臺灣博碩士論文加值系統

本研究針對AZ系列鎂合金材料，利用旋鍛加工進行31%工程應變量以後，在100至400°C內進行退火，觀察AZ系列鎂合金經退火後的顯微組織變化及常溫機械性質，並研究其100至300°C的高溫拉伸特性；發現在300°C、10-4/s的應變速率下AZ31可以得到30%以上的高溫伸長量，而AZ61的機械性質對於溫度變化的影響相對較小。旋轉鍛造可以在鎂合金材料內產生大量複雜交錯的滑動帶，藉由200°C以上的退火處理，晶粒內累積的高密度差排容易使材料進入再結晶階段，使得晶粒尺寸從原始固溶化組織的150μm在退火及靜態再結晶的熱處理過程大幅縮小到15μm。再結晶過程也伴隨著硬度下降，材料出現軟化現象，當硬度回歸至固溶化狀態時，晶粒仍可維持15μm左右的尺寸。在常溫進行拉伸試驗的破斷面中，劈裂紋分佈隨晶粒細化減少，高溫拉伸試片破斷面的韌窩組織則因為延性提升而越均勻細緻。而經過回爐再鍛造的製程，有助於顯微組織的強化，除了孔隙率再降低以外，晶粒尺寸更可以縮小到10μm，提升鎂合金的機械性能。

AZ series magnesium alloys are rotary swaged and annealed at 100-400°C temperatures. The annealed microstructures and mechanical properties are observed. Mechanical properties of these alloys at 100-300°C temperatures are measured as well. The magnesium alloys form a great number of crossing deformation bands by rotary swaging. Due to formation of high dislocation density in the bands, recrystallization occurs easily with annealing treatments. The grain size greatly reduces from 150μm to 15μm, while the hardness of annealed sample returns to that of solutionized material. Among the alloys investigated, mechanical properties of AZ31 are more sensitive to the annealing temperatures. At a strain rate of 10-4 /s, the elongation of AZ31 alloy reaches over 30% at 300°C. The dimple size decreases with increasing temperature indicating ductile failure when tested at high temperatures. It is also observed that the fraction of cleavage fracture decreases with grain refinement. Subsequent reheating and small strain swaging appears to repair microstructures and regain good mechanical properties. Grain size can be reduced further to below 10μm.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 4
第二章 文獻回顧 9
2.1 鎂合金介紹 9
2.1.1 鎂合金熔煉及元素添加 10
2.1.1.1 元素鋁的影響 11
2.1.1.2 元素鋅的影響 13
2.1.1.3 元素鈣的影響 15
2.1.1.4 元素鋰的影響 16
2.1.1.5 元素稀土元素的影響 16
2.1.1.6 其它合金元素的影響 16
2.1.2 鎂合金分類規範 17
2.1.3 鎂合金材料的優勢 19
2.2 塑性變形機制 20
2.2.1 織構現象 22
2.2.2 機械雙晶 28
2.2.3 晶界滑移 29
2.3 再結晶理論 32
2.3.1 靜態再結晶 32
2.3.2 動態再結晶 32
2.4 塑性加工 33
2.4.1 軋延 34
2.4.2 擠型 35
2.4.3鍛造 38
