中 華 大 學
碩 士 論 文
加壓程序對 AZ31B-O 鎂合金盒狀試件 變形特性之影響
系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：M09608049 鄒 明 達 指導教授：吳 泓 瑜 博士
中 華 民 國 九十九 年 七 月
摘要
超塑性成形(Superplastic forming)是一種板金工件成形之製造程序，利用特定 材料所擁有之超塑性性質，發展出一種節省能源以及具有高精確性特殊成形之加 工技術。
本研究以探討鎂合金 AZ31B-O 板材在之超塑性盒狀氣壓成形特性，實驗中 所使用 AZ31B-O 平均晶粒大小為 6μm，此薄板片厚度為 0.6mm。成形條件以 370℃和 420℃兩種不同溫度環境下，分別以不同加壓程序產生不同成形應變速 率，將板片吹入盒狀模穴中。利用試片變形狀態，探討 AZ31B 鎂合金在高溫變形 過程中，薄板片於母模成形性、厚度變化、及晶粒組織變化等情形，藉以分析得 知溫度對成形參數之影響。實驗結果顯示，成形性隨溫度而提升，在 420℃時，
O 材於塑性變形之最薄處有動態晶粒成長及靜態退火之效應。在本次實驗鎂合金 空孔的產生並不顯著。370℃時，最薄處為入模角附近；420℃時，則轉移至成形 R 角(轉彎角附近)。
關鍵詞：鎂合金(Magnesium alloy)、氣壓成形(Gas blow forming)、快速成形 (Quick plastic forming)、變形(Deformation)
ABSTRACT
The superplastic forming is manufacture of procedure one kind of sheet metal work piece forming, the use specific material has the superplastic nature, develops one kind of energy conservation as well as has of process technology the high accurate special forming.
This research take discusses the magnesium alloy AZ31B-O plate in it superplastic box shape pneumatic forming characteristic, in the experiment uses the AZ31B-O average grain size as 6μm, this thin slab thickness is 0.6mm. The formed condition by 370℃ and 420℃ two kind of different temperature environments, respectively has the different formed strain speed by the different compression procedure, injects in the box shape mold hole the slab. Using the preview strained condition, discusses the AZ31B magnesium alloy in the high temperature distortion process,female mold forming,thickness change, and situations and so on crystal grain structural change, so as to the analysis knowing temperature to forms influence of the parameter. The experimental result showed that the forming promotes along with the temperature, when 420℃, of the O material thinnest place has effect of the dynamic crystal grain growth and the static annealing in the plastic deformation. It is not remarkable in this experiment magnesium alloy air gate's production. when 370℃, thinnest place to enter nearby the mold angle; when 420℃, then shifts to forms the R angle (nearby curve angle).
Keywords: Magnesium alloy、Gas blow forming、Quick plastic forming、Deformation
致謝
首先特別感謝指導教授 吳泓瑜博士於求學期間不辭辛勞悉心教導，使的學 業及研究上得以順利完成，除了課業上的指導外，對於生活處世態度及觀念，教 導及指導許多地方，不僅是良師，亦是益友。
本論文承蒙李雄博士，王建義博士及邱垂泓博士，對本文指正並惠賜許多寶 貴的意見，使本文更趨完好，特此感謝。
感謝親愛的父母及家人二十多年來辛苦的栽培與支持，在我求學期間發生車 禍後悉心的照顧，也感謝博士班學長孫稟厚，對本論文上實驗的指導及引導；同 學黃志超、蔡欣翰，學弟林志 峯、楊傑陳以及中華大學機械研究所的同學們大力 的幫助。最後感謝許多的朋友，對我的支持與鼓勵，在我求學期間的幫忙，使我 求學生涯增添許多色彩與回憶，使我在忙碌的研究過程中，心情上可以放鬆，有 你們的陪伴讓我的求學生涯能劃下一個完美的句點。
目錄
摘要………...………...………...i
ABSTRACT………...………....ii
致謝………...………....iii
目錄………..….iv
表目錄……….…..vi
圖目錄………..vii
第一章 緒論...1
1-1 前言... ...1
1-2 研究動機與範疇…………..………...………..2
1-3 鎂合金之需求與發展... ...3
第二章 文獻回顧... ...5
2-1 鎂合金材料概述………..………...…...5
2-1-1 鎂合金簡介………..…………. ...5
2-1-2 鋁元素的影響………..…………...…...5
2-1-3 鋅元素的影響………..………...……...6
2-2 超塑性材料分類………..……….…….…...6
2-2-1 細晶超塑性………...………….. ...6
2-2-2 環境超塑性………..…….……... ...7
2-3 鎂合金板片成形概述………...………...……...7
2-3-1 吹氣成形法……..……...…………... ...…………...7
2-3-2 鎂合金板片吹氣成形…...………...………....8
2-3-3 吹氣成形的優缺點……….……...………...…...8
2-4 超塑性簡介……..……...………...………. ...9
2-4-1 超塑性成形簡介..……...…………...………... ...9
第三章 實驗設備與流程... ...11
3-1 實驗材料………...……...…………. ...11
3-2 實驗設備………...………...…….………...11
3-3 成型壓力控制………...………...………...12
3-4 實驗步驟………...………...………... ...12
3-4 金相觀察………...13
第四章 實驗結果與討論...14
4-1 成形性分析……….………...………...14
4-2 成形過程之厚度分析………..………...………14
