行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
對體心立方材料-低碳素鋼在疲勞時的差排組織演化之研究
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計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2216-E-110-013- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學材料科學研究所 計畫主持人： 何扭今 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 93 年 6 月 9 日對體心立方材料-低碳素鋼在疲勞時的差排組織演化之研究(1/2) NSC 92-2216-E-110-013- 期中精簡報告 主持人 何扭今 國立中山大學材料科學研究所
前 言
直 至 目 前 ， 我 們 發 現 疲 勞 破 壞 可 以 分 為 三 個 階 段 ， 分 別 是 ： 裂 痕 起 始 階 段 （crack initiation）、 裂 痕 成 長 階 段 （ crack propagation ）、 以 及 最 後 瞬 間 斷 裂 （ ultimate catastrophic failure）。為 了 研 究 疲 勞 破 壞 的 問 題，則 必 須 先 要 瞭 解 差 排 組 織 、 裂 痕 起 使 與 裂 痕 成 長 間 的 關 係 。 差 排 結 構 的 形 成 與 材 料 往 復 應 變 疲 勞 下 的 關 係 ， 目 前 以 FCC 結 構 為 主 的 材 料 的 相 關 報 告 及 研 究 最 為 完 整 。 而 BCC 結 構 為 主 的 材 料 的 相 關 報 告 及 研 究 就 顯 的 比 FCC 複 雜，而 且 溫 度 與 應 變 率 對 差 排 運 動 有 相 當 大 的 影 響，當 BCC 材 料 在 受 外 應 力 作 用 下 ， 差 排 滑 動 通 常 發 生 在 不 同 的 滑 動 系 統 ， 當 溫 度 低 於 轉 換 溫 度 T0 時 ，flow stress 急 遽 上 升 ， 此 乃 因 螺 旋 差 排 運 動 的 能 力 下 降 所 造 成 ， 而 當 溫 度 高 於 T0 時 ， 應 變 率 較10- 5S-1 低 的 情 況 下，則 傾 向 於 與 FCC 的 差 排 運 動 型 式，但 在 應 變 率 大 於 10-3S-1， 則 傾 向 低 溫 模 式 ， 即 刃 差 排 的 移 動 能 力 叫 螺 旋 差 排 為 快 。 又 差 排 對 少 量 的 插 入 式 不 純 原 子 （Interstitial Impurity）相 當 敏 感。總 之，BCC 材 料 的 差 排 運 動 較 FCC 材 料 複 雜 許 多 ， 也 因 此 使 的 BCC 材 料 研 究 少 有 問 津 。 根 據 H. Mughrabi 等 人 的 研 究 指 出 【 15】， BCC 材 料 和 FCC 材 料 的 機 械 性 質 最 大 差 異 在 於 ， BCC 材 料 於 低 溫 下 與 ε （strain rate） 有 很 大 的 關 係 ， 而 且 和 flow stress τ 也 有 相 當 的 關 連 性。在 瞭 解 BCC 材 料 內 部 的 差 排 組 織 前，對 於 其 內 部 的 應 力 與 溫 度 間 的 關 係 ， 我 們 可 以 從 圖 2-1 中 得 知 ， BCC 材 料 的 布 格 向 量（Burgers vector）是 a＜ 111＞╱ （2 a：elementary cube edge）， 螺 旋 差 排 有 較 大 的 核 心 （ core）， 而 且 這 個 核 心 是 三 度 對 稱 ， 在 低 應 力 時 是 固 定 不 能 動 的 ， 當 溫 度 降 低 ， 會 使 晶 格 間 摩 擦 力 升 高 ， 應 力 增 加 ， 而 使 得 熱 活 化 運 動 產 生 ， 原 本 不 能 滑 移 的 核 心 變 的 可 以 滑 移 ， 螺 旋 差 排 可 以 交 叉 滑 移 （cross slip）， 也 就 是 說 當 溫 度 越 低 ， flow stress τ 越 大 ， 晶 格 間 的 摩 擦 力 也 越 大 。 另 外 ， 也 可 以 用 Seeger’s theory【 13】 來 表 示 flow stress τ、 溫 度 （ T）、 應 變 率 三 者 間 的 關 係 ：
τ ＝ τG ＋ τ*（ ε , T）
