結論 - 國立中山大學材料科學研究所碩士論文

聚集，進而成長為較大晶粒，而從EDS分析可知其成分比例相近於Mg₂Si，因此印證X-ray確認有Mg2Si的存在。

（7）經由破壞韌性試驗後可得知試片的厚度不足以形成平面應變情況，但可由此R_sb推知添加奈米粉末的複材對其韌性會有減少的作用，若要求得平面應變得需增加厚度，經過估算厚度要變成 16 mm以上才有機會形成，且可知各製程破壞韌性均大約在 10~20 MPa．m^1/2之間，且印證經由強化物的添加會導致破壞韌性的降低，

且得知鑄造複材具有較多的孔隙率，導致其破壞韌性質屬於最低的。

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表 1-1 鎂合金的特色

鎂合金的特性說明

電磁波的屏障性鎂合金本身具有防電磁波干擾特性。

散熱特性

與大量使用的塑膠相比傳導率較好（熱傳係數 51 W/mK）。

輕量化

在常用的結構合金（鎂比重 1.7、鋁 2.7、鈦 4.5、

鋅 7.1、鐵 7.9、銅 8.9）中，是屬最輕者。

尺寸安定性

鎂合金不須作退火及應力消除，不致產生尺寸變形的問題。

可回收性

回收鎂合金於 650°C 左右可熔煉，再生所須之能量低，不致產生汙染物。

減振能力

鎂有極佳非彈性之吸收能量之能力，這種品質特性可提供振動吸收能力以保證設備無噪音。

耐衝擊性

單位重量下強度高，耐衝擊性佳，在相同抗力下厚度僅塑膠的 1/3。

剛性/重量比

這種特行使鎂合今具有抗彎性，相同剛性狀況，1 磅鎂之剛性相當於 1.8 磅之鋁或 2.1 磅之鋼。

表 1-2 鎂合金之主要元素代號[01]

A：鋁 M：錳

B：鉍 N：鎳

C：銅 P：鉛

D：鎘 Q：銀

E：稀土元素 R：鉻

F：鐵 S：矽

H：釷 T：錫

K：鋯 Z：鋅

L：鈹

表 1-3 加工處理代號之意涵[01]

加工代號代表意涵

F 經加工成型

0 經退火

H1 經應變硬化 H2 僅應變硬化

H3 應變硬化後經部分退火

W 經固溶處理

T 熱處理

T1 經高溫加工成型後自然（室溫）時效至相當安定之狀態 T2 經退火處理（僅適用於鑄件）

T3 經固溶處理後冷加工

T4 經固溶處理後自然時效至相當安定狀態 T5 經高溫加工成型後人工時效

T6 固溶處理後人工時效 T7 固溶處理後過時效處理

T8 固溶處理後冷加工及人工時效 T9 固溶處理及人工時效後再冷加工 T10 高溫加工成型及人工時效後再冷加工

表 1-4 各鎂合金之物理性質[02]

熔點

（°C）

線膨脹係數

熱傳導率

比熱電氣抵抗率加工

條件

密度

(室溫）固相點液相點 (10-6/K) at 20~200 °C

W/m．K at 20 °C

µO．cm at 20 °C Pure Mg

AZ31B,C AZ61A AZ63A AZ80A AZ80A AZ81A AZ91A AZ91C AZ91C AZ92A

F F F T4

F T5 T4 F T4 T6 T6

1.74 1.78 1.80 1.83 1.81 1.81 1.81 1.83 1.83 1.83 1.83

650 575 510 455 475 475 490 470 470 470 470

650 630 610 610 600 600 612 595 595 595 595

27.0 26.0 27.3

- 27.2 27.2

- 27.0 27.0 27.0 27.0

167 75 79 54 84 63 46 75 54 - 59

45 100 143 139 134 150 156 141 170 145 122

表 1-5 鎂的基本物理與機械性質[03]

表 1-6 各合金元素對鎂合金的影響[07]