4-2-1 成形溫度 370oC 成形過程厚度分析…………...……...14
4-2-2 成形溫度 420oC 成形過程厚度分析…………...….…..15
4-2-3 370oC、420oC 成形完成板片中心厚度分布……...15
4-3 成型溫度370℃、420℃應變分析………..…...…….16
4-3-1應變狀態分布... ...17
4-3-2 成型溫度 370oC 等效應變分析... ...17
4-3-3 成型溫度 420℃等效應變分析... ...17
4-4 顯微結構分析………...……….18
4-4-1成形溫度370℃板片底部中心顯微結構分析…...….…18
4-4-2 成形溫度 420℃板片底部中心顯微結構分析……...…18
4-4-3 成形溫度370℃、420℃微結構變化…………...…...…19
第五章 結論………...………20
參考文獻………...………..………...…...21
表目錄
表一 AZ31 鎂合金成份表...23 表二 鎂合金零件應用...23 表三 輕金屬合金材料為未來之產品趨勢...24
圖目錄
圖一. 吹氣成形法示意圖…..………..…...………..……..………25
圖二. Mg-Al 之二元相平衡圖..……….……..…………25
圖三.拉伸應力－應變速率對數值之關係圖…...………....……….26
圖四.鎂合金 AZ31B-O 金相顯微結構(200X)…..………..……….….….26
圖五.氣壓成形母模成形法之盒狀成形圖………...………27
圖六.網格示意圖...27
圖七.光學顯微鏡...28
圖八.慢速精密切割機……...……...29
圖九.雙盤可調速研磨機...29
圖十.本實驗所採用之熱壓機...30
圖十一.熱壓機之控制器...30
圖十二(a).AZ31B-O 於 370℃條件下成形時間為 106 秒內 XY 位移路徑 圖………..31
圖十二(b).AZ31B-O 於 370℃條件下成形時間為 165 秒內 XY 位移路徑 圖………..31
圖十三(c).AZ31B-O 於 420℃條件下成形時間為 105 秒內 XY 位移路徑 圖………..31
圖十三(d).AZ31B-O 於 420℃條件下成形時間為 70 秒內 XY 位移路徑 圖………..31
圖 十 四 (a).370℃ 、 420℃2.8MPa 成 型 時 間 45 秒 XY 位 移 路 徑 比 較 圖………..31
圖 十 四 (b).370℃ 、 420℃2.8MPa 成 型 時 間 105 秒 XY 位 移 路 徑 比 較 圖………..31
圖十五(a).AZ31B-O 於溫度 370℃壓力 3.2MPa 成形時間為 106 秒壓力程序
圖………..32
圖十五(b).AZ31B-O 於溫度 370℃壓力 2.8MPa 成形時間為 165 秒壓力程序 圖………...…….. 32
圖 十 六 (a).AZ31B-O 於 溫 度 420℃ 壓 力 3.0MPa 成 形 時 間 為 70 秒 壓 力 程 序 圖………..32
圖十六(b).AZ31B-O 於溫度420℃壓力2.8MPa 成形時間為105秒壓力程序 圖………..32
圖十七.AZ31B-O於370℃-106秒厚度分佈變化………...………32
圖十八.AZ31B-O於420℃-105秒厚度分佈變化………….... ...…………32
圖十九.AZ31B-O盒狀中心位置厚度變化………….……….. ...……….………..33
圖二十.370℃-106秒盒狀等效應變變化………....…….………...……....33
圖二一.420℃-105秒盒狀等效應變變化……….………...…....33
圖二二.370℃-3.2MPa-106s厚度變化………..……….………...……...33
圖二三.370℃-2.8MPa-165s厚度變化………...………….... ….………...33
圖二四.420℃-3.0MPa-70s 厚度變化………...…………... ….………..33
圖二五.420℃-2.8MPa-105s厚度變化…...………..….………... ….………..34
圖二十六.AZ31B-O 盒狀中心位置厚度變化……...………..…...….... ….………..34
圖二十七.最後成形階段厚度變化………..……..………….….... ….………..34
圖二十八.370℃-3.2MPa-106s 等效應變關係圖……..………...………….………..34
圖二十九.370℃-2.8MPa-165s 等效應變關係圖……..…………... ….………..34
圖三十.420℃-3.0MPa-70s 等效應變關係圖……..……..………... ….………..34
圖三十一.420℃-2.8MPa-105s 等效應變關係圖..……..………. …….. ….………..35
圖三十二.370℃-3.2MPa-106s X 應變關係圖..……..………….……... ….………..35
圖三十三.370℃-2.8MPa-165s X 應變關係圖..……..….……...………….………...35
圖三十四.420℃-3.0MPa-70s X 應變關係圖..……..………...……... ….………..35
圖三十五.420℃-2.8MPa-105s X 應變關係圖..………….….……….………...35
圖三十六.超塑性吹氣成形過程示意圖..……….……….. ….………..36
圖三十七.370℃-3.2MPa-106s 板片中心金相(200X)….………….….. ….………..37
圖三十八.370℃-2.8MPa-165s 板片中心金相(200X)….………….….. ….………..38
圖三十九.420℃-3.0MPa-70s 板片中心金相(200X)….………….…….…………...39
圖四十.420℃-2.8MPa-105s 板片中心金相(200X)….………..…. ….………..40
圖四十一.370℃-0.8MPa-4s 板片金相………..……….. ….………..41
圖四十二.370℃-1.0MPa-5s 板片金相………..……….. ….………..42
圖四十三.370℃-1.2MPa-6s 板片金相……….……..…………. ….………..43
圖四十四.370℃-1.6MPa-8s 板片金相……….…………... ….………..44
圖四十五.370℃-2.4MPa-12s 板片金相………..……….………...45
圖四十六.370℃-3.2MPa-16s 板片金相……….…………. ….………..46
圖四十七.370℃-3.2MPa-46s 板片金相……….………. ….………..47
圖四十八.370℃-3.2MPa-76s 板片金相………..………….………...48
圖四十九.370℃-3.2MPa-106s 板片金相………...….……….………...49
圖五十.370℃-0.7MPa-4s 板片金相………..….……….………….………...50
圖五十一.370℃-0.9MPa-5s 板片金相……….……... ….………..51
圖五十二.370℃-1.4MPa-8s 板片金相……….………... ….………..52
圖五十三.370℃-2.8MPa-15s 板片金相……….………….………...53
圖五十四.370℃-2.8MPa-45s 板片金相……….…….………….………...54
圖五十五.370℃-2.8MPa-75s 板片金相……….….………….………...55
圖五十六.370℃-2.8MPa-105s 板片金相……….……….……..….………...56
圖五十七.370℃-2.8MPa-135s 板片金相……….….………..….………...57
圖五十八.370℃-2.8MPa-165s 板片金相………...….……….………...58
圖五十九.420℃-0.75MPa-4s 板片金相……….…….………….………...59