其 中 τG為 athermal component，τ*為 有 效 應 力（ effective stress），在 BCC 材 料 中，τ*最 主 要 來 源 是 造 成 熱 活 化 運 動 的 摩 擦 力 所 產 生 ， 而 此 摩 擦 力 是 由 螺 旋 差 排 所 造 成 的 ， 而 在
FCC 材 料 中 ， τ*最 主 要 來 源 是 差 排 間 相 互 作 用 造 成 的 ， 而 非 晶 格 間 摩 擦 阻 力 所 造 成 。τG主 要 來 源 是 由 於 差 排 在 滑 移 時 所 產 生 彈 性 相 互 作 用 造 成 ， 和 差 排 密 度 ρ 有 很 大 的 關 係 。 τG ＝ αGb（ ρ）1 / 2 G： 剪 力 模 數 b： 布 格 向 量 ρ： 差 排 密 度 α： 幾 何 常 數 ， 與 排 排 列 有 關 ， 一 般 約 在 0.1〜 0.4 在 低 溫 時 BCC 材 料 的 τ*比 τG大 很 多，而 在 FCC 材 料 中， τ*則 是 永 遠 比 τG小很 多；H. Mughrabi【 13】等 人 指 出 在 BCC 材 料 中 ， 若 T 大 於 T0， 則 τ*小 到 可 以 忽 略 ， 和 FCC 材 料 行 為 很 像 。T0 是 一 種 轉 變 溫 度 ， 一 般 來 說 T0 等 於 0.1〜 0.2 Tm （Tm： 熔 點 ）， 在 低 溫 部 分 ，flow stress τ 深 受 τ*影 響 ， 若 T0 越 大 ， 則 ε 也 越 大 。 本 實 驗 採 用 含 碳 量 極 低 ， 幾 乎 接 近 純 鐵 的 IF steel （Interstitial Free Steel）， 屬 於 BCC 材 料 。
C Si Mn P S Ni Cr 50 110 1300 100 60 190 90 表 一 ：IF steel 成 分 圖 （ ppm） 一 般 而 言 ， 含 碳 量 小 於 0.02％ 以 下 者 稱 為 純 鐵 ， 而 本 論 文 中 所 選 用 的 IF steel， 其 含 碳 量 只 有 50ppm（ wt％ ）， 類 似 純 鐵 ， 唯 為 達 到 強 化 效 果 添 加 微 量 合 金 元 素 ， 使 其 強 度 達 到
低 碳 鋼 的 標 準 ， 故 以 鋼 鐵 稱 之 。 同 前 面 所 描 述，目 前 對 於 BCC 材 料 內 部 的 差 排 組 織 的 研 究 相 當 的 少 。 尤 其 是 疲 勞 裂 痕 的 部 分 ， 目 前 對 疲 勞 破 壞 時 之 裂 痕 起 始 階 段 與 裂 痕 成 長 階 段 ， 如 何 作 一 個 分 界 ， 仍 十 分 不 清 楚。『 何 時 才 是 一 個 真 正 的 裂 痕 ？ 』、『 裂 痕 何 時 出 現 ？ 』『 何 時 進 入 裂 痕 成 長 ？ 』， 至 今 無 一 定 論 。 無 論 是 裂 痕 起 始 階 段 或 是 裂 痕 成 長 階 段 均 已 證 實 是 材 料 內 部 差 排 所 引 起 。 所 以 本 論 文 主 要 是 針 對 疲 勞 破 壞 表 面 裂 痕 產 生 時 所 伴 隨 之 差 排 組 織 進 行 分 析 探 討 。 再 配 合 羅 文 駿 【1】 的 論 文 ， 比 較 BCC 材 料 內 部 的 差 排 組 織 ， 於 low cycle fatigue 的 情 況 下 ， 與 疲 勞 裂 痕 尖 端 的 差 排 組 織 是 否 具 有 相 關 性 或 是 一 致 ， 裨 能 對 疲 勞 破 壞 之 研 究 有 所 助 益 。
實 驗 方 法
經 過 熱 處 理 過 後 的 IF steel， 依 照 ASTM（ American Society for Testing and Materials） 之 規 範 以 機 械 加 工 方 式 製
成 單 邊 裂 痕 成 長 （compact tension） 試 片 ， 如 圖 3-1 所 示 。
單 邊 裂 痕 成 長 試 片 開 始 仍 以 100＃、240＃ 、 400＃ 、 800＃ 、 1000＃ 、 1500＃ 和 2000＃ 砂 紙 逐 次 做 粗 拋 光 後 ， 再 以 4000
＃ 的 砂 紙 作 進 一 步 的 細 拋 光 ， 以 利 裂 痕 成 長 時 之 裂 痕 長 度 的
圖1 試片尺寸圖 然 後 進 行 裂 縫 生 長 試 驗 ， 當 試 片 之 裂 縫 長 度 達 到 預 定 的 生 長 速 率 後 ， 將 試 片 卸 下 並 以 慢 速 切 割 機 將 裂 縫 周 圍 切 成 方 塊 ， 再 細 切 成 薄 片 研 磨 ， 最 後 用 twin-jet 電 拋 成 可 進 行 BEI 觀 察 的 試 片 ， 進 行 裂 縫 尖 端 差 排 組 織 的 觀 察 。