Alloying element

Melting and casting behavior Mechanical and technological properties

Corrosion behavior I/M produced

Ag Improves elevated temperature tensile

and creep properties in the presence of rare earths

Detrimental influence on corrosion behavior

Al Improves castability, tendency to microporosity

Solid solution hardener, precipitation hardening at low temperatures (< 120

oC)

Minor influence

Be Significantly reduces oxidation of melt surface at very low concentrations (<

30 ppm), leads to coarse grains Ca Effective grain refining effect, slight

suppression of oxidation of the molten metal

Improve creep properties Detrimental influence on corrosion behavior

Cu System with easily forming metallic glasses, improves castability

Detrimental influence on corrosion behavior, limitation necessary Fe Magnesium hardly reacts with mild

steel crucibles

Detrimental influence on corrosion behavior, limitation necessary Li Increases evaporation and burning

behavior, melting only in protected and sealed furnaces

Solid solution and precipitation hardening at ambient temperatures, reduce density, enhances ductility

Decreases corrosion properties strongly, coating to protect from humidity is necessary

Mn Control of Fe content by precipitating Fe-Mn compound, refinement of precipitates

Increases creep resistivity Improves corrosion properties due to iron control effect\

Ni System with easily forming metallic glasses

Detrimental influence on corrosion behavior, limitation necessary Rare earth Improve castability, reduce

microporosity

Solid solution and precipitation hardening at ambient and elevated temperatures; improve elevated temperature tensile and creep properties

Improves corrosion behavior

Si Decreases castability, forms stable silicide compounds with many other alloying elements, compatible with Al, Zn, and Ag, weak grain refiner

Improve creep properties Detrimental influence

Th Suppresses microporosity Improves elevated temperature tensile and creep properties, improves ductilities, most efficient alloying element

Y Grain refining effect Improves elevated temperature tensile and creep properties

Improves corrosion behavior

Zn Increases Fluidity of the melt, weak grain refiner, tendency to

microporosity

Precipitation hardening, improves strength at ambient temperatures, tendency to brittleness and hot shortness unless Zn refined

Minor influence, sufficient Zn content compensates for the detrimental effect of Cu

Zr Most effective grain refiner, incompatible with Si, Al, and Mn, removes Fe, Al, and Si from the melt

Improves ambient temperature tensile properties slightly

表 1-7 燒結之各擴散路徑緻密化情況[36]

Mechanism Source of matter Sink of matter Densifying Nondendifying Surface diffusion Surface Neck X Lattice diffusion Surface Neck X Vapor transport Surface Neck X Grain boundary

diffusion

Grain boundary Neck X

Lattice diffusion Grain boundary Neck X Lattice diffusion Dislocations Neck X Viscous flow Unspecifed Unspecified X

表 1-8 理論推導強化物之分佈情況[37]

Specification dm (µm)

R (擠型比)

R＇ Vf

(％)

dr

(µm)

dc

(µm)

Actual distribution of Reinforcement Pure Al+SiC_p 20

16 16

- -

10 20

12 12

6.8 13.2

good good 2124Al+ SiC_p 55

55 55 55

16 16 16×2.4 16×2.4

- - - -

10 30 10 30

1.94 1.94 1.94 1.94

18.6 67.4 12.1 43.7

poor poor poor poor 7xxxAl+ SiCp 23

21 21

- -

20 20

16 5

13.3 9.8

Good Fair 6061Al+ SiCp ＜45

＜45

4 4 4

- - -

15 15 7.5

7 23 45

43.5 43.5 43.5

poor fair good 6061Al+ SiCp

＜44

30 30

- 70

17.5 17.5

2 2

18.2 5.5

poor fair

6061Al+Si₃N_4p ＜20 100 - 20 ＜1 5.3 good

good- uniform ; air-uniform but some local segregations ; poor-serious segregations or agglomerations

表 2-1 AZ61 鎂合金的化學成份(重量比)

