晶粒尺寸

當原始鑄錠經過擠型過程會使晶粒產生細化的現象，此乃是因為動態再結晶機制作 用，主要是材料在某一高溫中進行加工，使其具有大量的塑性變形產生差排，而差排的 重新排列或直接再結晶，產生一些無應變的晶粒，使材料產生晶粒細化的效果，而通常 鎂合金動態再結晶溫度約 0.5-0.7 T_m (250 °C-400 °C)。

從圖 3-1 及 3-2 為巨觀原始鑄錠及原始鑄錠 OM 圖，可從中得知其晶粒尺寸為 75 µm，當原始鑄錠經 17:1 擠型後，從圖 3-3 量測晶粒尺寸為 2.7 µm，列於表 3-1 中比較 可見經擠型具有晶粒細化的現象，但仍可發現有明顯的大晶粒在其中，可知經由上述動 態再結晶產生晶粒細化的效果。但發現具有大晶粒存在，應是擠型比太小導致儲存能 (stored energy)及趨動力(driving force)太小致使動態再結晶的現象不完全，若要增加晶粒 細化的效果有三個方法：一、增加加工應變(應力)速率，二、降低加工溫度但需高於再 結晶溫度，三、增加擠型比。而固溶母材經擠型後其晶粒尺寸為 6.8 µm 如圖 3-4 所示，

應是 AZ61 鎂合金經由固溶處理導致β相溶回鎂裡，再經擠型後晶粒經由動態再結晶產 生細化，但由於β相消減致使晶粒成長容易，所以具有較大及等徑的晶粒尺寸。

本研究添加強化物的複材經 17:1 擠型後，也可觀察到晶粒細化的現象。對於鑄造 複材而言，從圖 3-5 至 3-8 中可知當強化相添加 1 vol%及 3 vol%則平均晶粒分別為 4.1 µm 及 2.9 µm，如表 3-1，所以可明顯得知經由添加強化物對於晶粒細化有所幫助。在文獻 上當複材在鑄造時通常會利用機械攪拌[24]或超音波震盪[38]等物理性的分散，而本研 究為了達到強化物分散致使晶粒細化目的，在鑄造時由於坩堝尺寸的限制及達到強化物

分散的目的，分別經由鑄造得到鑄錠，再將所鑄錠表面研磨、推疊後經擠型以利強化物 分散。目標是使之均為小團聚且均勻分散，達到普遍細化的效果。所以對於鑄造而言，

當強化物分散不均對於晶粒細化有不良的影響，所以鑄造複材的首要改善步驟為增加強 化物的分散效果。

針對粉末複材而言，其SiO2含量為 1%及 5%，由於AZ61 合金粉的尺寸範圍約 50~300 µm，而強化物的顆粒尺寸為 25~35 nm時，如圖 3-9~3-12 所示。可從中發現粉末複材OM 圖較鑄造複材OM圖有明顯的黑色區域，無法利用OM作出判斷，將在下節利用SEM作進 一步分析。當母材與強化物粒徑差異太大時將會很容易產生強化物聚集，且由於AZ61 鎂合金粉的顆粒較一般常用於粉末燒結的金屬粉末要來的大，同時在經由 430 °C的燒結 後，會造成晶粒的成長，因此燒結後晶粒尺寸變大。且在擠型時由於擠型比較低，所以 晶粒的細化效果不佳，晶粒尺寸較經由擠型處理的母材大，當SiO2含量為 1%及 5%則平 均粒徑分別為 3.8 µm及 4.7 µm如表 3-1，僅可在強化物團聚處邊緣，如圖 3-11 所示，觀 察到具有細小的晶粒，可知團聚會阻礙晶粒成長，但卻無法產生整體普遍晶粒細化的效 果。由此看來，如欲得到晶粒有效細化的高性能粉末複材，首要改善步驟乃是使用更小 尺寸，甚至奈米級AZ61 合金粉，必有助於改善強化物嚴重團聚的現象。

至於在噴覆複材方面，其SiO2含量僅為 0.2%，其所得之晶粒尺寸反而相對其他兩製 程而言是較小的見圖 3-13 與 3-14，平均粒徑為 3.2 µm且晶粒尺寸相當一致，沒有明顯 大晶粒的存在，這對 3.2.4 節所提之機械性質有所影響。在其製程上圓胚錠的製造確有 相當程度的困難；本研究中僅製造出此圓胚錠，至於其他體積分率圓胚錠的生產，在技 術上面臨相當大的考驗；因為該強化相，SiO2，與熔融狀態之鎂合金在該噴覆成型設備 中之坩堝內容易產生反應(該反應敘述於 3.1.2.2 節)，同時造成細微的奈米及粉粒在坩堝 內激烈飄散，容易將坩堝內精細設計的裝置覆蓋，導致該裝置在控制上需要再進行細微 的調校。因此本研究中僅製作出含量較少的噴覆複材，用以進行本研究計畫中的各項試 驗；未來此項狀況可在經由更詳細的儀器調校後方可解決，但目前礙於技術上問題的有

待突破，因此僅提出含 0.2 vol% SiO₂之AZ61 鎂合金複合材料，使用於本論文中的測試 以及分析。

3.1.2 強化物的分散情形

3.1.2.1 SEM 觀察

本研究的目標著重於添加奈米粉末對於機械性質的影響。若要使得材料具備有良好 的性質，則奈米粉末是否良好分散，對於材料性質有相當大的影響。本研究一開始即將 添加了強化物的試片研磨、拋光，並經腐蝕過後，經由SEM觀察奈米粉末及β相分散情 況。如圖 3-15 所示，可發現有不少分散均勻的白色顆粒分佈在試片上，且經由EDS成份 分析亦可發現此相具有較高成份的Al，推測白色顆粒應是AZ61 的β相(Mg17Al₁₂)，且平 均尺寸約在 3-4 µm，這乃是由於AZ61 鎂合金為一種同時擁有固溶強化及析出強化性質 的材料，所以當有β相均勻析出時，其實是有助於材料強度的提昇的。而當經過固溶處 理則其強化物會固溶回去，導致析出物的減少如圖 3-16 所示。