第三章 實驗方法 41
3.1 材料準備 42
3.2 固溶熱處理 43
3.3 EDS成份分析 43
3.4 金相顯微組織觀察 44
3.5 旋轉鍛造 45
3.6 退火熱處理 48
3.7 微硬度測試 48
3.8 常溫機械性質測試 49
3.9 高溫機械性質測試 50
3.10 破斷表面觀察 51
3.11 孔隙率測量 51
第四章 結果與討論 52
4.1 鎂合金固溶熱處理 52
4.1.1顯微組織觀察 52
4.1.2 微硬度分析 53
4.1.3 鎂合金成份分析 54
4.2 第一道次旋轉鍛造及退火處理(工程應變量31%) 54
4.2.1 顯微組織觀察 54
4.2.2 微硬度分析 58
4.2.3 室溫機械性質分析 59
4.2.4 室溫破斷面觀察 60
4.2.5 高溫機械性質分析 62
4.2.6 高溫破斷面觀察 63
4.3第二道次旋轉鍛造及退火處理(累積工程應變量44%) 65
4.3.1 顯微組織觀察 65
4.3.2 微硬度分析 68
4.3.3 室溫機械性質分析 68
4.3.4 室溫破斷面觀察 70
4.3.5孔隙率 70
第五章 結論 72
參考文獻 74

[1] 葉哲政，從微笑理論看我國鎂合金產業未來發展方向，金屬中心IT IS計畫，2004。
[2] 邱垂泓，鎂板的應用及其製造方法，工業材料雜誌，190期，民國90年10月，第164-168頁。
[3] 葉哲政，鎂合金在車輛產業應用專題研究，金屬中心IT IS計畫，2003。
[4] 蔡幸甫，輕金屬產業發展現況及趨勢，工業材料雜誌，198期，92年6月，第72-80頁。
[5] 陳錦修，鎂合金在汽車工業之應用，工業材料雜誌，186期，91年6月，第148-152頁。
[6] T. Ebert and B.L. Mordike, Magnesium properties-application-potential, Material Science and Engineering, Vol.A302, 2001, pp.37-45.
[7] 高秀琤，MD產品市況，OPTOLINK，Photonics Industry & Technology Development Association，民國89年3月，第26頁。
[8] 黃文榮，台灣鎂合金產業經營策略分析-以可成公司為例，碩士論文，國立中山大學企業管理學系，民國91年。
[9] 吳醒非，我國鎂合金產業發展趨勢與政府輔導措施，工業材料雜誌，174期，民國90年6月，第93-96頁。
[10] 張惠冠，我國自行車產業發展現況與趨勢分析，工業材料雜誌，188期，民國91年8月，第140-144頁。
[11] 范元昌，鋁、鎂合金半固態觸變鑄造技術，工業材料雜誌，186期，民國91年6月，第131-138頁。
[12] 邱垂泓，金屬半固態製程技術簡介，工業材料雜誌，164期，民國89年8月，第158-160頁。
[13] 邱垂泓，鎂合金成型技術之發展趨勢，工業材料雜誌，174期，民國90年6月，第84-88頁。
[14] 鄭百川，台灣鎂合金產業發展之省思，工業材料雜誌，186期，民國91年6月，第80-81頁。
[15] 汪俊廷，純鎂及鎂合金的新穎表面改質技術及該改質層的應用介紹，鎂合金表面處理技術研討會，民國99年3月，第2-26頁。
[16] 楊木榮，鎂合金微弧氧化技術介紹，鎂合金表面處理技術研討會，民國99年3月，第28-52頁。
[17] 林招松，鎂合金的化成處理機構，鎂合金表面處理技術研討會，民國99年3月，第54-69頁。
[18] 黃永茂，鎂合金擠製技術與3C及自行車產業之應用，鎂合金擠型沖鍛表處製程技術研討會，民國99年8月，第2-37頁。
[19] 鄭淙仁，鎂合金沖鍛製程技術與應用趨勢，鎂合金擠型沖鍛表處製程技術研討會，民國99年8月，第39-66頁。
[20] 葉永源，鍛造鎂合金電漿電解氧化表面處理，鎂合金擠型沖鍛表處製程技術研討會，民國99年8月，第67-75頁。
[21] 蔡幸甫，鎂合金成型產業現況及發展趨勢，工業材料雜誌，211期，民國93年7月，第82-85頁。
[22] 范光堯，機械成形技術於鎂合金材料的應用概況，工業材料雜誌，162期，民國89年6月，第139-144頁。
[23] Q. Guo, H. Yan, Z. Chen and H. Zhang, Effect of multiple forging process on microstructure and mechanical properties of magnesium alloy AZ80, Acta Metallurgica Sinica, Vol.42, 2006, No.7, pp.739-744.