實驗結果與討論
IF steel 在 高 週 疲 勞 裂 痕 成 長 實 驗 中 ， 其 成 長 速 率 分 別 為 10-5、10- 6 及 10- 7mm/cycle 之 A、 B、 C 試 片 。 在 完 成 高 週 疲 勞 裂 痕 成 長 實 驗 後 ， 以 光 學 顯 微 鏡 拍 攝 其 裂 痕 成 長 途 徑 全 貌 於 圖 4-6。 根 據 實 驗 時 所 記 錄 之 裂 痕 成 長 長 度 及 循 環 週 次 數 計 算 裂 痕 成 長 速 率，並 依 據 ASTM 之 規 範 計 算 應 力 強 度 因 子 （△ ）， 求 得 其 裂 痕 成 長 速 率 對 應 力 強 度 因 子 的 關 係 圖 ，K 如 圖 4-1。掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 觀 察 IF steel 在 不 同 疲 勞 裂 痕 成 長 速 率 下 之 試 片，取 樣 為 包 含 裂 痕 尖 端 之 直 徑 3mm 圓 片 ， 經 雙 噴 流 電 解 拋 光 後 ， 由 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 之 反 射 電 子 成 像 觀 察 下 ， 其 結 果 如 下 所 示 ： 圖 2 IF 鋼 da/dN vs. ∆K 圖 裂 痕 成 長 速 率 為 10- 5m/cycle 在 SEMBEI 模 式 下 低 倍 率 下 可 觀 察 到 之 裂 痕 成 長 路 徑 全 貌 。 在 裂 痕 末 端 處 ， 我 們 可 以 發 現 在 裂 痕 尖 端 周 圍 約 10µm
內，幾 乎 都 是 低 能 量 的 差 排 胞，其 直 徑 約 是 1〜 2µm，如 圖 3。 而 距 離 尖 端 約 12µm 左 右 ， 有 長 型 的 差 排 胞 出 現 ， 如 圖 4。
圖 3 裂 縫 尖 端 差 排 胞 形 成
而 距 離 尖 端 約 40µm 左 右 ， 有 長 型 差 排 胞 與 少 量 的 差 排 牆 ， 如 圖 5。 距 尖 端 60µm 左 右 ， 有 差 排 牆 出 現 。
圖 4 離 開 尖 端 約 12um 差 排 胞 無 法 形 成 只 能 形 成 差 排 牆 圖 5 次 裂 縫 尖 端 發 現 差 排 胞 平 均 尺 寸 較 大 而 在 高 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 我 們 觀 察 到 ， 裂 痕 成 長 的 模 式 幾 乎 都 是 穿 晶 成 長 。 從 高 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 改 變 負 荷 重 ， 而 得 到 的 低 裂 痕 成 長 速 率 。 經 過 比 較 其 裂 痕 周 圍 的 差 排 組 織 後 ， 我 們 可 以 發 現 在 高 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 其 裂 痕 周 圍 的 差 排 胞 ， 直 徑 明 顯 小 於 低 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 其 裂 痕 周 圍 的 差 排
胞 。 其 中 高 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 裂 痕 附 近 的 差 排 胞 直 徑 大 小 約 為 0.5〜 1µm 左 右 。 而 在 低 裂 痕 成 長 速 率 下 ， 裂 痕 附 近 的 差 排 胞 直 徑 大 小 約 為 1µm 左 右 。 由 於 我 們 是 經 過 許 多 次 的 失 敗 ， 最 近 才 成 立 找 到 適 當 TWIN-JET 電 拋 的 條 件，使 得 利 用 BEI 觀 察 到 IF 鋼 的 裂 縫 尖 端 差 排 組 織 變 成 可 能 ， 目 前 試 片 製 作 非 常 穩 定 可 靠 ， 不 同 裂 縫 生 長 速 率 的 試 片 陸 續 出 爐 ， 等 待 進 行 SEM 的 觀 察 。 經 國 內 外 資 料 庫 的 搜 查 ， 並 未 發 現 有 任 何 學 者 可 以 製 作 出 類 似 的 試 片 進 行 SEM 觀 察 ， 所 以 本 計 劃 可 以 預 期 有 不 少 非 常 有 品 質 的 論 文 發 表 。
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