超塑性測試

3.6.3.1 低溫 200 ^oC 之拉伸測試特性

表 3-4 列出管材在相同 200 ^oC 低溫的拉伸性質，拉伸應變速率以低應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、高應變速率 1x10^-2 s^-1三種來進行測試，在低應變速率 2x10^-4 s^-1的 拉伸測試中，以試片編號 4，經 250 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，伸長量 334%最 好，乃典型之低溫超塑性行為。其次為以試片編號 12，經 350 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠 製的管材，伸長量 297%排名第二。在 1x10^-3 s^-1在 200 ^oC 的拉伸測試，同樣也是以試片 編號 4，經 250 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，伸長量 233%最好。其次為以試片編 號 8，經 300 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，伸長量 220%排名第二。在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試，以試片編號 8，經 300 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，雖不 具有超塑性但伸長量為 171%最大，經 250 ^oC、350 ^oC 最快速擠製的管材，在高應變速 率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試結果也均超過 125%的伸長量，但由實驗結果得知，試片在低溫 200 ^oC、高應變速率 1x10^-2 s^-1的高速超塑性的測試中均無法達成，圖 3-20 為低溫 200 ^oC 拉伸測試後具有超塑性試片的外觀圖，從圖 3-20 中可以觀察得知所有試片變形狀態較 為一致，有明顯的頸縮且一開始先呈現局部頸縮，之後頸縮乃向兩端擴展開來，顯然在 低溫時，控制著不同溫度、不同應變速率所擠製的管材試片的變形機構是相同的。而於 以 250 ^oC 擠型製作的拉伸試片，在低溫 200 ^oC 時有 4 個具有超塑性，而以 400 ^oC 所擠 製的管材能達到超塑性的只有 1 個，顯示高溫擠型 400 ^oC 所擠製的 AZ31 管材，材料微 結構將產生不利於低溫超塑性之變化，會有不均勻的晶粒成長。

將四種不同擠型溫度 250 ^oC、300 ^oC、350 ^oC、400 ^oC 所擠製而得的管材，經 低溫 200 ^oC、2x10^-4 s^-1拉伸結果，見圖 3-21 (a) (b) (c) (d)為電腦換算所得到真實應力應 變圖，從圖 3-21 (d)中可以得知，以 400 ^oC 所擠製而得的管材其低溫 200 ^oC 拉伸測試的 真實應力值較大，均超過 100 MPa，見表 3-5，相對的伸長量則較小，因晶粒較大致使 晶粒滑移較不順暢所造成之緣故。並分別將四種不同溫度參數的管材拉伸後數據取其平 均值來進行比較，可以獲得知結果，無論是哪一種應變速率的拉伸性質測試，250 ^oC 低 溫擠製的管材經 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸測試結果得知，均比其它三種溫度 參數所擠製的 AZ31 管材拉伸性質好，發現以 400 ^oC 高溫擠製的管材拉伸性質是最差 的，在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試結果平均伸長量只有 98%。而極限抗拉強度恰 巧呈現相反之現象，以 400 ^oC 高溫擠製的管材經過 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸 測試後，極限抗拉強度總平均值 70 MPa、100 MPa、136 MPa，見表 3-5，高於其它三 種溫度參數所擠製的管材，計算結果得知以 250 ^oC 低溫擠製的管材經過 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸測試後，極限抗拉強度總平均值 43 MPa、65 MPa、123 MPa 為最差，

見表 3-5，真實應力均低於 100 MPa，而極限抗拉強度會隨拉伸速率增大而變大，拉伸 速率越小則伸長量越好。

再將三種不同拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1的拉伸結果取其平 均值來進行比較，也同樣觀察出，以 250 ^oC 低溫擠製的管材具有總平均的伸長量 185%