[24] M.R. Barnett, M.D. Nave and C.J. Bettles, Deformation microstructures and textures of some cold rolled Mg alloys, Materials Science & Engineering, Vol. A386, 2004, pp.205-211.
[25] F. Kaiser, J. Bohlen, D. Letzig, K.U. Kainer, A. Styczynski and C. Hartig, Influence of rolling conditions on the microstructure and mechanical properties of magnesium AZ31, Advanced Engineering Materials, Vol.5, 2003, No.12, pp.891-896.
[26] 余煥騰、陳適範，金屬塑性加工學，全華科技圖書股份有限公司，民國89年3月，第334-409頁。
[27] S.J. Lim, H.J. Choi and C.H. Lee, Forming characteristics of tubular product through the rotary swaging process, Journal of Materials Processing Technology, Vol.209, 2009, pp.283-288.
[28] R.E. Reed-Hill and R. Abbaschian, Physical Metallurgy Principles, 1994.
[29] Y.Z. Lu, Q.D. Wang, W.J. Ding, X.Q. Zeng and Y.P. Zhu, Fracture behavior of AZ91 magnesium alloy, Material Letters, Vol.44, 2000, pp.265-268.
[30] Fox, F. A., An investigation of the effects of precipitation treatment of binary magnesium–aluminium alloys, J. Inst. Metals, Vol.71, 1943, pp.415.
[31] D. R. Askeland, The Science and Engineering of Materials, 1997.
[32] 王建義，超輕量鎂合金開發，工業材料雜誌，184期，民國91年4月，第132-136頁。
[33] 丁原智，資源工程概論，全華科技圖書股份有限公司，民國90年5月，第1-5頁。
[34] 劉博文，ULSI製程技術，文京圖書有限公司，民國90年，第14-16頁。
[35] 呂璞石、黃振賢，金屬材料，文京圖書，民國75年6月，第398頁。
[36] W. F. Smith, Structure and properties of engineering alloys, 1993, pp.537-570.
[37] W. D. Callister, JR., Materials Science and Engineering an Introduction, 1996.
[38] 葉朝倉，合金狀態圖解，徐氏基金會出版，第37-45頁。
[39] 楊國和，鑄造手冊-非鐵合金鑄造，中華民國鑄造學會，民國88年7月，第111-135頁。
[40] 楊炎勝，以HFC-134a替代SF6為鎂合金壓鑄保護氣體之研究，工研院環安中心。
[41] 邱垂泓，AZ91D鎂屑之水解處理，工業材料雜誌，176期，民國90年8月，第140-144頁。
[42] B. Kim, J. Jeon, Y. Park, Y. Park and I. Park, Aging Behavior of Mg-xAl-Zn with Variation of Al Content, J. Mater. Sci. Technol. Vol.24, 2008, No.1, pp.51-53.
[43] 蔡浩然，AZ91D鎂合金之熱處理與表面處理研究，碩士論文，國立東華大學材料科學與工程學系，民國96年。
[44] M.M. Avedesian and H. Baker, Magnesium and Magnesium Alloy, The Materials Information Society, 1999.
[45] 陳柏霖，濕砂模成型應用於AZ91鎂合金之研究，碩士論文，國立臺北科技大學材料科學與工程學系，民國98年。
[46] 詹德泉，AZ系列鎂合金高溫機械性質之研究，碩士論文，國立逢甲大學機械工程學系，民國90年。
[47] 郭傳璽，鎂合金潛變特性及潛變時間法則之應用，碩士論文，國立逢甲大學機械工程學系，民國90年。
[48] J.M. Song, T.S. Lui, H.W. Chang and L.H. Chen, The influence of Al content and annealing on vibration fracture properties of wrought Mg-Al-Zn alloys, Scripta Materialia, Vol.54, 2006, pp.399-404.
[49] Y. Yoshida, K. Arai, S. Itoh, S. Kamado, T. Wada, T. Matsunaga, T. Yoshimoto and Y. Kojima, Effects of Al and Zn contents and heat treatment on microstructures and tensile properties of Mg-Al-Zn alloys, Journal of Japan institute of light metals, Vol.55, 2005, No.10, pp.456-462.