圖六十.420℃-1.0MPa-5s 板片金相………..…………..….………...60
圖六十一.420℃-1.2MPa-6s 板片金相……….…….………..….………...61
圖六十二.420℃-1.5MPa-8s 板片金相………….……….………..….………...62
圖六十三.420℃-3.0MPa-10s 板片金相……….……….….………...63
圖六十四.420℃-3.0MPa-40s 板片金相………..………….………...64
圖六十五.420℃-3.0MPa-70s 板片金相……….……….….………...65
圖六十六.420℃-0.7MPa-4s 板片金相……….………...….………...66
圖六十七.420℃-0.8MPa-5s 板片金相……….……..….….………...67
圖六十八.420℃-0.9MPa-6s 板片金相……….………...….………...68
圖六十九.420℃-1.4MPa-8s 板片金相……….……..….….………...69
圖七十.420℃-2.8MPa-15s 板片金相……….……...…..….………...70
圖七十一 420℃-2.8MPa-25s 板片金相………...………...…...….………..71
圖七十二.420℃-2.8MPa-45s 板片金相……….…...…...….………..72
圖七十三.420℃-2.8MPa-45s 板片金相………..…..…..….………...73
圖七十四.420℃-2.8MPa-105s 板片金相………..….….………....74
圖七十五.成形溫度 370℃板片中心晶粒尺寸比較圖…….….….…..….………....75
圖七十六.成形溫度 420℃板片中心晶粒尺寸比較圖…….…...……..….………...76
圖七十七.板片中心晶粒尺寸圖…….……….…...…. ….………...77
圖七十八.370℃微結構(200X)……….………..78
圖七十九.420℃微結構(200X) ………...………….………..………79
第一章 緒論 1-1 前言
近年來由於能源及資源危機，環保意識抬頭，使得產業界在各項製程及產品 不得不朝向生態及環保兩方面發展，質輕、可回收、具良好成形性及機械性質的 材料，實為新合金材料發展必然之目標。鎂（Magnesium, Mg）於地殼中的含量 約 2.5％，在海水中亦有 0.13％的含量，是地球中蘊含量甚為豐富的元素之一，
於所有元素中排名第八，於常用的結構金屬中亦僅次於鋁及鐵，排名第三；其比 重為 1.78，比起不鏽鋼（比重 7.96）、鋁合金（比重 2.7）要來的輕許多，為常用 結構金屬中最輕者且因其具有密度低、比強度高、抗震性、散熱性佳、電磁波遮 蔽性良好、機械加工性質優良與回收容易等等諸多優異特性，使得近年來鎂合金 在產業界各方面的應用中具有相當大的優勢。
最近數十年來 3C 產品大行其道，而 3C 產品常須有可攜性(Portable)，因此 對於輕量化的材料有極殷切的需求，除了工程塑膠(比重 1.2-1.7) 外，使用鎂合 金也是另一個選擇。但可攜式產品仍在日益追求輕薄短小，各式塑膠材料在結構 剛性、散熱性等已開始逐漸不敷需求，而新的產品材料特性要求亦不斷出現，且 要求更好，如電磁波干擾(EMI)的屏蔽、可回收性等，皆使塑膠無法滿足需求，
而鎂合金在此諸特性及環保回收性總體衡量下，皆較工程塑膠及其他常用的輕量 化材料為佳。由於鎂合金為 HCP 的結構，滑移系統較少，使鎂合金無法在室溫 下鍛造成形，只有升高溫度才能降低其應力，使鎂合金滑移面較易發生。當材料 結構上晶粒在小於 10μm 具備超塑氣壓成形基本條件，將對於鎂合金 AZ31B 板 片成形在高溫環境下經由晶粒滾動(Grain rotation)及晶界滑移(Grain boundary sliding)達到變形機制，增加於高溫成形時金屬流動的成形性[1]，就以目前所使用 於 HCP 結構的鎂合金 AZ31B 的高溫塑性溫度是在 250-420℃，並且在 300℃以 上隨溫度上升有越明顯的延伸性，由於鎂合金為 HCP 的結構，使鎂合金無法充 分有效的在室溫下鍛造成形，只有升高溫度才能降低其應力，在高溫時使鎂合金
滑移面較易發生，產生非基底的滑移系統[2] 鎂添加其他元素成為合金型態時，
相當適合用來生產小而輕的零組件，此狀況使得鎂合金被大量使用在資訊產業的 產品上，例如：相機、投影機、筆記型電腦、光碟機、手機及電視等的框架。然 而鎂合金因其本身的 HCP 結構使得其冷加工性差，使得早年鎂合金大多用於航 空工業上。
就 以 目 前 所 使 用 於 HCP 結 構 的 鎂 合 金 AZ31B 的 高 溫 塑 性 溫 度 是 在 250-420℃，並且在 300℃以上隨溫度上升有越明顯的延伸性[3-6]，且 AZ31B 鎂合 金隨溫度升高流變應力減少，並在高溫時降低加工硬化[7]，然而於溫度 673K 拉 伸速率為 2×10-4S-1時有晶粒成長產生，但依然具有超塑性之特性，673K 時可利 用超塑性氣壓成形達成 800%的成形性[8]。由於超塑性材料成形溫度是在 0.5Tm 以上溫度，在這溫度下應變硬化指數對成形之影響有限，可將 n 值(應變硬化指 數 Strain-hard exponent)視為零，因此將σ：流變應力(Flow stress)、k：常數(Material constant)、ε ：應變(Strain)、 m ：應變速率敏感指數(Strain rate sensitivity)，代入 流變應力方程式可為：
kεm
σ = ……….…….(1-1)
本實驗也將利用 370℃和 420℃兩種溫度環境下，進行快速氣壓成形實驗，
借以實驗應變量和厚度變化量來進行分析研究，以及鎂合金板片利用超塑性成形 立未來實用性
1-2 研究動機與範疇
近年來由於 3C 產品的發展已成為我國的重點產業之一，再加上前文所提到 鎂合金的諸多優勢，使得鎂合金近年來開始受到業界矚目，並且應用率快速地大 幅提昇。
常見金屬的成形方法不外乎為：鑄造、鍛造、沖壓、超塑性成形、粉末冶金
等等。
在研究鎂合金板片成形方面，在過去，因種種因素造成鎂合金在材料上的需 求量不大。然而，在近幾年鎂合金在市場上的需求有大幅提高趨勢，主要是利用 壓鑄法於汽車工業、筆記型電腦外殼、手機外殼等等。
由於鎂合金無法向鋁、鋼等泛用金屬般在室溫成形，因此目前多利用壓鑄法 與射出成形法。一般此等成形方法往往造成了過多的材料浪費，造成成本增加。
為了改善此一方法，當試採用鎂合金板片之成形方式。雖然在室溫中鎂合金 的成形性差，但是幸運的是可以藉由提高工作溫度，例如將工作溫度提高至 300°C，有效的改善鎂合金的延展性，以增加成形性。
本實驗是採用吹氣成形(Gas blow forming)的實驗方式，如圖一。吹氣成形是 利用氣體的壓力將鎂合金板材壓入至母模的凹穴處中，此一成形方式可減少板片 與模具間的摩擦力，因為此一優點所以鎂合金材料的延展性可在高溫下完全顯示 出來。並且將研究板片成形後各個位置上的應變分佈情形，除此之外，也將探討 AZ31B-O 鎂合金在高溫變形過程中，薄板片於母模成形性、厚度變化、及晶粒 組織變化等情形；藉以分析得知溫度對成形參數之影響。
1-3 鎂合金之需求與發展 3C 及汽車產業方面:
隨著全球通訊事業大幅開放以及網際網路的快速成長，對於可攜式資訊設 備，如筆記型電腦(Note book personal computer) 、行動電話(Cellular phone) ，個 人資料助理(Personal digital assistant , PDA)之需求量大增，產品之特性除了必須 滿足各種環境變數(高溫潛變、低溫脆性、化學腐蝕性、潮濕氧化…) ，輕薄短 小之輕量化設計，必然成為未來發展的主要趨勢。
以筆記型電腦為例，外殼重量約佔總重量的 30%，傳統上，這些產品的外殼