各複材之 SEM 觀察如圖 3-17~3-19，對於複材經由 SEM 觀察這些照片發現，有些 地方似乎是材料中難以腐蝕的地方。各種複材中粉末複材具有較大的區域 5~10 µm，其 它複材區域均小於 3 µm。且難以從圖 3-17~3-19 之 SEI 比較出材料中的β相及強化物在 影像上有何不同，因此便再對各種複材作 BEI 及成份分析。

對於鑄造複材而言，並無法從圖 3-20 與 3-21 中發現β相及強化物之差異，因此進行 EDS成分分析可從圖 3-22 中發現有些白色顆粒團聚區域有明顯矽的存在，而粉末複材如 圖 3-23~3-25 及噴覆複材如圖 3-26~3-28 均如此分析，其中以粉末複材中矽具有明顯的 不均勻分佈，而噴覆複材的分佈較為均勻。所以經由EDS分析可知這些團聚的白色顆粒 應為SiO2，當隨著SiO2含量的增加則團聚的越明顯。如對於粉末複添如圖 3-23 與其OM

圖 3-9 比較，可知SiO₂團聚處便是OM圖中無法看到晶界之黑色區域，兩者區域尺寸差 不多。

綜合上述的觀察結果中，可在此針對這樣的結構現象，做一些合理的推斷；對於鑄 造複材試片經成份分析可知，也具有團聚現象。可知複材在鑄造時若沒利用機械攪拌[24]

或超音波震盪[38]等物理性的分散，對於強化物將會產生局部聚集致使分散不均。

此外，對於粉末複材而言，不難發現在SEM中所觀察到的奈米粉末，傾向於局部大 量出現，這樣的現象乃是由於SiO₂奈米粉末不論在混粉或燒結過程當中，均是聚集在 該合金顆粒之間，且本研究又採用了大顆粒的AZ61 鎂合金粉末(50 µm ~ 300 µm)，因 此顆粒與顆粒之間的空隙便隨之增大，所以使得該SiO₂奈米粉末有大量團聚在顆粒間 的現象，故當該粉末複材經由擠型後，內部的奈米粉團容易被擠成帶狀，而再經由腐 蝕這些地方時又發現相當難以腐蝕乾靜，此乃由於該區域因為具有不同的相所致，因 此產生了圖中的現象，整個區域變成帶狀分散狀況。而噴複複材其製程本身具有均勻 分散性所以SiO₂斷面成份分析分佈相當均勻。

3.1.2.2 TEM 觀察

本研究中所採用之 TEM 試片主要是選擇粉末複材來做觀測;其考量乃是由於粉末 冶金的燒結溫度在 430 °C，均低於其他兩項製程的溫度，因此在本材料中所觀察到的現 象，理當在鑄造複材以及噴覆複材試片中也會產生。

圖 3-29 是本研究中針對粉末複材所進行的一系列TEM分析。在本分析中所觀察到 的影像，如圖 3-29(a)，大致上可分為三大部分來個別觀察；首先在薄區內可發現有數十 至數奈米的晶粒，經由傾斜試片角度可知部份的晶粒並無對比變化，因此斷定這些晶粒 是屬於非晶質結構，且應為所添加的強化物SiO2，因為該材料內部僅有SiO2具有非晶質

結構。圖 3-29(b)乃是對某一晶粒作選區繞射，其結果顯示，有明顯的繞射點，還有ring partten，以及些微霧狀的背景存在，因此判斷其中同時有多晶、奈米晶粒及非晶質結構 的存在，排除了非晶質結構為前述的SiO₂所貢獻外，上述的奈米晶粒應當是經由強化物 與母材的反應產生。根據一般常見的置換反應以及合成反應來看，強化物與母材之間的 反應有下列兩種：

MgO Si

SiO

Mg 2

2 +

→ +

Si Mg Si

Mg 2

2 + →

首先鎂會與SiO₂產生置換現象，因而生成MgO，而Si卻在此反應中被置換出來，後來又 跟Mg反應生成Mg2Si。所以在整個材料之中，除了原有的Mg, SiO2, Mg17Al12等相外，亦 有可能產生MgO及Mg₂Si這兩種相，所以當強化物與鎂發生反應產生MgO，可預期是這 些MgO與SiO2應同樣均屬於奈米級的顆粒。

而當對這些奈米級的顆粒做選區繞射可得到具有結晶及奈米晶粒的繞射圖，如圖 3-29(c)所示，可確定這些奈米顆粒不是非晶質結構，所以應是由強化物與鎂反應產生因 此斷定應該為MgO。而反應後所產生的矽又會與鎂反應成Mg₂Si，同時容易聚集且成長，

進而變為較大晶粒，此一現象可從圖 3-30 發現，該圖為試片中發現之大型晶粒，且經 過EDS分析可知其成分比例相近於Mg₂Si，其現象與前述觀念相當符合，因此可確認有 Mg2Si的存在且經由XRD分析亦可發現的確有Mg2Si的結構存在(詳見下節)，故亦可證明 本文當中所做的推論是相當合理的。經由以上結果的佐證確認了粉末複材會有相變化的 產生，確定有Mg2Si且屬於大尺寸晶粒的產生，再根據質量守恆及上述奈米晶粒應為(19) 式中的置換反應產生，所以可推斷出該奈米級顆粒應是MgO。

3.1.2.3 X 光繞射分析結果