第一章 研究背景與方向
1.4 鋁鎂合金之超塑性研究
1.4.3 第三元素的添加
Taleff 等人 [46] 以 Al-2.8Mg [46]，Al-3.0Mg-0.25Mn [46]，Al-2.52Mg-0.46Mn [48]，
Al-4.6Mg-0.75Mn [51] 來探討錳添加後以及添加量之影響。忽略些微鎂含量的差異 (2.5
~ 4.6 wt%)，他們發現到隨著錳的添加以及量的增加，m 值從 0.29 (0 wt% Mn) 降到 0.25 (0.25 wt% Mn)，然後再降至 0.21 (0.46 wt% Mn)，但潛變強度都差不多，而含鎂較多之 Al-4.6Mg-0.75Mn 的 m 值則升至 0.24，且潛變強度較強，此乃因 4.6 wt%的鎂以及材料
本 身 所 含 0.2 wt%的 鐵 和 0.15 wt%的 矽 所 導 致 。 另 外 也 以 Al-3.0Mg-0.25Mn 和 Al-3.0Mg-0.18Zr 來比較，他們發現兩者的 m 值都差不多，約等於 0.25，但加入鋯後潛 變強度明顯下降，猜測可能因該材料的晶粒較小 (23
µm) 而引發晶界滑移，但也可能
起因於兩者測試方法不同，真正的原因尚無法驗證。在伸長量的影響上，若在 power-law breakdown 區域，不管鎂含量的多寡或是有無添加錳以及添加量的多寡，它們的伸長量 都很低，而在溶質拖曳潛變區域，錳的添加會降低伸長量，量越多，降低越多，且錳的 添加更容易引起裂孔的產生，當含錳量超過約 0.46 wt%時，Al6Mn 的顆粒大量形成，因 而導致材料會由頸縮所引起斷裂的形式，轉變為因 crack 而導致斷裂的形式。Kim 及 Shin [52] 指出在鋁鎂合金中添加適量的第三元素 (通常低於 1 wt%)，如 錳、鉻、鋯等，經過特殊之熱機處理可得細晶粒，但這類元素通常會傾向於與鎂形成各 種型態的化合物，因而降低在鋁基材中的有效鎂含量。他們嘗試添加鐵為第三元素，發 現到鐵很難與鎂產生化學反應，意思是說，大部分都是鋁鐵的化合物 (Al3Fe)，故利用 鋁鐵化合物而得晶粒細化之效果，而且又可以保持鎂在鋁基材的濃度。因此，他們採用 Al-7Mg-1Fe 來做探討，經過特殊熱機處理後，可得晶粒尺寸為 10 到 15 µm 左右，並包 含 2 到 3
µm 的次晶粒 (subgrains)，並與 Woo 等人 [51] 所研究 Al-7Mg 做比較，發現
到在 500 oC，中高應變速率下，Al-7Mg-1Fe 所呈現的 m 值大都在 0.3 左右，但在低應 變速率下，卻發現到 m 值可達 0.5 左右，可能有晶界滑移參與在變形中，但 Al-7Mg 在 整個應變速率範圍依然呈現 m 值等於 0.3。因此兩者在應力與應變速率關係是很相似 的，除了在低應變速率時，晶界滑移已開始對 Al-7Mg-1Fe 產生作用。因此看來 Al3Fe 的存在，雖然降低了晶粒尺寸，但對鋁鎂合金的變形行為不是有太大的影響。他們歸納 了兩個因素，第一是 Al3Fe 顆粒尺寸大，約 5 µm 左右，所佔體積比率少，分散不均勻，因而降低顆粒強化效果；第二是，當溶質拖曳潛變為主要變形機構時，潛變強度不受晶 粒尺寸的影響，因此即使晶粒較小的 Al-7Mg-1Fe 也很難改變鋁鎂合金的潛變強度。而 Al-7Mg-1Fe 在 465 oC 及 480 oC 與 1x10-1 s-1的條件下，可得 450%的伸長量，對於一晶 粒尺寸大於 10 µm 以上的材料，最佳的應變速率很難達到 1x10-1 s-1，相對於 Al-7Mg 在
500 oC 與 1x10-1 s-1條件下，只有 250%的伸長量，最好的條件是在 450 oC 與 1x10-2 s-1 時，也僅有 350%的伸長量。他們也將 Maeng 等人 [53] 所做 Al-7Mg-Cr，Al-7Mg-Zr 及 Al-7Mg-Mn 之研究 (晶粒尺寸約 8 到 12 µm) 與 Al-7Mg-Fe 相比較，發現 Al-Mg-(Zr, Mn, Cr) 的最佳應變速率條件為 10-4到 10-3 s-1之間，比 Al-7Mg-Fe 慢了一百倍以上。
Hales等人 [15] 利用溫軋及退火的熱機處理使高鎂量之Al-10Mg-0.1Zr達到細晶粒 的效果。他們從幾個熱機處理的變數來研究對該合金的影響，其中包括總軋延真實應變 量、每次軋延的量、每次回火的時間以及軋延的溫度。