[50] C.H. Peng, W.P. Peng and P.J. Li, Influence of annealing on tensile property and microstructure of AZ31 magnesium alloy, China Academic Journal Electronic Publishing House, Vol.26, 2006, pp.661-663.
[51] 李信委，AZ31B鎂合金室溫至500°C之拉伸性質與其變形組織探討，碩士論文，國立成功大學材料科學及工程學系，民國91年。
[52] J.H. Pan, C.Y. Chen and C.F. Yang, The effects of microstructural evolution on the elevated temperature mechanical properties of an AZ31 Mg alloy, Journal of Materials Science and Engineering, Vol.37, 2005, No.2, pp.57-65.
[53] L.A. Dobrzanski and T. Tanski, Influence of aluminium content on behavior of magnesium cast alloys in bentonite sand mould, Solid State Phenomena, Vols. 147-149, 2009, pp.764-769.
[54] T. Zhu, Z.W. Chen and W. Gao, Dissolution of eutectic β- Mg17Al12 phase on magnesium AZ91 cast alloy at temperatures close to eutectic temperature, Journal of Materials Engineering and performance, 2009.
[55] A. Rudajevova, M. Stanek and P. Lukac, Determination of thermal diffusivity and thermal conductivity of Mg alloys, Materials science & engineering, Vol.A341, 2003, pp.152-157.
[56] Y. Wang, Q. Wang, G. Wu, Y. Zhu and W. Ding., Hot-tearing susceptibility of Mg-9Al-xZn alloy, Materials Letters, Vol.57, 2002, pp.929-934.
[57] 吳彥勳、呂傳盛、陳立暉、楊崇煒、洪飛義，ZA103鎂鋅合金擠型材拉伸機械性質之研究，台灣鎂合金學會99年度會員大會暨論文發表會論文集，第53-59頁。
[58] X. Min, W. Du, F. Xue and Y. Sun, Analysis of EET on Ca increasing the melting point of Mg17Al12 phase, Chinese science bulletin, Vol.47, 2002, No.13, pp.1082-1086.
[59] S.S. Li, B. Tang and D.B. Zeng, Effects and mechanism of Ca refinement of AZ91D alloy, Journal of alloys and compounds, Vol.437, 2007, pp.317-321.
[60] P. Li, B. Tang and E.G. Kandalova, Microstructure and properties of AZ91D alloy with Ca additions, Materials letters, Vol.59, 2005, pp.671-675.
[61] 林哲毅、蔡浩然、朝春光、郭金國，ZA85鎂合金高溫機械性質之研究，2008年中國材料學會年會論文集。
[62] S.M. Zhu, B.L. Mordike and J.F. Nie, Creep properties of a Mg-Al-Ca alloy produced by different casting technologies, Materials Science and Engineering, Vol. A483-484, 2008, pp.583-586.
[63] Y. Oishi, N. Kawabe, A. Hoshima, Y. Okazaki and A. Kishimoto, Development of high strength magnesium alloy wire, SEI Technical Review, 2003, No.56, pp.54-58.
[64] 王建義，鎂合金板材之壓型(Press Forming)加工技術，工業材料雜誌，170期，90年2月，第132-136頁。
[65] 陳皇鈞，現代物理冶金學，曉園出版社，民國75年，第422-428頁。
[66] H. Somekawa and T. Mukai, Effect of texture on fracture toughness in extruded AZ31 alloy, Scripta Materialia, Vol.53, 2005, pp.541-545.
[67] Y. Chino, J.S. Lee, K. Sassa, A. Kamiya and M. Mabuchi, Press formability of a rolled AZ31 Mg alloy sheet with controlled texture, Materials Letters, Vol.60, 2006, pp.173-176.
[68] L. Wang, Y. Fan, G. Huang, G. Huang, F. Pan and Z. Liu, Texture of AZ31B magnesium alloy sheets, Chinese Journal of Materials Research, Vol.18, 2004, No.5, pp.466-470.