多半採用工程塑膠，例如 PC、ABS、PBT 等製作，一般厚度為 2mm 左右;若為 了減輕重量而將外殼厚度改薄時，工程塑膠元件剛性及強度都不夠，且會有翹曲 變形的問題，添加玻璃纖維雖可增加強度，缺點則是製品重量會增加，(工程塑 膠比重約為 1.2 至 1.4，碳纖維比重約為 2.0) ，韌性及耐衝擊性也會變差，而鎂 合金所獨具的優良特性，將會使他在未來的 3C 產品應用上大放異彩。
為了面對能源危機的日益嚴重，汽車輕量化已成為當前最重要的課題，而各 大車廠在鎂合金的應用與需求方面不斷增加，另一方面，也正因為鎂合金的剛性 佳，提供了汽車良好的安全性。
第二章 文獻回顧
2-1 鎂合金材料概述 2-1-1 鎂合金簡介
鎂 之 原 子 序 為 12 ， 其 結 晶 結 構 為 六 方 最 密 堆 積 HCP(Hexagonal Close-packed , HCP)之晶格排列，原子量 24.305， 比重 1.74g/cm3[9]。
易於搬運和處理，適用於各式各樣輕量化需求的攜帶式電子產品；而運用在汽車 等運輸機器，其輕量化特性亦有助於節約能源，並減輕 CO2排放量。
鎂合金與塑膠材料相比，比重雖然較大，但強度較高，可替代鋼、鑄鐵、鋅 合金及鋁合金等材料。此外，鎂合金的熱傳導率也相當優越，運用在機器內外部 時，散熱效果佳。
純鎂的比重是實用金屬中最輕的，結構用材料 AZ31 之比重為 1.78，AZ91 為 1.82。是鋁的 2/3，鈦的 1/3，鐵的 1/4[9]。但較易氧化，所以工業上很少使用 純鎂，鎂在常溫時，加工困難，而在 350~450°C 時，卻很容易加工。
因其 HCP 結構，所以滑動系統少，塑性變形能力不高，不易採機械成形方 式加工，倘若在室溫下沖壓或軋延，非常容易造成材料的破裂及損壞，唯有升高 溫度，促使其產生新的變形結構，增加其差排移動率，才能夠讓材料成型。
2-1-2 鋁元素的影響
1. 鋁添加在鎂金屬中，可增加強度以及硬度。
2. 當鋁含量達到 6%以上可成為熱處理合金，具有助晶粒細化的效果，並有增進 強度及抗拉強度的作用，但是鋁的含量增加，會導致延性降低[9]。
3. 添加鋁主要強化的結構是在於固溶處理以及時效處理才會有明顯的作用[10]。 4. 根據 Mg-Al 平衡圖(圖 2)[11]，可知主要的時效強化相為β-相之 Mg17Al12化合
物[10]。
2-1-3 鋅元素的影響
1. 添加鋅主要是為了減少鎂合金腐蝕的現象，形成 Mg32(Al,Zn)4化合物[10]，增 加鎂的抗腐蝕性。
2. 鋅加入鎂合金中可以減少鐵、鎳的固溶量，因此有去除雜質的作用，同時也 減少鐵、鎳對鎂合金的腐蝕現象[9]。
3. 增加鋅的添加量可以使鎂合金的熔點降低、收縮性減少、並增加凝固範圍[12]。 4. 鋅含量超過 1%以上時，最增加該合金之熱裂性[12]。
2-2 超塑性材料分類
超塑性材料分為兩大類[13]：
2-2-1 細晶超塑性（Micrograin superplasticity）
細晶超塑性又稱為組織超塑性（Structureal superplasticity），因為其組織須 具有微細的晶粒結構（Fine-Grain Structure），而且操作溫度固定，也稱為恆溫 超塑性（Isothermal Superplasticity）。
這類的超塑性材料有下列特徵：
(1)細晶結構組織，晶粒尺寸大小≦10μm，而且在超塑性成形時晶粒的穩定性要 高。
(2)超塑性成形溫度通常≧0.5Tm（Tm：材料熔點溫度），而且加工溫度保持一 致。
(3)應力－應變速率（σ–ε•）的雙對數關係曲線，如圖2 – 3 所示，曲線上之斜率 定義為應變速率敏感係數（m：Strain rate sensitivity），m值一般都要求在0.5 以上。
(4)利用晶界滑移機構（Grain boundary sliding machinism）來達到超塑性。
(5)晶粒為等軸 ( Equiaxed ) 形狀。
(6)大多數的超塑性材料為兩相材料 ( Two phase material )，第二相存在的最主要 目的，是在超塑性變形的過程能抑制晶粒成長 (因為當晶粒成長，就無法有 超塑性的基本要件了，晶粒須小於 10μm )。所以，有許多的超塑性材料為共 晶相或共析相。但是，並不是一定要 兩相材料才是超塑性材料，如鋁合金。
鋁合金不是兩相材料，不過藉由添加一些元素 ( 如：添加鋯，0.2 ~ 0.5% )，
再利用熱處理的方法讓夾雜物 ( Particle ) 析出，且夾雜物必須小，因為大的 夾雜物反而會促進晶粒成長。
(7)超塑材料如果是利用析出第二相來控制晶粒大小時，析出的第二相的強度要 和母材的強度相當，才不會在析出第二相和母材接觸面產生空孔( Cavity )。
兩者強度相當時，才不會降低延伸率。同時，要控制析出的第二相均勻的散 佈於母材中。
(8)超塑性變形的主要機制為晶粒的滑移。高角度的晶界比小角度的晶界容易滑 移，所以，母材中的晶界為高角度時，較容易成為超塑性材料。
(9)晶界須具有流動性（ Mobility），當晶界滑動時減少應力集中的發生。
2-2-2 環境超塑性（Environmental superplasticity）
與組織超塑性材料不同之處，為組織上不特別要求為細晶，而且 超塑性成形溫度不用加以固定，而是循環性，通常可分為兩種情況：
1、利用材料相變態或同素異向轉換溫度附近上、下作熱循環時，
此時材料強度明顯降低，受外力作用會產生極大的伸長率。
2、利用材料在熱循環時，由於材料為非等向性（Anisotropy）熱膨 脹，或組織上不同相的熱膨脹不同，導致結構上產生內應力，
產生小量的塑性變形，若以多次的熱循環，則可累積得相當大 伸長量。
2-3 鎂合金板片成形概述
[19]鎂合金板片的成形方面，壓鑄的製程中，製造出來的鎂合金薄壁元件，並
不是一個理想的製程，因為他將導致極度大量的材料浪費，雖說鎂合金可提供二 度的回收，但對於產業界而言，莫不成為生產成本上的一大負擔。所以需藉著研 究板片型過程中，來找出並探討一個潛在的解決方法。但很幸運的，鎂合金的材 料性質可藉由提高工作的溫度而改變，例如:將工作溫度提高到 300°C 以上。所 以我們有計劃的將鎂合金 AZ31 在各種高溫中，進行成形的實驗，評估利用擠製 出的板片來產生產品的可行性。我們利用吹氣成形的實驗方式，來探討其鎂合金 快速氣壓特性之特性分析。
2-3-1 吹氣成形法
吹氣成形方式，則是利用氣體的壓力將鎂合金板片吹入母模的凹穴處中。
而應變分佈在產物上的各個不同的位置也更容易被計算出來。除此之外，也可描 繪與架構材料流經之路線。
2-3-2 鎂合金板片吹氣成形
鎂合金板片的成形方面，常用之壓鑄的製程，並不一定適合薄殼件產品，並 不是一個理想的製程，因為它將導致大量材料的浪費。雖然鎂合金具有良好回收 性，但對於產業界而言，莫不成為生產成本上的一大負擔。所以須藉著研究板片 的成形過程中，來找出並探討一個較合理的成形方法。很幸運的，鎂合金的材料 性質可藉由提高工作的溫度而改變，例如：將工作溫度提高到300℃以上，鎂合 金之塑性成形能力大幅改變。本研究將輥軋後晶粒細化的AZ31 鎂合金板片，在 370℃及420℃的實驗溫度下，進行吹氣成形的實驗，探討其超塑成形性之特性。
2-3-3 吹氣成形的優缺點
吹氣成形優點
1、利用較低的流變應力，即可獲得板材產生塑性變形時所需的動能。
2、可以使用單一的公模或母模，節省模子設計及製造的費用。
3、成形過程中，模具幾乎沒有產生磨耗，使得模具可以有較長的使用壽命。
4、對於有複雜幾何外形(Geometry)和深抽(Deep drawing)的產品較
容易成形，可以一次完全成形，減少產品加工的次數，節省工作時間。
5、整個成形過程，所產生的噪音很小。
6、工件成形後，自模具中取出幾乎沒有回彈(Spring back)現象。
7、工件表面狀況良好，而且工件內部並無殘留應力(Residual Stress)，一般可以直接使用，不必再做加工處理。
8、配合擴散接合(Diffusion bonding)技術，可製成類似蜂巢狀(Honey comb)中空 產品，不僅可減少材料不必要的浪費，簡化製造程序，