為最大，而以 400 ^oC 高溫擠製的管材總平均的伸長量 136%為最小，見表 3-5。同樣也 由計算結果得知，以 400 ^oC 高溫擠製的管材極限抗拉強度總平均值 102 MPa，高於其 它三種溫度參數所擠製的管材，計算結果得知以 250 ^oC 低溫擠製的管材極限抗拉強度 總平均值 77 MPa 為最差。

以試片編號 4，擠型比 15.4:1、250 ^oC、1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，經 200 ^oC、

2x10^-4 s^-1、的拉伸測試結果，伸長量為 334%，與本實驗室李敬仁學弟[90]所進行的擠型 比 100:1 板材擠製，經 200 ^oC、6x10^-4 s^-1拉伸測試得到 300%進行比較，得知同樣為 AZ31

鎂合金，在低溫 200 ^oC 低應變速率拉伸測試結果，管材伸長量較板材伸長量好。

3.6.3.2 中溫 300 ^oC 之超塑性行為

將四種不同溫度參數 250 ^oC、300 ^oC、350 ^oC、400 ^oC 所擠製而得的管材，在 300 ^oC 以三種不同拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸後實際伸長量照片 圖，見於圖 3-22 為 250 ^oC 擠製試片經中溫 300 ^oC 拉伸測試後的外貌圖片、圖 3-23 為 300 ^oC 擠製試片經中溫 300 ^oC 拉伸測試後的外貌圖片、圖 3-24 為 350^oC 擠製試片經中 溫 300 ^oC 拉伸測試後的外貌圖片、圖 3-25 為 400 ^oC 擠製試片經中溫 300 ^oC 拉伸測試後 的外貌圖片。

將溫度加熱至 300 ^oC 然後固定住，進行中溫 300 ^oC 超塑性性質測試，觀察其結果 與低溫 200 ^oC 的拉伸測試有何差異，同樣採用三種不同拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1的拉伸測試，並將其結果整理在表 3-5 中，在低應變速率的測試中，可以 獲知不論哪種擠製溫度都可以擠製出具有超塑性性質的管材，試片隨著溫度的上升，伸 長量明顯比低溫提升許多，尤其以試片編號 10，經 350 ^oC、1.3x10^-2 s^-1所擠製的管材，

伸長量高達 607%為最好。而試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1擠製的管材，伸長量也 具有 605%也相當良好。在 1x10^-3 s^-1在 300 ^oC 的拉伸測試，是以試片編號 8，經 300 ^oC、

1.1x10⁰ s^-1最快速擠製的管材，伸長量 438%最好。其試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1 擠製的管材，伸長量 438%幾乎具有相同的伸長量，圖 3-26、圖 3-27 與圖 3-28 分別為 伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1與 1x10^-2 s^-1的真實應力應變圖，從圖 3-26 (a)經過 250 ^oC 擠製的管材試片，可以看出拉伸應變行為很類似，形成應力應變曲線極為類似，最大拉 伸應力不超過 30 MPa，圖 3-26 (b)經過 300 ^oC、6.1x10^-3 s^-1最慢速率擠製的管材試片最 大拉伸應力值為 44 MPa，出現約在真實應變 0.8 之處，是中溫 300 ^oC 拉伸測試最高的，

伸長量有 483%也不錯；同樣以此編號 8 試片觀察它在 1x10^-3 s^-1的拉伸後情形，最大拉 伸應力值也在 44 MPa 左右，但在真實應變 0.5 之處就已出現，造成伸長量下降至 438%，

如圖 3-27(b)，顯示拉伸應變速率的快慢，會影響伸長量的長短。在觀察伸長量超過 607%

的試片編號 10，如圖 3-26 (c)，發現最大拉伸應力值為接近 40 MPa，出現約在真實應變 0.7 之處，推論在此區域中，材料本身的次晶粒結構逐漸轉變為高角度晶粒，即所謂的 動態再結晶，以致於材料可再做進一步的晶界滑移變形，及降低拉伸應力，而得到不錯 的伸長量。

