flow line）如圖2-14所示，以提高韌性、強 度等機械性質；其二是成形：將胚料鍛成具有連續鍛流線的各種製品形狀。
加熱溫度在再結晶溫度以下室溫以上而鍛造者，簡稱為溫鍛。係工作
又稱模鍛，係將金屬胚料置於具有三維空間模穴內，使上下模密合而
4. 金屬以流動方式成形，因此更能節省材料，降低成本。
至可察覺的程度。
2. 應力分佈：一般材料破裂是由張應力與剪應力所造成，若材料內部
應力分佈較均勻者，由於能得到較均勻的金屬流動，應力分佈較均 勻，可鍛性較佳。
可鍛性的評斷方法有很多[26][27]，包括鍛粗（upsetting）、軋延（rolling）
及彎曲成形（bending）或平面應變測試（plane strain test）等。這幾種方法 皆是以自由表面破裂處的應變狀態，作為判斷是否會產生破壞的標準。不 同的試驗方法，試件之自由表面破裂處應變方向會有所不同，鍛粗時張應 變方向為軸向，壓應變方向為環向；平面應變測試時則僅於軸向受張應變，
並未有壓應變作用，如圖2-17 所示[26]。考量實驗的便利性，圓柱鍛粗試 驗已經成為可鍛性測試的標準方法[28]。
表2- 1 鎂合金命名方式 X1－尚未在 ASTM 登記的合金
表2- 2 等徑轉角擠製不同路徑下的旋轉角度
圖 2- 1 （a）為樹枝狀晶（b）為球狀晶
圖2- 2 在不同剪力率下冷卻之錫鉛合金視黏度與固相率關係圖[5]
圖2- 3 半固態的流動行為機制
圖2- 4 機械式攪拌[7]
圖2- 5 電磁攪拌[7]
圖 2- 6 電磁攪拌線圈排列形式[8]（a）水平式 （b）垂直式
圖2- 7 典型 SIMA 製程的示意圖[9]
圖 2- 8 噴覆成形裝置示意題
圖2- 9 動態再結晶過程
圖2- 10 幾何動態再結晶過程，（a）低應變 （b）高應變所產生的次晶粒
圖 2- 11 等徑轉角擠製示意圖
圖2- 12 循環壓縮示意圖
圖2- 13 循環壓縮不同路徑示意圖
圖 2- 14 鍛造所形成的鍛鍊效果
圖2- 15 鍛造的分類
圖2- 16 開模鍛造與閉模鍛造
圖2- 17 可鍛性實驗應力方向示意圖