減輕成品重量，使得超塑性成形更具商業使用價值。
吹氣成形缺點
1、在高溫環境中(T＞0.5Tm)操作，增加對操作人員的危險性，而且長期下來，
對身體或多或少會產生傷害。
2、高溫將使板片、模具、設備易於氧化，因此在模具、設備的設計及材質選用 上需要特別費心。
3、在高溫爐內成形，需要一直保持高溫，對於加熱所造成的電力成本相當大。
4、量產前的成形條件(溫度、壓力、時間)需要經過不斷嘗試(Try and error)才能得到。
5、成形速度慢。
2-4 超塑性簡介
超塑性(Superplasticity)是指具有特定組織的材料，在特定之環境下(高溫及 低變形速率) 當其受外力作用而產生塑性變形，因其內部產生的變形阻抗很小
[15]，而使材料產生極大的塑性變形量。基本上超塑性變形是屬於高溫潛變(High temperature creep)的一種現象，而造成材料產生超塑性變形的機構包含晶粒滾動 (Grain rotation)及晶界滑移(Grain boundary sliding)。
大部份金屬材料在拉伸試驗過程中，會產生頸縮(Necking)的現象後斷裂。倘 若將拉伸試驗的工作環境由常溫改置於高溫後再進行測試，其延伸率雖然可以增 加，但通常不會大於 100%。假如材料具有超塑性之性質且在同樣高溫環境下作 拉伸試驗，此時材料的延伸率可達 300%~1000%之間，少數超塑性材料甚至能達 5000%以上[16]。
而一般金屬材料於拉伸試驗過程中會產生加工硬化，但是超塑性材料因其高溫動 態回復很快，所以幾乎不會發生加工硬化，而是以「後均勻」(Post-uniform)的方 式來變形的[17]。
一般而言金屬材料若要具有超塑性之特質，其最基本的條件就是要有晶粒尺寸小 於10μm 的結晶結構。細晶結構的材料之所有會有超塑性之性質，主要是因為細 晶材料於受力後是藉由晶界滑移及晶粒滾動來產生塑性變形，原則上晶粒並不會 有太大的變形，所以經過塑性變形後的材料，還能保持等軸之晶粒結構。
跟一般金屬材料是利用差排滑動來產生塑性變形是不同的。而且一般的金屬材料 在塑性變形後，其材料成變形之長條晶粒結構，所以延伸量並不會太長。
2-4-1 超塑性成形簡介
超塑性成形(SPF; Superplastic forming)是利用材料的超塑性性質，在高溫 (約 0.5Tm; Tm:材料熔點溫度)下以低拉伸應力作用而產生極大變形率的一種特殊 成形加工技術，如果再配合擴散接合技術就能生產出相當複雜、質輕且堅固的零
組件，進而可節省相當可觀的製造成本。目前針對超塑性材料所發展的成形技 術，主要有下列幾種方法[17]:
(1)吹氣成形(Blow forming) (2)真空成形(Vacuum forming) (3)熱成形(Thermo forming) (4)擠製法(Extrusion) (5)鍛造法(Forging) (6)深抽法(Deep drawing)
(7)無模抽拉法(Dieless drawing)
(8)超塑性成形合併擴散接合(SPF/DB)
以上 8 種超塑性成形方法各有其優點及特性，其中又以吹氣成形最為業就所使 用，此種方法是先將適當尺寸的板材放置於氣密性良好的模具中，並將模具鎖緊 後，再將模具升溫至材料所需成形溫度，然後在以惰性氣體通入模具中，並隨著 時間調整壓力大小，使板材成為我們所設計的幾何圖形。
第三章 實驗設備與流程 3-1 實驗材料
本次實驗將使用超塑性母模成形法進行研究，板材使用上以韓國 POSCO 公 司生產的鎂合金 AZ31B-O 板材，材料成分為 Mg-3.01 Al- 0.98 Zn-0.32Mn(wt-%)，
成份如表一所示，母材平均晶粒皆小於 6μm，具備超塑性氣壓成形基本條件，
AZ31B-O 材板片金相圖如圖四所示；AZ31B-O 材板片厚度為 0.6mm。先將板材 裁切成與模具適當大小比例，再以化學蝕刻方式將板材蝕刻直徑為 2.5mm(d0)陣 列排列圓形網格。再將蝕刻備製完的板材置於氣壓成形模具內，分別將模具加熱 到 370℃以及 420℃成形溫度。以及將板材成形為長方盒狀，並將利用 370℃及 420℃兩種溫度時，其模具尺寸為 110 mm (長) × 45mm (寬) × 10 mm (高)，將時 間控制於 180 秒內完成，如圖五所示。超塑性氣壓成形的過程，板片變形，當板 片逐漸成形至半球狀時，網格上的小圓形也會因變形而成，在獲得不同條件之超 塑性成形試件後，分別量測變形後不同位置網格經度及緯度方向之直徑 d1、d2 及試件的厚度 h，為較大之圓形或是成為橢圓形。再將這些數據利用下式計算不 同位置的主軸應變(Principal strain)、等效應變ε (Effective strain)、瞬時應變
ε
∆ (Instantaneous strain)及平均應變速率ε (Average strain rate)等。
(
1 2)
1 =ln d d
ε ………..………(3-1)
(
2 0)
2 =ln d d
ε ……….………(3-2)
(
1 0)
3 =ln h h
ε ………..………(3-3)
(
32)
212 2 2
3 1
2
× + +
= ε ε ε
ε ...(3-4)
∆t
=
∆ε ε , ∆t=
(
t1−t0)
、(
t2 −t1)
...(3-5) ε tε = ………...………..(3-6) 利用本次實驗探討鎂合金 AZ31B-O 材於不同的條件下，利用快速氣壓成 形，材料內部結構的變化、應變狀態、厚度分佈以及厚度的變化量等，影響成形
性之分析。
3-2 實驗設備
(1)蝕刻機
蝕刻機為美國 Martornics 公司生產之 Etch-O-Matic 蝕刻機。本設備利用電化 學腐蝕的原理，搭配如圖六所示之網格(蝕刻尺寸為直徑 2.5mm，圓心間距為 3mm) 及 LNC-4 鎂合金專用蝕刻液，於試件的表面蝕刻出陣列之圓形標記，以作為成 形後分析之用。
(2)光學顯微鏡(OM)
本實驗所使用的為 OLPMPUS 公司所生產之光學顯微鏡，如圖七所示。此 項設備主要是觀察成形試件內部金相狀態之變化，並配合 CCD 拍攝成形階段之 影像。
3-3 成形壓力控制
超塑性成型的製造程序很多，而本次實驗所使用的為吹氣成形法，此種方法 所使用之設備較為簡單，且花費較為低廉。成形所需的應變速率由氣體壓力控 制；而本實驗所使用的氣體為氮氣（N），氮氣除了能提供成形所需的壓力外，
並且具有保護材料的作用，可避免零件在成形的過程中產生高溫的現象。
在吹製實驗中，若成形壓力過大，將會使材料因承受不了太大的張應力而破 裂，則無法達到完全成形的效果；若成形壓力過小，則會造成成形時間的浪費不 符合效率成本。材料初始變形時，為了克服材料本身內應力產生之彎矩效應，並 配合所需之應變速率，且曲率半徑隨著變形量的增加隨著減少，成形不易，所以 成形壓力逐漸升高；成形經過一段時間，在試片尚未與模具接觸前，由於厚度有 明顯減少的現象，成形變的比較容易，為了配合應變速率，所以成形的壓力有下
降的趨勢。待試片與模具接觸後，流變應力為了克服材料與模具間之模擦力作 用。圖十五及圖十六則為本實驗設定溫度之壓力及成形時間。
3-4 實驗步驟
1. 本實驗所採用之模具為長 110mm，寬 45mm，高 10mm 之長 方形 模穴。
2. 將鎂合金 AZ31-O 厚度為 6mm 試片裁切至適當大小，並選擇表面較好的一面 用電化學蝕刻的方式，在表面上蝕刻出直徑 2.5mm、圓心的中心間距為 3mm 的圓形記號。
3. 將模具置入熱壓中加熱至所須之溫度如，實驗之熱壓機如圖十。
4. 將試片置於下模上，將上模和下模利用氣密環緊密的將試片夾於其中，利用 高壓的氮氣(N)經由上模進行吹氣成形實驗。
5. 重複步驟 2、3、4 來得到所需之各個壓力以及各種溫度之試片。
6. 量測成形後試片上蝕刻之圓點 XY 及圓心間距、厚度等數值，並紀錄及分析。
7. 在成形後的試片製成金相試片，再利用光學顯微鏡(OM)觀察其金相。
3-5 金相觀察