Mg Al Zn Mn Si Fe Cu Cl Ni

AZ61B Bal. 6.14 0.88 0.21 0.038 0.0035 0.0027 0.0022 0.0004

表 2-2 本研究製程參數一覽表

Matrix 試片代號加工過程

原始鑄錠 A 原始獲得之鑄錠

母材 B 原始鑄錠，再經 300 °C 擠型

固溶擠型母材 C 在 415 °C 固溶 24 小時，再經 300 °C 擠型

鑄造複材

添加 1%的SiO₂，再經 300 °C擠型

添加 3%的SiO₂，再經 300 °C擠型

粉末複材

添加 1%的SiO2，再經 300 °C擠型

添加 5%的SiO2，再經 300 °C擠型

噴覆複材 H 添加 0.2%的SiO2，再經 300 °C擠型

表 3-1 本研究資料及本實驗室資料[40]

材料擠型比擠型溫度 (°C)

SiO2

(vol %)

晶粒尺寸 (µm)

備註

原始鑄造擠型母材

固溶擠型母材

--- 17:1 100:1

17:1

--- 300 300 300

0 0 0 0

75 2.7 2.7 6.8

[40]

鑄造複材

17:1 17:1 100:1

300 300 400

1 3 0.2

4.1 2.9

3.2 [40]

粉末複材

粉末固溶擠型複材

17:1 17:1 100:1 100:1 100:1

300 300 400 400 300

1 5 0.2

1 1

4.7 3.8 6.0 6.3 2.8

[40]

噴覆複材

噴覆固溶固溶複材

17:1 100:1 100:1 100:1

300 300 400 300

0.2 0.2 0.2 0.2

3.2 3.4 9.6 3.8

[40]

表 3-2 本研究及本實驗室[40]之機械性質

材料擠型比擠型溫度 (°C)

SiO2

(vol %)

Hv 晶粒尺寸 (µm)

(MPa)

UTS

(MPa)

Elongation

(%)

備註

原始鑄造擠型母材

固溶擠型母材

--- 17:1 100:1

17:1

--- 300 300 300

0 0 0 0

60 85 75 70

75 2.7 2.7 6.8

100 275 --- 240

181 313 341 304

15 15 31 25

[40]

鑄造複材 17:1 17:1 100:1

300 300 400

1 3 0.2

79 88 70

4.1 2.9 3.2

221 234 ---

320 310 301

11 15

18 [40]

粉末複材

粉末固溶擠型複材

17:1 17:1 100:1 100:1 100:1

300 300 400 400 300

1 5 0.2

1 1

80 102

74 79 100

4.7 3.8 6.0 6.3 2.8

235 281 --- --- ---

306 284 351 367 379

10 4 27 16 7

[40]

噴覆複材

噴覆固溶擠型複材

17:1 100:1 100:1 100:1

300 300 400 300

0.2 0.2 0.2 0.2

79 73 67 70

3.2 3.4 9.6 3.8

245 --- --- ---

325 342 316 327

32 34 35 29

[40]

表 3-3 各製程之量測密度

材料

奈米粉比例 (vol %)

視密度 (Mg/m³)

理論密度 (Mg/m³)

相對密度 (%)

原始鑄錠 0 1.798 1.80 99.9

擠型母材 0 1.797 1.80 99.8

固溶擠型母材 0 1.804 1.80 100.2

鑄造複材 1 1.792 1.808 99.1

3 1.804 1.823 99.0

粉末複材 1 1.817 1.808 100.5

5 1.870 1.838 101.7

噴覆複材 0.2 1.795 1.802 99.6

表 3-4 各製程之破壞韌性

材料奈米粉比例 (vol %)

(kgf)

Pmax

(kgf) P_max/P_Q KQ

(MPa．m^{1 2}) R_sb

原始鑄錠 0 113 144 1.27 9.8 2.09

擠型母材 0 249 263 1.10 21.5 1.39

固溶擠型母材 0 191 232 1.21 16.5 1.40

鑄造複材

1 3

174 142

239 158

1.37 1.11

15.0 12.4

1.57 0.98

粉末複材

1 5

154 160

207 178

1.34 1.11

13.3 13.8

1.28 0.92

噴覆複材 0.2 202 239 1.18 17.5 1.42

圖 1-1 鎂-鋁的二元平衡相圖[12]