同時再從表 3-6 結果可確知，四種不同擠製溫度均可擠製出具有超塑性的管材。而 在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試，仍以試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1所擠製出 的管材，伸長量高達 406%排名第一，是唯一伸長量超過 400%的試片；而以溫度 300 ^oC，

任一種擠製速率所擠製的 AZ31 管材，在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試結果，都具有 超塑性性質。從拉伸低應變速率 2x10^-4 s^-1至高應變速率 1x10^-2 s^-1的測試結果得知，具 有最佳伸長量的試片且穩定的試片為試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1擠製的管材。

再將經 300 ^oC 中溫拉伸結果，分別將它們取平均值來比較，無論是哪一種應 變速率的拉伸性質測試，250 ^oC 低溫擠製的管材經 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸 測試結果得知，均比其它三種溫度參數所擠製的 AZ31 管材拉伸性質好，發現以 400 ^oC 高溫擠製的管材拉伸性質是最差的，在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試結果平均伸長 量只有 179%，是不具超塑性的。而在低應變速率 2x10^-4 s^-1、中應變速率 1x10^-3 s^-1的拉 伸測試結果，即使是伸長量最差的 400 ^oC 高溫擠製的管材，伸長量也都超過 300%。而 極限抗拉強度恰巧呈現相反之現象，以 400 ^oC 高溫擠製的管材經過 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸測試後，極限抗拉強度總平均值 19 MPa、30 MPa、56 MPa，見表 3-6，

高於其它三種溫度參數所擠製管材的極限抗拉強度，並從圖 3-27 (d)可以發現在 300 ^oC 1x10^-3 s^-1拉伸速率測試結果，以 400 ^oC、高溫擠製的管材經過 6.1x10^-3 s^-1最慢速率擠製 的管材試片最大拉伸應力值為 62 MPa 為最大，致使其伸長量不到 300%。而圖 3-28 (a) 中，可看出試片編號 3，經由 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1所擠製的 AZ31 管材，在中溫 300 ^oC 高速拉伸速率 1x10^-2 s^-1測試結果伸長率 406%最佳，而從圖 3-28 (d)，觀察出在高溫 400

oC 的溫度條件下，以慢速 6.1x10^-3 s^-1、1.3x10^-2 s^-1擠製 AZ31 管材，分別為試片編號 13、

14，在在中溫 300 ^oC 高速拉伸速率 1x10^-2 s^-1測試結果伸長率皆低於 140%以下為最差，

另外的試片編號 15、16，在此條件的拉伸測試結果則稍微較好，顯示出 AZ31 管材擠製 的產品，若應用於高速拉伸速率 1x10^-2 s^-1之情況時，必須以較快速的擠型速率來進行 擠製管材，才能致使 AZ31 管材具有超塑性。

再將三種不同拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1的拉伸結果取其平 均值來進行比較，也同樣觀察出，以 250 ^oC 低溫擠製的管材具有總平均的伸長量 367%

為最大，見表 3-6，而以 400 ^oC 高溫擠製的管材總平均的伸長量 268%為最小。同樣也 由計算結果得知，以 400 ^oC 高溫擠製的管材極限抗拉強度總平均值 35 MPa，高於其它 三種溫度參數所擠製的管材，計算結果得知以 250 ^oC 低溫擠製的管材極限抗拉強度總 平均值 26 MPa 為最低。

3.6.3.3 高溫 400 ^oC 之超塑性行為

在 400 ^oC 以三種不同拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸後實際 伸長量照片圖，見於圖 3-29 為 250 ^oC 擠製試片經高溫 400^oC 拉伸測試後的外貌圖片、

圖 3-30 為 300 ^oC 擠製試片經高溫 400 ^oC 拉伸測試後的外貌圖片、圖 3-31 為 350^oC 擠 製試片經高溫 400 ^oC 拉伸測試後的外貌圖片、圖 3-32 為 400 ^oC 擠製試片經高溫 400^oC 拉伸測試後的外貌圖片。