在觀察金相之前，必須先將試片裁切至適當大小，並進行冷鑲埋
處 理 ， 利 用 圖 九 所 示 之 可 調 速 研 磨 機 以 水 砂 紙 研 磨 ( 粗 度 :#800->#1200->#1500->#2000) 而 後 使 用 絨 布 搭 配 氧 化 鋁 粉 進 行 拋 光 ( 粗 度:1μm->0.3μm)->0.05μm);試片拋光後接著使用腐蝕液進行腐蝕(腐蝕液之成份 為: 苦味酸 6g+冰醋酸 5ml+水 10ml+乙醇 100ml)，最後利用光學顯微鏡搭配 CCD 觀察其金相晶粒結構。
第四章 實驗結果與討論 4-1 成形性分析
超塑性氣壓成形的吹製過程中，可將板片變型過程分為兩階段，第一階段為 成型開始板片變形，而板片與模具未接觸前，可視為均勻變形稱之為自由成形階 段。然第二階段則為板片變形至與模具底部接觸，直到材料完全成形階段，其此 階段由於板片與模具表面接觸，變形狀態會受到模具表面摩擦影響，使得成形上 金屬流動與變形狀態有不同的結果。
圖十二和圖十三分別為鎂合金 AZ31B-O 材薄板片在不同溫度下的成形狀 態。圖十四(a)及圖十四(b)為成型條件 2.8MPa 45s 及 2.8MPa 105s 不同成型溫度 比較圖，由兩圖可以明顯得知，當溫度提升時第一階段的自由成形，在相同壓力 下，於 420℃下板片變形明顯大於 370℃變形。鎂合金 AZ31B-O 薄板材受高溫金 屬軟化增加金屬的流動性，可以充分在此表示出，並有助於均勻變形。於第二階 段板材與模具接觸後的成形狀態，材料模具之間將有摩擦影響，但是就以成形性 的觀點，當溫度越高成形性越佳，轉彎角的部分成形越好，達到完全成形的條件。
4-2 成形過程之厚度分析
超塑性氣壓成形方式是利用板片在高溫下有較佳塑性變形能力，而變形能 力來自於材料受高溫影響下，材料內部結構能有晶粒滾動和晶界滑移來提升金屬 流動，而成形過程當中也包含到與模具接觸後，兩者之間有表面摩擦力與成形順 序，已至於板片厚度非完全呈現均勻狀態，成形時板片厚度越小表示該處變形量 越大，也是成形過程中容易產生破裂的位置，故本研究將成形過程中厚度分布狀 態加以分析。
利用材料本身具有良好之塑性變形條件，且藉由模具之外型來達到所需之零 組件形狀，是超塑性吹製成形法的基本條件，但是成形過程中，因試片之變形而
使厚度變薄，且成形後零件的厚度分布會有不均勻的現象產生。
超塑性成形不同於一般拉伸變形，試件形狀須由模具外形來達成，因此試件 除應變速率的影響之外，板片亦受試件與模具間接觸順序及摩擦力來影響以至於 成形試件後度隨著不同區域而有所變化呈現不均勻的狀態。
4-2-1 成形溫度 370℃成形過程厚度分析
在 AZ31B-O 370℃盒狀成形實驗中，圖十五(a)及十五(b)為 370℃加壓程序 圖，成形後板片厚度分佈不同的現象，主要是在成形過程中不同位置其應力狀態 (Stress state)差異所造成，由於局部應力的差別導致不同區域有不一樣的應變速 率，最後造成板片成形後不同區域厚度有所不同，由圖二十二及圖二十三可以看 出，370℃盒狀成形實驗中厚度最薄處位於底部彎角處及入模角處。
圖十五(a)及十五(b)為 370℃盒狀成形實驗之壓力程序圖，最終壓力程序為壓 力 3.2MPa 時間升壓 16 秒保壓 90 秒及壓力 2.8MPa 升壓 15 秒保壓 150 秒，可以 從圖二十二、圖二十三得知，兩種壓力條件下厚度最薄處各是成形條件 370oC 壓 力 3.2MPa 時間 106 秒之入模角，厚度為 0.32mm，370℃壓力 2.8MPa 時間 165 秒之入模角，厚度為 0.33mm。
4-2-2 成形溫度 420℃成形過程厚度分析
在 AZ31B-O 420℃盒狀成形實驗中，如圖十六(a)及十六(b)為成型溫度 420℃
壓力程序圖，由圖二十四及圖二十五可以得知，420℃盒狀成形實驗中厚度最薄 處位於底部彎角處，從圖三十、圖三十一 420℃等效應變關係圖可看出，該處應 變量為最大。
420℃盒狀成形實驗中，最終壓力程序為壓力 3.0MPa 時間升壓 10 秒保壓 60 秒及壓力 2.8MPa 時間升壓 15 秒保壓 90 秒，可以從圖二十四及圖二十五看出，
板片厚度明顯比 370℃加壓條件下所成形之試片更薄，420℃時板材軟化的情形
較為顯著，塑性能力增加使內部顯微結構在高溫下較容易超塑性的晶粒滾動現 象，在此種狀況下可減短加壓成形時間。
由圖二十四及圖二十五可以看出，成形條件 420℃壓力 3.0MPa 時間升壓 10 秒保壓 60 秒板片最薄處發生在底部彎角處，厚度為 0.3mm，成形條件 420℃- 2.8MPa 升壓 15 秒保壓 90 秒板片最薄處同樣發生在底部彎角處，厚度為 0.32mm。
4-2-3 370
oC、420
oC 成形完成板片厚度分析
圖二十六為 AZ31B-O 材於、370℃、420℃兩種成形溫度下板片中心頂點厚 度分布圖，其最大壓力分別為 3.2MPa 及 2.8MPa，成形時間分別為 106 秒以及 105 秒，板片中心最薄處厚度分別為 0.5mm、0.5mm。板片底部彎角處中成形溫 度 420℃厚度比 370℃為薄，入模角處成形溫度 420℃厚度也比 370℃為薄，由於 高溫軟化的影響，420℃塑性能力增加，板片軟化效果較為明顯，因此其塑性能 力較 370℃高，因此整理板片的金屬流動顯著，使得板片厚度分布較為均勻。
圖二十七所示為 AZ31B-O 盒狀成形最後階段之厚度-成形時間關係圖，可以 明顯的發現在溫度越高的成形條件下進行吹氣成形，AZ31B-O 板材的高溫軟化 效應越見顯著，溫度的提高可以大幅降低成形過程所需之時間，圖十七在 370℃
條件下，成形壓力 0.7MPa 成形時間 4 秒處其厚度變化量開始較為緩慢，應為所 使用之成形壓力較小並產生加工硬化效應，使得板片薄化略為遲緩。
圖十七為 AZ31B-O 材板片在 370℃下成形過程中板片厚度變化，由圖中可 得知初始成形的板片厚度分佈狀況來判斷接觸模具底部的面積比例，中心部位厚 度的移置狀況，可顯示接觸模具比例小於圖十八中 420℃條件下，中心點位置厚 度較厚依序向模具轉彎角遞減。當成形時板片厚度越薄時表示變形量較大，雖然 第一階段為自由成形，但板片於短時間內接觸模具，因此初期成形時中心位置並 非厚度為最薄，兩種溫度條件下皆有此狀況。
當溫度越高時，金屬軟化和加工硬化性降低，材料越容易於短時間內接觸模
具底部，所以可由圖十八 420℃結果中得知材料厚度於成形初期有較均勻的分 佈。但由於接觸於模具的面積較多，受到表面摩擦阻力影響，可自由變形的部分 與金屬流動部分較少，轉彎角附近部份的變形量增加，厚度薄化程度增加，較 370℃溫度條件下所的厚度來的小。
進一步由圖十九 AZ31B-O 盒狀中心位置厚度變化得知，當溫度提升，初始 成形的變形較大，厚度也較薄，隨著時間的增加中心位置的厚度，接觸模具的部 位，材料有少量的厚度變化。
超塑性氣壓成形方式是利用板片在高溫下有極佳塑性變形能力，而變形能力來自 於材料受高溫影響下，材料內部結構能有晶粒滾動和晶界滑移來提升金屬流動，
而成形過程當中也包含到與模具接觸後，兩者之間有表面摩擦力與成形順序，已 至於厚度非完全呈現均勻狀態，成形時板片厚度越小表示該處變形量越大。
370℃時最薄處為入模角附近，420℃時則轉移至成形 R 角(轉彎角附近)，顯 示溫度升高有效助益板片金屬流動，提升高溫塑性變形，降低加工硬化與差排堆 積。而板片最外緣厚度明顯稍薄，是因為在高溫的環境下，板片受合模壓力力作 用，產生了與氣密環相同的溝槽使厚度明顯比此部位周圍位置較薄。
4-3 成型溫度370℃、420℃應變分析
圖二十和圖二十一分別為 AZ31B-O 材於 370℃和 420℃環境條件下，成形 過程中板片上分佈之等效應變(Effective strain)的變化。整體過程中等效應變的大 小依序由中心位置向側壁部位遞增，再由側壁轉彎角部位往入模角遞減。兩圖相 比交分析得知，當溫度較高時，材料受到高溫軟化現象，等效應變值較高。