[69] H.T. Jeong and T.K. Ha, Texture development in a warm rolled AZ31 magnesium alloy, Journal of Materials Processing Technology, Vol.187-188, 2007, pp.559-561.
[70] T. Mukai, M. Yamanoi, H. Watanabe and K. Higashi, Ductility enhancement in AZ31 magnesium alloy by controlling its grain structure, Scripta Materialia, Vol. 45, 2001, pp.89-94.
[71] 丁仕旋，AZ31鎂合金經等徑轉角擠製之組織與性質研究，碩士論文，國立中山大學材料與光電科學學系，民國97年。
[72] D.L. Yin, K.F. Zhang, G.F. Wang and W.B. Han, Warm deformation behavior of hot-rolled AZ31 Mg alloy, Materials Science and Engineering, Vol.A392, 2005, pp.320-325.
[73] A. Styczynski, Ch. Hartig, J. Bohlen and D. Letzig, Cold rolling textures in AZ31 wrought magnesium alloy, Scripta Materialia, Vol.50, 2004, pp.943-947.
[74] X. Wu and Y. Liu, Superplasticity of coarse-grained magnesium alloy, Scripta Materialia, Vol.46, 2002, pp.269-274.
[75] L.Y. Wang, M.J. Song and R.C. Liu, Superplasticity and superplasticity instability of AZ31B magnesium alloy sheet, Transaction of Nonferrous Metals Society of China, Vol.16, 2006, pp.327-332.
[76] T.C. Chang, J.Y. Wang, C.M. O and S. Lee, Grain refining of magnesium alloy AZ31 by rolling, Journal of Materials Processing Technology, Vol.140, 2003, pp. 588-591.
[77] Y. Miyahara, Z. Horita and T.G. Langdon, Exceptional superplasticity in an AZ61 magnesium alloy processed by extrusion and ECAP, Materials Science and Engineering A, Vol.420, 2006, pp.240-244.
[78] 陳勇宏，AZ31及AZ61鎂合金之晶粒細化與鈑片成形研究，博士論文，國立中央大學機械工程研究所，民國93年。
[79] 蕭勝元，金屬之加工軟化與退火硬化，碩士論文，大同大學材料工程研究所，民國96年。
[80] 洪一中，合金元素及輥軋製程對鎂合金顯微組織及機械性質之影響，碩士論文，大同大學材料工程研究所，民國89年。
[81] 陳文隆，壓延條件對於AZ31鎂合金機械性質之影響，碩士論文，國立逢甲大學機械工程研究所，民國91年。
[82] Q. Miao, L.X. Hu, H.F. Sun and E.D. Wang, Grain refining and property improvement of AZ31 Mg alloy by hot rolling, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol.19, 2009, s326-s330.
[83] 龔大成，不同軋延製程對AZ31鎂合金機械性質之影響，碩士論文，國立東華大學材料科學與工程學系，民國98年。
[84] Y. Chen, Q. Wang, J. Peng, C. Zhai and W. Ding, Effects of extrusion ratio on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Mg alloy, Journal of Materials Processing Technology, Vol.182, 2007, pp.281-285.
[85] T. Murai, S.I. Matsuoka, S. Miyamoto and Y. Oki, Effects of extrusion conditions on microstructure and mechanical properties of AZ31B magnesium alloy extrusions, Journal of Materials Processing Technology, Vol.141, 2003, pp.207-212.
[86] 林益瑋，AZ31與AZ61鎂合金熱擠製程之最佳化研究，碩士論文，國立台灣科技大學機械工程學系，民國97年。
[87] 曾智益，多道次鍛壓晶粒細化之熱機製程-以中碳鋼AISI1045為例，碩士論文，國立中興大學機械工程學系，民國93年。
[88] 呂立鑫，機械製造，高立圖書有限公司，民國88年，第376頁。
[89] 黃圳遙，鎂合金棒材之熱鍛成形性分析，碩士論文，國立台灣科技大學機械工程研究所，民國95年。
[90] 唐自標，機械工程試驗-材料試驗，東華書局股份有限公司，民國81年，第12-36頁。