同樣將溫度加熱至 400 ^oC 然後固定住，進行高溫 400 ^oC 超塑性性質測試，觀 察其結果與低溫 200 ^oC、中溫 300 ^oC 的拉伸測試有何不同，依然採用三種不同拉伸應 變速率 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1的拉伸測試，並將其結果整理在表 3-7 中，在低 應變速率 2x10^-4 s^-1的測試中，可以獲知不論哪種擠製溫度都可以擠製出具有超塑性性 質的管材，試片隨著溫度的上升，伸長量明顯比低溫提升許多，特別以試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1所擠製的管材，伸長量 631%為最好。而試片編號 10，經 350 ^oC、

1.3x10^-2 s^-1擠製的管材，伸長量也具有 540%不錯的伸長量。在 1x10^-3 s^-1在 300 ^oC 的拉 伸測試，是以試片編號 1，經 250 ^oC、6.1x10^-3 s^-1最慢速擠製的管材，伸長量 423%最好。

其試片編號 5，經 300 ^oC、6.1x10^-3擠製的管材，伸長量 386%為第二，同時從表 3-7 結 果可得知，在高溫 400 ^oC 擠製的管材均具有超塑性性質。而在高應變速率 1x10^-2 s^-1的 拉伸測試，仍以試片編號 3，經 250 ^oC、5.4x10^-2 s^-1所擠製出的管材，伸長量高達 502%

排名第一，是唯一伸長量超過 500%的試片；而以溫度 250 ^oC、300 ^oC，四種不同擠製 速率所擠製的 AZ31 管材，在高應變速率 1x10^-2 s^-1的拉伸測試結果，都具有超塑性性質。

將四種不同溫度參數 250 ^oC、300 ^oC、350 ^oC、400 ^oC 所擠製而得的管材，經 400 ^oC 高溫拉伸結果，圖 3-33 為拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1的真實應力應變圖，圖 3-34 為 拉伸應變速率 1x10^-3 s^-1的真實應力應變圖，圖 3-35 為拉伸應變速率 1x10^-2 s^-1的真實應 力應變圖，得知應力過了降伏點後，所產生的應變硬化，會隨著溫度不同其達到的最高 應力值也隨著不同，由真實應力應變圖其圖 3-33 與圖 3-34 比較得知，拉伸應變速率 2x10^-4 s^-1所獲得的最大應力值比拉伸應變速率 1x10^-3 s^-1所獲得的最大應力值小。並配合 表 3-7 分別將它們取平均值來比較，無論是哪一種應變速率的拉伸性質測試，250 ^oC 低 溫擠製的管材經 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸測試結果得知，均比其它三種溫度 參數所擠製的 AZ31 管材拉伸性質好，發現以 350 ^oC 擠製的管材拉伸性質是最差的，在 高應變速率 1x10^-2 s^-1 的拉伸測試結果平均伸長量只有 213%。而在低應變速率 2x10^-4 s^-1、中應變速率 1x10^-3 s^-1的拉伸測試結果，即使是伸長量平均值最差的 400 ^oC 高溫擠 製的管材，伸長量也都超過 280%。而極限抗拉強度呈現相反之現象，以 400 ^oC 高溫擠 製的管材經過 2x10^-4 s^-1、1x10^-3 s^-1、1x10^-2 s^-1拉伸測試後，極限抗拉強度總平均值 7 MPa、15 MPa、32 MPa，見表 3-7，均高於其它三種溫度參數所擠製的管材，而經過 1x10^-2 s^-1拉伸測試後，平均結果得知以 250 ^oC、300 ^oC、350 ^oC、400 ^oC 擠製的管材極限抗拉 強度總平均值為 20~30 MPa 幾乎相近。

從圖 3-33 (a) 與圖 3-34 (a) 的應力應變圖，與之比較發現，經由低溫 250 ^oC