由於 420℃即早貼復模具底部，所以後續板片各部位的等效應變成現較規律 性的變化，370℃在溫度的效應下，金屬流動性比 420℃低，所以後期的等效應 變變化，在圖二十的 370℃溫度環境下，應變部位成現較為集中，貼附模具的地 方則無變動，由圖二十和圖二十一比較，可清楚表示出，420℃的條件下則反之，
除中心位置外，其餘部份皆隨著時間變化皆改變。另外在兩種溫度條件下，初始 第一片的等效應變結果類似，此結果試本次實驗所使用的模具深度所呈現的效 果。
圖二十八至圖三十一分別是不同成形應變速率下，370℃及420℃成形試片之 等效應變分佈關係圖，圖二十二至圖二十五為實驗所量測得之厚度分布。入模角 及底部彎曲處流變應力最大，相對產生的應變速率也是最快，會產生較大的變形 量，所以該區域成形板片之厚度明顯最薄。
各個蝕刻網格 X 軸方向的變化量、Y 軸方向的變化量以及厚度方向的變化 量，將數據代入式(4-1)後，所得之等效應變量。
(4-1)
4-3-1 應變狀態分析
在超塑性成形過程中是藉由成形時間與壓力之調節來控制板片成形的應變 狀態，但受到成形幾何形狀的影響，在成形過程中，板片不同區域所承受的應變 或應變狀態會有所不同，板片各區域的變形量以及變形速率也會有所差別，因此 在成形過程中板片整體並非以單一相同的應變速率進行成形。
4-3-2 成型溫度 370
oC 等效應變分析
圖二十八及圖二十九為 AZ31B-O 在 370℃壓力 3.2MPa 成形時間 106 秒及 370℃壓力 2.8MPa 成形時間 165 秒之等效應變曲線圖，圖三十二及圖三十三則 為此成形階段中心線蝕刻點短軸方向應變關係圖。由圖中可以發現到在中央點位 置至底部彎角處前，因板片貼模影響，所以板片之短軸方向應變較為均勻，而越
往底部彎角處短軸方向應變越大，特別是在底部彎角處及入模角處，在板片中心 點至底部彎角前，由於板片貼模的影響，所以板片底部厚度較為均勻且較其他位 置厚，所以板片底部厚度之應變較小，而往入模角處應變越大，入模角變形量較 大，導致材料薄化，根據圖二十二、二十三也可得知，這兩個位置是厚度應變最 大的區域，而板片最外緣厚度明顯稍薄，是因為在高溫的環境下，板片受合模壓 力力作用，產生了與氣密環相同的溝槽使厚度明顯較薄。
4-3-3 成型溫度 420℃等效應變分析
圖三十及圖三十一為 AZ31B-O 在 420℃壓力 3.0MPa 成形時間 70 秒及 420
℃壓力 2.8MPa 成形時間 105 秒之等效應變曲線圖，在圖三十四和圖三十五可以 發現到在中央點位置至底部彎角處前，因板片貼模影響，所以板片之短軸方向應 變與 370℃成形之試片相同，皆是板片底部位置，等效應變較為平均，而入模角 及底部彎角處變化較大，但應變量比 370℃成形之試片成形之試片為大，在板片 中心點至底部彎角前，由於板片貼模的影響，所以板片底部厚度較為均勻且較其 他位置厚，板片底部厚度之應變也較小，而往底部彎角處越變越大，因底部彎角 處變形量較大，導致材料薄化，入模角亦同，這兩個位置是厚度應變最大的區域，
而板片最外緣厚度明顯稍薄，是因為在高溫的環境下，板片受合模壓力作用，產 生了與氣密環相同的溝槽使厚度明顯較薄。
而圖二十八至圖三十一我們可以看出， AZ31B–O 材成形溫度 420℃之應變 量大於成形溫度 370℃，是因當溫度越高時，金屬軟化和加工硬化性降低之影響。
4-4 顯微結構分析
計算平均晶粒的大小是一個非常重要的結構參數，除非實驗溫度相當高，晶 粒大小對多晶金屬的硬度與強度有很大的影響，晶粒越小，硬度或流變應力越大。
本研究所使用計算微結構中的晶粒尺寸大小，是使用截線法(Linear intercept
method)，量測出平均晶粒截距l(Mean grain intercept)
母材平均晶粒皆小於 6μm，具備超塑性氣壓成形基本條件，AZ31B-O 材板片金 相圖如圖三所示。
圖四十至五十八為成形溫度370℃的鎂合金板片，經盒狀模模穴深度10mm 吹氣成形後的金相圖，圖五十九至圖七十四則為成形溫度420℃的鎂合金板片，
雖然鎂合金材料承受了大量的應變，卻沒有空孔的形成，成形後板片的晶粒大小 有成長的現象。
4-4-1成形溫度370℃板片底部中心顯微結構分析
圖三十八為成形溫度370℃壓力2.8MPa時間165秒之各階段成形試片中心點 金相圖，圖七十五為此成形階段試片中心平均晶粒尺寸比較圖，圖三十七則為成 形溫度370 ℃壓力3.2MPa時間106秒之各階段成形試片底部中心點金相圖，我們 可以發現平均晶粒尺寸隨工作時間增大，由圖七十五我們更可以看出，成型溫度 370 ℃下板片晶粒成長在過了接近成型時間20秒後，板片晶粒成長變的趨緩，最 大尺寸為條件2.8MPa時間165秒的7.4µm。
4-4-2成形溫度420℃板片底部中心顯微結構分析
圖三十九為 420℃壓力 3.0MPa 時間 70 秒板片中心金相圖，圖四十則為成形 溫度 420℃壓力 2.8MPa 時間 105 秒之各階段成形試片底部中心點金相圖，圖七 十六為此成形階段試片中心平均晶粒尺寸比較圖，我們可以發現平均晶粒尺寸隨 工作時間增大，由此也可看出，在持續的加壓下，成形板片的晶粒大小有成長的 現象，和圖七十五成形溫度 370℃點中心晶粒尺寸比較，成形溫度 420℃點中心 平均晶粒尺寸較大，而晶粒成長與成型溫度 370℃不同，明顯可看出晶粒尺寸會 隨著時間成長，晶粒尺寸最大為成型條件 420℃壓力 2.8MPa 時間 105 秒，來到 了 7.79µm。
我們更可以從圖七十七 370℃及 420oC 板片中心晶粒尺寸比較圖可以明顯看 出，雖然 370℃實驗中延長時間晶粒成長效果較不明顯，可是 420℃延長實驗時 間晶粒大小隨著時間明顯成長，所以延長時間、提升溫度，晶粒成長的現象更為 顯著。
4-4-3 成形溫度370℃、420℃微結構變化
成形後之盒狀試件內部微結構如圖七十八和圖七十九，圖七十八為 370℃盒 狀成形之 1、5 和 8 等部位之微結構，該部位標示如圖七十八最上方示意圖中所 示之。材料內部結構上晶粒大小相當均勻，無明顯的晶粒成長現象。在盒狀側壁 (370℃-8)有再結晶的現象出現，該處應變量為整體試件最大部位(由圖二十可得 知)，顯示變形時期具有動態再結晶的過程。然而整體皆保時晶粒滾動的機制進 行變形，且在高溫時降低差排堆積與糾結。
圖七十九為 420℃盒狀成形之 1、5 和 8 等部位之微結構，該部位標示如圖 七十九中示意圖所示之，點 1 為板片底部中心、點 5 為板片底部靠近底部彎角處、
點 8 則為板片側壁靠近入模角處。各部位晶粒尺寸略有成長，較 370℃來的大，
但晶粒沒有被拉長的現象，並且平均晶粒尺寸依然小於10μm，整體性上晶粒依 然保持等軸晶的現象。也由於受到高溫的環境因素，動態再結晶的部分在此條件 下無法清楚辨認或產生。
第五章 結論
1. 鎂合金 AZ31B-O 薄板材因高溫金屬軟化而增加其流動性，並有助於均勻變 形。溫度越高成形性越佳，轉彎角的部分成形越好。
2. 420℃結果中得知，材料厚度於成形初期有較均勻的分佈。但由於接觸模具 的面積較多，受到表面摩擦阻力影響，可自由變形的部分與金屬流動部分較 少，轉彎角附近部分變形量增加，鎂合金 AZ31B-O 薄板材在 420℃，厚度 薄化程度高，且較 370℃厚。盒狀成形試驗中，其成形後之厚度分布以中央 部位最厚，逐漸向底部彎角處遞減，該彎角處為成形的後材料厚度最薄之處。
3. 當溫度提升、工作時間越長，板片最薄處越往板片底部彎角方向移動，而板 片短軸應變最大處為板片側壁處。
4. 370℃在溫度的效應下，金屬流動性比420℃低，所以後期的等效應變變化，
370℃溫度環境下，應變部位呈現較為集中，盒狀成形實驗中，在靠近中央 部份，短軸及厚度方向的應變較長軸應變方向大很多，可以被視為平面應變 的狀態。
5. 鎂合金 AZ31B-O 材在 370℃時，整體試件應變量最大部位有再結晶的現象 出現，鎂合金 AZ31B-O 材在 420℃下變形時，平均晶粒尺寸小於10μm，絕 大多數晶粒依然保持等軸晶粒。