圖 1-2 顆粒強化金屬基破壞的三種模式[34]

圖 1-3 三種獨立變形模式

圖 1-4 試片厚度與破壞韌性之變化關係[39]

C(T) DC(T)

A(T)

SE(B)

圖 1-5 破壞韌性試片之幾何形狀

圖 1-6 標準彎曲試片之幾何形狀

圖 1-7 破壞韌性試片之 notch 型式

圖 1-8 典型疲勞裂紋成長速率對應力強度因子之關係[39]

圖 1-9 各類型之試片開口距離（COD）與負載關係圖

圖 1-10 噴覆成型裝置示意圖

圖 1-11 噴複成型製程之圓胚錠

圖 1-12 粉末燒結之擴散路徑示意圖

圖 1-13 強化物均勻分佈之理想模式

20 30 40 50 60 70 80 90

In ten sity ( a.u .)

2 θ (degree)

SiO

₂

powder pattern

圖 2-1 二氧化矽粉末 XRD 繞射圖

噴覆成型粉末冶金鑄造

擠型

母材

KIC量測

圖 2-2 製程及分析流程圖 X-ray SEM

拉伸測試

OM TEM

圖 2-3 鑄造製程流程圖：SiO2之奈米粉末加上AZ61 鑄材切丁，鑄造成圓盤塊材

圖 2-4 粉末冶金之燒結模具

0 50 100 150 200 250 300 0

100 200 300 400 500 600

0 100 200 300 400 500 600

Tem p eratu re ,

C

Time, min Temp curve

Preasure curve

P re as u re, M P a

圖 2-5 粉末冶金燒結參數之流程設定

圖 2-6 試棒拉伸規格（單位︰mm）

圖 2-7 試片預裂之疲勞試驗機

圖 2-8 試片預裂情形

圖 2-9 試片 notch 部份裂紋成長情形

預裂區

圖 2-10 試片 notch 部份裂紋成長情形

圖 3-1 巨觀原始鑄錠之晶粒尺寸

圖 3-2 原始鑄錠橫斷面 OM 圖

圖 3-3 擠型母材橫斷面 OM 圖

圖 3-4 固溶擠型母材橫段面 OM 圖

圖 3-5 鑄造複材(1 %SiO2)橫斷面OM圖

圖 3-6 鑄造複材(1 %SiO₂)縱斷面OM圖

圖 3-7 鑄造複材(3 %SiO2)橫斷面OM圖

圖 3-8 鑄造複材(3 %SiO₂)縱斷面OM圖

圖 3-9 粉末複材(1 %SiO2)橫斷面OM圖

圖 3-10 粉末複材(1 %SiO₂)縱斷面OM圖

圖 3-11 粉末複材(5 %SiO2)橫斷面OM圖

圖 3-12 粉末複材(5 %SiO₂)縱斷面OM圖

圖 3-13 噴覆複材(0.2 %SiO2)橫斷面OM圖

圖 3-14 噴覆複材(0.2 %SiO₂)縱斷面OM圖

圖 3-15 擠型母材橫斷面之 SEI

圖 3-16 固溶擠型母材橫斷面之 SEI

圖 3-17 鑄造複材(1 %SiO2)橫斷面之SEI

圖 3-18 粉末複材(1%SiO2)橫斷面之SEI

圖 3-19 噴覆複材(0.2 %SiO2)橫斷面之SEI

圖 3-20 鑄造複材(3 %SiO₂)橫斷面之SEI

圖 3-21 鑄造複材(3 %SiO2) 橫斷面之BEI

圖 3-22 鑄造複材(3% SiO2)橫斷面元素分佈圖

圖 3-23 粉末複材(5 %SiO2) 橫斷面之SEI

圖 3-24 粉末複材(5 %SiO₂)橫斷面之BEI

圖 3-25 粉末複材(5 %SiO2) 橫斷面元素分佈圖

圖 3-26 噴覆複材(0.2 %SiO2) 橫斷面之SEI

圖 3-27 噴覆複材(0.2 %SiO₂) 橫斷面之BEI

圖 3-28 噴覆複材(0.2 %SiO2) 橫斷面元素分佈圖

(a)