他們發現到真實應變量越大者 (ε=2.5) 可得較佳的伸長量，在 300 oC 與 6.7x10-3 s-1得條件下可得 450%的伸長量，m 值為 0.4 左右，相對的，較小的軋延量 (0.4) 在較低的應變速率下也只有 170%的應變 量；在足夠長的回火時間情況下 (從 4 分鐘提高到 30 分鐘)，使其有足夠的時間回復及 再結晶；另外，每次有較大的軋延量是有利於延展性的，每次 10 pct 的軋延量並累積總 真實應變達 2.5，在 300 oC 與 1.7x10-3 s-1的條件下，可使伸長量從 475% (每次 4 pct 的 壓延量) 增加到約 600%；該合金經過大量的軋延後產生高密度的差排，因此需要足夠 長的時間使其回復並再結晶而成為有利於晶界滑移的高角度晶粒結構，所以經過每次 30 分鐘的回火是優於僅有 4 分鐘的回火條件；另外軋延溫度的選擇也是一個值得探討 的問題，隨著軋延溫度的增加，固定回火時間為 4 分鐘，從 220 oC 到 350 oC，流應力 隨著下降，m 值上升，伸長量可提高 150%左右，只是軋延溫度再高也不能高過β相 (Al8Mg5) 的固溶溫度，因會導致晶粒迅速粗大化，且值得一提的是，在 300 oC 之軋延 溫度時，提高回火時間會比提高軋延溫度但降低退火時間來得有效。在 1993 年，
McNelley 等人 [16] 針對 Al-10Mg-0.1Zr 做研究，在經過 12 道的軋延，累積真實應變 為 2.6，且每兩道軋延間再施予 30 分鐘 300 oC 的回火，得到晶粒尺寸約 0.85 µm。在 300
oC 與 1x10-3 s-1時，可得 1100%的伸長量。在應變速率 10-3到 10-2 s-1的範圍內，m 值在 0.5 左右。加入鋯後，顯然對鋁鎂合金的超塑性有改善，若與 Al-11Mg [51] 相比較的話，
在同樣的應變速率 1x10-3 s-1，不僅溫度降低且伸長量可提高約 1000%左右。
Wang 等人 [54,55] 利用等徑轉角擠型，使原晶粒尺寸為 500 µm 的 Al-3Mg，最後
得到約 0.2 µm 的晶粒大小，但晶粒的熱穩定性差。因此 Komura 等人 [27] 針對該材料 再添加 0.2 wt%的鈧 (Sc) 以改善材料的潛變強度及熱穩定性。它的起始晶粒尺寸為 200
µm，經過轉角擠型後得平均晶粒尺寸為 0.2 µ
m，且為高角度晶界。經過 300 oC 及 400oC，1 小時的退火，發現晶粒成長很少，兩者的晶粒都在1 µm以下，此乃因整合 (coherent) 析出物 Al3Sc 的均勻分散而抑制了晶粒的成長。該材料與 Sawtell 等人 [56] 所研究 Al-4Mg-0.5Sc 來比較，發現在中高速的應變速率 10-3 ~ 10-1 s-1，300 oC 及 400 oC，
Al-3Mg-0.2Sc 可得較好的伸長量，300 oC 時，在中低速，伸長量可達 700%，400 oC 與 3.3x10-2 s-1時，更可達 1000%以上，因此 Al-3Mg 在添加了微量的鈧之後，使結構安定 化，而使其有低溫或高速超塑性之產生。
1997 年，Nieh 等人 [57] 以 Al-6Mg-0.3Sc 為實驗材料，研究 Al3Sc 對微結構安定 化的效果以及對該合金成形性的關係。不同於 Komura 等人 [27] 所用轉角擠型，Nieh 等人 [57] 利用軋延的方式而達晶粒細化之效果。該合金軋延方向有明顯的 <110> 織 構 (texture) 及低角度晶粒或胞狀結構 (cellular structure)，大小範圍約在 100 nm 至 2
µm。經過 350
oC 與 1x10-5 s-1的測試後，在夾持 (grip) 區域，晶粒維持在 1 µm 左右，在標距 (gage length) 區域則維持 2 µm 左右。在 475 oC 與 10-2 s-1的條件下，夾持區域 的次晶粒仍維持在 1 µm，而在標距區域的晶粒則為 6 µm 左右，且為高角度晶粒，因此 結構可以說是相當的穩定，這都是因為 Al3Sc 的均勻分布，而有效的抑制晶粒成長，使 結構安定。m 值隨著溫度的上升而增加，在 10-3 ~ 10-1 s-1與 350 oC 時，m 值為 0.35，
在 475 oC 時，m 值為 0.45。伸長量都在 200%以下，即使 m 值達 0.45，但這是因為試 片太薄，只有 0.1 mm，而易 受表面缺陷影響。1998 年，Nieh 等人 [58] 再度對 Al-6Mg-0.3Sc 作深入探討，這次他們將試片軋延至 2 mm 厚。因為在鋁裡面析出整合 L12 相的 Al3Sc，有效的安定合金的次結構，並在變形過程中低角度晶粒逐漸轉變為高 角度晶粒，在起始應變速率 (initial strain rate) 為 1.4x10-2 s-1與 475-520 oC 之間，都可 得到超過 1000%的伸長量。m 值在 475-520 oC 的溫度間，於 2x10-2 s-1可達最高值超過 0.5，而 m 值越高，伸長量也就越好。
綜觀上述的研究結果，我們可以看到，當鋁鎂合金中加入有效的晶粒成長抑制元 素，如鈧，鋯或鐵元素等，由於它們所形成的化合物，如 Al3Sc，Al3Zr 在高溫時能夠 有效的抑制晶粒成長，使得鋁鎂合金在高溫時仍然可保有細晶粒結構，以致於能夠發展 高溫超塑性或高溫高速超塑性，甚至低溫超塑性；然而，錳的加入反而降低了 m 值，
而不利於超塑性，雖然它對於抑制晶粒成長的功用上有某一程度的貢獻 (在中低溫貢獻 較大) [36]。