應變速率在鋁鈧合金塑性變形及差排次結構上的效應分析

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成大研發快訊 - 文摘 成大研發快訊第四卷第九期 - 2008年六月十三日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080613/1.html ]

應變速率在鋁鈧合金塑性變形及差排次結構上的效應分

析

李偉賢

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_、陳道星

國立成功大學機械工程學系 Email:[email protected] Scripta Materialia 54 (2006) 1463-1468 Rank factor: 3/65; Impact factor: 2.161

鋁

合金由於具有優異的比強度，良好的腐蝕阻抗及高的延展性，已被廣泛應用在航太、車輛及船舶等元件的製造上。鈧是種稀土金屬元素，添加少量的鈧於鋁基合金中，可有效提升鋁合金的強度。而強度的提升主要歸因於大量整合型的微細析出物Al3Sc的存在，這些微細的 Al₃Sc析出物可阻礙塑性變形時差排的運動，並產生穩定化的效應。有關鋁鈧合金的研究，早期大都集中於蘇聯，隨後歐美國家開始探討鋁鈧合金的凝固行為、再結晶現象、銲接性能、拉伸特性及基本的機械，並提出許多具體的成果。基於鋁鈧合金優質的機械及物理性能，其應用的範圍已含括航太、汽車、運輸及運動器具等相關之產業。然而在這些產業的應用週期中，鋁鈧合金的元件常承受著動態撞擊荷載，甚至鋁鈧元件製造過程中，材料亦發生高應變率速的變形。而往昔對鋁鈧合金的研究皆著重於基本機械性能的測試，對於鋁鈧合金高速撞擊塑變性能之研究則相當缺乏。因此，本研究乃利用高速撞擊的設備，分析應變速率對鋁鈧合金動態變形特性及其微觀結構上的影響，以供結構之元件設計之應用。本研究所使用之鋁鈧合金係由台灣穗高科技股份有限公司所提供，其化學組成(wt.%)為:鋅8.9%，銅 2.1%，鎂1.7%，鋯0.15%，鈧0.13%，其餘為鋁。本合金主要利用電解爐進行熔解，再將熔融之鋁液澆鑄於預熱之金屬模中。凝固之鑄錠施以480℃持溫16小時之均質化處理，再置於預熱之擠製模中加熱至 500℃，持溫2小時後，間接擠製成直徑15mm，長650mm之棒材。為確保基地中有最佳的Al3Sc析出物形成與分佈，擠製後的棒材先進行465℃持溫1小時之固溶處理後，水冷至室溫，再施以三天之自然時效。最後再進行105℃持溫7小時及150℃持溫10小時的二階段人工時效。經固溶及析出處理後的擠製棒材以線切割放電加工機加工成直徑7±0.1mm，高度7±0.1mm之圓柱形試片。靜態機械性質之測試由MST810材料測試系統來完成，其應變速率控制在10-3_s-1_{。而動態撞擊測試則以分離式哈普金森撞擊測試機以五種不同的} 動態應變速率：1.2×103_s-1_，2.2×103_s-1_，3.2×103_s-1_，4.7×103_s-1_及5.8×103_s-1_{來進行。變形後試片之差排} 結構利用JEOL TEM-3010穿透式電子顯微鏡在200kV條件下進行觀測，並計算出各應變速率下之差排密度。

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圖一（a）：鋁鈧合金在室溫不同應變速率下之真應力-應變曲線圖一（b）：鋁鈧合金之應力-應變數據與 7075-T6 及6061-T6 鋁合金之比較由圖一（a）量測所得之真應力-應變曲線結果顯示，鋁鈧合金之動態機械性質和應變及應變速率有密切的關係。對每一應變速率而言，鋁鈧合金之塑流應力隨著應變量的增加而增加；在固定的應變量下，其塑流應力隨應變速率的增加而快速的上升。若比較靜態和動態的塑流應力值則可發現，在0.4的真應變量下，若應變速率由10-3_s-1_{上升至1.2×10}3_s-1_{，則塑流應力上升大約200MPa左右。這個結果顯示，鋁鈧合金的塑} 流應力對應變速率的敏感性相當顯著。事實上，應變速率的改變不僅影響塑流應力，亦同時影響鋁鈧合金的破壞應變量。正如圖一（a）所示，當應變速率低於1.2×103_s-1_{時，縱使真應變量超過0.4以上，試片仍未}

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成大研發快訊 - 文摘加。相反的，熱活化體積卻隨著應變及應變速率的增加而減少，顯示在高應變速率及大變形條件下，熱活化能量協助差排克服障礙物的效能亦趨於短少。圖二（b）為鋁鈧合金在未變形前之初始顯微結構，不同尺度之Al3Sc析出物隨機分佈在晶粒和晶界上，由於未變形，故差排數量相當少。隨著動態荷載的施加，及應變速率之上升，差排次結構則有明顯的變化，如圖三所示。圖二（a）：在不同應變量下，應變速率對塑流應力之影響圖二（b）：未變形鋁鈧合金之初始TEM結構表一：靜態和動態應變速率間之應變速率敏感性係數與熱活化體積之值

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事實上，在動態荷載下，析出物的存在，有效阻礙差排的運動，加速差排環的形成，並顯著提升材料強化效應。穿透式電子顯微鏡微觀結構的觀測結果指出，在所給予的固溶及時效熱處理條件下，在基地及晶粒邊界上有大量的Al3Sc析出物的分佈。這些析出物的存在，有效的阻礙差排的運動，並顯著提升材料強化效應。而差排結構的分析亦說明了高的應變速率將導致差排的增殖與堆積，並造成差排密度的激增。由於差排密度的增加，進一步促使差排環的尺寸快速降低。而差排環結構的變化，反映出不同的應變速率敏感性及熱活化體積，並與巨觀的塑流應力-應變特性有非常密切的連結關係，如圖四所示。

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成大研發快訊 - 文摘圖三：鋁鈧合金在不同應變率下之TEM差排結構（a） =1.2×103_s-1_{，（b） =1.2×10}3_s-1_{顯示差排和} Al₃Sc 析出物之交互作用（c） =3.2×103_s-1_{，（d） =3.2×10}3_s-1_{，顯示差排和Al} 3Sc 析出物之交互作用；（e） =5.8×103_s-1_{，（f） =5.8×10}3_s-1_{，顯示差排環在析出物及晶界處形成。} 圖四（a）：在固定應變量 0.15下，應變速率和差排密度及差排尺寸間之關係

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