6. 成形零件有動態晶粒成長的現象，在較長的成形時間或是具有較大應變量的 位置，均有較大尺寸的晶粒產生。
7. 在370℃成形時中，晶粒隨時間成長效果較不明顯，但成形溫度420℃下，晶 粒大小隨工作時間明顯成長，
8. 由光學金相中發現，鎂合金材料雖經過高溫成形的階段，其顯微結構會改 變，但受到大量的應變處並無空孔的產生。
參考文獻
1. S.W. Chung, K. Higashi, W.J. Kim, Mater. Sci. Eng. A 372 (2004) 15–20.
2. Mordike B L, EBERT T. Magnesium properties applications potential [J]. Mater Sci Eng A, 2001, 302(1), pp37−45.
3. S. Kaya, T. Altan, P. Groche, C. Kloposch, “Determination of flow stress of magnesium AZ31B-O sheet at elevated temperature, using the hydraulic bulge test”, International Journal of Machine Tool & Manufacture 48, 2008, pp.550-557
4. Hiroyuki Watanabe, Masao Fukusumi, Mechanical properties and texture of a superplastically deformed AZ31 magnesium alloy, 2007, Materials Science and Engineering A
5. K.F. Zhang, D.L. Yin and D.Z. Wu, “Formability of AZ31 magnesium alloy sheet at warm working conditions”, International Journal of Machine Tool &
Manufacture 46, 2006, pp.1276-1280
6. S.M. Fatemi-Varzaneh, A. Zarei-Hanzaki , H. Beladi, “Dynamic recrystallization in AZ31 magnesium alloy”, Materials Science and Engineering A 456, 2007, pp.52–57
7. A.Jäger a, P. Lukáˇc a, V. Gärtnerová a, J. Bohlen b,K.U. Kainer b, ”Tensile properties of hot rolled AZ31 Mg alloy sheets at elevated temperatures”, Journal of Alloys and Compounds 378 ,2004, 184–187
8. W.J. Kim, J.D. Park, U.S. Yoon , “Superplasticity and superplastic forming of Mg–Al–Zn alloy sheets fabricated by strip casting method”, Journal of Alloys and Compounds 464, 2008, pp.197–204.
9. 新材料在線,http://www.materialsome.com/
10. 賴耿陽,”非鐵金屬材料”,復漢出版社,新竹,1998,pp.174~191
11. ASM, ”MagnesiumAlloys”, Metals Handbook 9th Edition, Vo1.6,1985, pp.425~434.
12. ASM, ”MagnesiumAlloys”, Metals Handbook 8th Edition, Vo1.8,1976, pp.314~319.
13. 張永耀,”金屬熔焊學”.徐氏基金會,台北,下冊,1976,pp.134~170.
14. C. H. Hamilton , A. K. Ghosh and J. A. Wert , ” Metals Form ” Vol.8 ,No.4 , 1985 , p172~p190 .
15. Reger Pearce,”Superplasticity an overview”,P1-1~1-13
16. A.K.Ghost and C.H.Hamilton,Seminar Course,Taiwam Feb.13~15,1990 , p25
17. A.K.Ghosh and C.H.Hamilton,Seminar,”Superplastic Forming and Diffusion Bonding”,SPF/DB workshop Taipei Feb.13~15,1990,p25.
18. R. Verma , P.A. Friedman , A.K. Ghosh , C. Kim , and S. Kim ,
Characterization of Superplastic Deformation Behavior of a Fine Grain 5083 Al Alloy Sheet , Metallurgical and Materials Transactions A , 1996 ,p1889
19. N.Chandra And D. Kannan “ Superplastic Sheet Metal Forming Of AGeneralized Cup Part1：Uniform Thinning “ , Journal Of Materials Engineering And Performance , Vol 1( 6 ) Dec. 1992 , 801 ~ 812.
表 1 AZ31 鎂合金成份表
Component(%) Component (%) Component (%)
Mg 97 Al 2.5 ~ 3.5 Zn 0.6 ~1.4 Mn Max 0.2 Si Max 0. 1 Cu Max 0. 05 Ca Max 0.04 Ni Max 0.005 Fe Max 0. 005 Other(Total) Max0.3
表 2 鎂合金零件應用
應用產業 應用產品
汽車零件
車座支架儀表板及托架、電動窗馬達殼體、升降器及輪軸、
電框、油門踏板、音響殼體、後視鏡架
自行車零件
避震器零件、車架、曲柄、花穀、三/五通零件、輪圈、
煞車手把
電子通訊 筆記型電腦外殼、MD 外殼、行動電話外殼、投影機外殼 航太國防 航空用通信器和雷達機殼、飛機起落架輪殼、靶機零組件 運動用品 網球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓之中段與把手
器材工具
手提電動鋸機殼、釣魚自動收線匣、控制閥、相機機殼、
攝錄放影機殼
表 3 輕金屬合金材料之物理性質 金
金屬屬 密度密度（（gg//ccmm33）） 熔點熔點（（℃℃）） 原子原子序序 鋁鋁（（AAll）） 2.2.669999 666600 2222 鈦鈦（（TTii）） 4.4.550077 16166688 1313 鎂鎂（（MMgg）） 1.1.773388 656500 1212 鋰
鋰（（LLii）） 0.0.553344 181800 3 3
密度比較基準為水(H2O:1)原子序最小為氫氣（H2:1），其次為氦氣（He:2）
鋰為除氣體外最輕的金屬元素
圖一 吹氣成形法示意圖
圖二 Mg-Al 之二元相平衡圖
圖三 拉伸應力－應變速率對數值之關係圖
圖四 鎂合金AZ31B-O金相顯微結構(200X)
圖五 母模成形法之盒狀試片圖
圖六 網格示意圖
圖七 OM 光學顯微鏡
圖八慢速精密切割機
圖九 雙盤可調速研磨機
圖十 本實驗所採用之熱壓機
圖十一 熱壓機之控制器
0 10 20 30 40
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
370oC-3.2MPa-106s
370oC-0.8MPa-4s 370oC-1.0MPa-5s 370oC-1.2MPa-6s 370oC-1.6MPa-8s 370oC-2.4MPa-12s 370oC-3.2MPa-106s
0 10 20 30
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
370oC-2.8MPa-165s
370oC-0.7MPa-4s 370oC-1.4MPa-8s 370oC-2.8MPa-45s 370oC-2.8MPa-105s 370oC-2.8MPa-165s
圖十二(a) 370℃ 壓力 3.2MPa -106 秒 圖十二(b) 370℃ 壓力 2.8MPa- 165 秒 XY 位移路徑圖 XY 位移路徑圖
0 10 20 30
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
420oC-2.8MPa-105s
420oC-0.75MPa-4s 420oC-1.0MPa-5s 420oC-1.2MPa-6s 420oC-1.5MPa-8s 420oC-3.0MPa-10s 420oC-3.0MPa-40s 420oC-3.0MPa-70s
0 10 20 30
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
420oC-2.8MPa-105s
420oC-0.75MPa-4s 420oC-1.0MPa-5s 420oC-1.2MPa-6s 420oC-1.5MPa-8s 420oC-3.0MPa-10s 420oC-3.0MPa-40s 420oC-3.0MPa-70s
圖十三(c) 420℃壓力 2.8MPa -105 秒 圖十三(d) 420℃壓力 3.0MPa- 70 秒 XY 位移路徑圖 XY 位移路徑圖
0 10 20 30
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
Graph 1
370oC-2.8MPa-45s 420oC-2.8MPa-45s
0 10 20 30
X-axis(mm)
0 4 8 12
Y-axis(mm)
Graph 1
370oC-2.8MPa-105s 420oC-2.8MPa-105s
圖十四(a)370℃、420℃-2.8MPa 成型時間 圖十四(b)370℃、420℃-2.8MPa 成型時間 45 秒 XY 位移路徑比較圖 105 秒 XY 位移路徑比較圖
0 40 80 120
Formming Time (s)
0 1 2 3 4
MPa
Graph 1
370oC-3.2MPa-106s
0 40 80 120 160 200
Formming Time(s)
0 1 2 3 4
MPa
Graph 1
370oC-2.8MPa-165s
圖 十 五 (a)AZ31B-O 於 溫 度 370℃ 壓 力 圖 十 五 (b)AZ31B-O 於 溫 度 370℃ 壓 力 3.2MPa成形時間為106秒壓力程序圖 2.8MPa成形時間為165秒壓力程序圖
0 20 40 60 80
Formming Time(s)
0 1 2 3 4
MPa
Graph 1
420oC-3.0MPa-70s
0 40 80 120
Formming Time(s)
0 1 2 3 4
MPa
Graph 1
420oC-2.8MPa-105s
圖十六(a)AZ31B-O於溫度420℃壓力 圖十六(b).AZ31B-O於溫度420℃壓力 3.0MPa成形時間為70秒壓力程序圖 2.8MPa成形時間為105秒壓力程序圖