(b) (c)

圖 3-29 粉末複材 TEM 之(a)明視野圖，(b)選區繞射圖-基材，(c) 選區繞射圖-奈米晶粒

圖 3-30 經TEM觀察之Mg₂Si晶粒

圖 3-31 鎂粉的 X 光繞射圖

20 30 40 50 60 70 80

3 2 1

(1 0- 11)

(0002) (1 0- 10)

Inten sity

2θ

固溶母材 3 擠型母材 2 原始鑄錠 1

圖 3-32 母材各製程橫斷面 X 光繞射圖

20 30 40 50 60 70 80

Mg or M g

Si

Mg

Al

or M g

Si

2

1 In ten sity

2θ

2 鑄造複材 3%

1 鑄造複材 1%

圖 3-33 鑄造複材橫斷面 X 光繞射圖

20 30 40 50 60 70 80

3

2

1 Mg

Al

or M g

Si Mg o r M g

Si

Mg

Si

Inten sity

2θ

3 噴覆複材 0.2%

2 粉末複材 5%

1 粉末複材 1%

圖 3-34 粉末及噴覆複材橫斷面 X 光繞射圖

擠型方向

圖 3-35 HCP 結構與擠型方向關係

200 300 400 500 600

E xothe rm ic

Temperature (

C)

母材

(A

試片

)

鑄造試片(

D

試片) 粉末複材(

F

試片)

噴覆複材(

H

試片)

圖 3-36 各製程之熱差分析

-1 0 1 2 3 4 5 6 0.4

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

K

/K

Volume fraction(%)

圖 3-37 破壞韌性與強化物體積分率關係

-1 0 1 2 3 4 5 6

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

R sb

Volume fraction(%)

圖 3-38 強度比與強化物體積分率關係

圖 3-39 各製程棒材試片之斷裂情形

圖 3-40 原始鑄錠 (A 試片)拉伸試棒破斷面

圖 3-41 擠型母材(B 試片)拉伸試棒破斷面

圖 3-42 擠型母材(B 試片)拉伸試棒破斷面

圖 3-43 固溶擠型母材(C 試片)拉伸試棒破斷面

圖 3-44 鑄造複材(D試片,1%SiO2)拉伸試棒破斷面

圖 3-45 鑄造複材(D試片, 1%SiO₂)拉伸試棒破斷面

圖 3-46 鑄造複材(E試片, 3%SiO2)拉伸試棒破斷面

圖 3-47 鑄造複材(E試片, 3%SiO₂)拉伸試棒破斷面

圖 3-48 粉末複材(F試片, 1%SiO2)拉伸試棒破斷面

圖 3-49 粉末複材(F試片, 1%SiO₂)拉伸試棒破斷面

圖 3-50 粉末複材(G試片, 5%SiO2)拉伸試棒破斷面

圖 3-51 粉末複材(G試片, 5%SiO₂)拉伸試棒破斷面

圖 3-52 噴覆複材(H試片, 0.2%SiO₂)拉伸試棒破斷面

圖 3-53 原始鑄錠、擠型母材、固溶擠型母材破壞韌性之破斷面俯視圖

圖 3-54 母材(B 試片)破壞韌性試驗破斷面之 SEI

圖 3-55 鑄造複材（左 1 %及右 3 %SiO2）破壞韌性之破斷面俯視圖

圖 3-56 鑄造複材(D試片, 1%SiO₂)破壞韌性試驗之破斷面SEI

圖 3-57 鑄造複材(E試片, 3%SiO₂)破壞韌性試驗之破斷面SEI

圖 3-58 粉末複材（左 1 %及右 5 % SiO₂）破壞韌性之破斷面俯視圖

圖 3-59 粉末複材(F試片, 1%SiO₂)破壞韌性試驗之破斷面SEI

圖 3-60 粉末複材(G試片, 5%SiO2)破壞韌性試驗之破斷面SEI

在文檔中國立中山大學材料科學研究所碩士論文 (頁 60-130)