臺灣博碩士論文加值系統

本實驗以FeNiCoTiCr合金為基礎，繼續添加高溫元素Mo及/或 Nb成為六元及七元合金，以真空電弧熔煉技術，自行製作成六組多元高熵合金，再經過研磨、拋光，藉以探討其微結構、機械性質及熱性質之研究，並分析微結構對此性質的影響。
研究顯示FeNiCoTiCrMoNb所組成的不同合金系統，其晶體結構以HCP及FCC為主，其中以 FeNiCo三元高熵合金為單一FCC相，其它組合金都有著至少兩相存在。
研究發現隨著合金中不同原子尺寸的元素增多，固溶強化效應相對變強，再加上微晶強化、鍵結增強及非晶質無差排綜合表現等因素下，使得高熵合金材料具有極高的硬度值。在本實驗中以FeNiCoTiCrMo六元高熵合金硬度最高，其硬度值高達HV833，是固溶強化與散佈強化機制發揮的極致。
在熱重量分析得知高熵合金抗氧化情形，在合金成份中，單獨添加高溫元素Nb，仍比添加高溫元素Mo其抗氧化性來的好，FeNiCoTiCrNb六元高熵合金，抗氧化能力最佳。雖有微量的氧化，並使得重量增加，在乾空氣下加熱到800 °C時，其變化量仍低於0.5 %。另外其他幾組等莫耳高熵合金在高溫下也都皆具備良好抗氧化性。

Abstract
The microstructures, mechanical properties and thermal properties of the six-element and seven-element alloys of FeNiCoTiCr(Mo and/or Nb) were examined in this study, and analyzed the effects of microstructures on these properties. The results indicated that the FeNiCo was only single FCC phase alloy; the other alloys had two or three phases at least, the major phases in these alloys were HCP or FCC phases.
The increasing of solid solution strengthening effect was examined with increasing the number of different elements with different sizes. The FeNiCoTiCrMo alloy had the highest hardness value of HV 833 among these alloys. It was the result of combination of the effects, such as grain refinement strengthening, dispersion strengthening, bonding energy strengthening and amorphous phase with free dislocation existing.
Additionally, adding the sixth element of Nb into FeNiCoTiCr alloy possessed the better high-temperature oxidation resistance rather than adding the other high-melting point element of Mo. The weight increment of the FeNiCoTiCrNb alloy by thermogravimetry analysis in a atmosphere of dry air was less than 0.5 wt.% when the test temperature was up to 800°C. However, the other alloys in this study also exhibited good high-temperature oxidation resistance.

目錄
摘要......I
誌謝......III
目錄......V
圖目錄...IX
表目錄...XIV
第一章 前言......1
第二章 文獻回顧...3
2.1 高熵合金......6
2.1.1 高熵合金發展背景......6
2.1.2 高熵合金之特點......8
2.1.3 高熵合金的應用......12
2.1.4 多元高熵合金的研究...13
2.2 本論文研究目的.......20
第三章 實驗方法與流程......21
3.1 合金之備製...21
3.1.1 合金之組成 ...21
3.1.2 合金原料熔煉前之準備......22
3.1.3 合金之熔煉方法......23
3.1.4 腐蝕液之配置......24
3.2 熱處理......25
3.2.1 熱處理方式 ...26
3.3 微結構觀察......27
3.3.1 SEM場發式電子顯微鏡觀察......27
3.3.2 X-Ray 繞射分析......27
3.4 熱分析......28
3.4.1 熱示差分析(DTA)... 28
3.4.2 熱重量分析(TGA)... 29
3.5 硬度量測......30
3.6 破壞韌性(Fracture Toughness)......30
3.7 實驗流程.......31
第四章 結果與討論...32
4.1 FeNiCo等莫耳高熵合金...32
4.1.1 FeNiCo等莫耳高熵合金之微結構觀察......32
4.1.2 FeNiCo等莫耳高熵合金之X-Ray繞射分析...36
4.1.3 FeNiCo等莫耳高熵合金之熱示差分析......37
4.1.4 FeNiCo等莫耳高熵合金之熱重量分析......39
4.2 FeNiCoTiNb等莫耳高熵合金......42
4.2.1 FeNiCoTiNb等莫耳高熵合金之微結構觀察 ...42
4.2.2 FeNiCoTiNb等莫耳高熵合金之X-ray繞射分析......46
4.2.3 FeNiCoTiNb等莫耳高熵合金之熱示差分析...47
4.2.4 FeNiCoTiNb等莫耳高熵合金之熱重量分析...49
4.3 FeNiCoTiNbMo等莫耳高熵合金......52
4.3.1 FeNiCoTiNbMo等莫耳高熵合金之微結構觀察......52
4.3.2 FeNiCoTiNbMo等莫耳高熵合金之X-ray繞射分析.....56
4.3.3 FeNiCoTiNbMo等莫耳高熵合金之熱示差分析......58
4.3.4 FeNiCoTiNbMo等莫耳高熵合金之熱重量分析......60
4.4 FeNiCoTiCrNb等莫耳高熵合金......62
4.4.1 FeNiCoTiCrNb等莫耳高熵合金之微結構觀察......62
4.4.2 FeNiCoTiCrNb等莫耳高熵合金之X-ray繞射分析...66
4.4.3 FeNiCoTiCrNb等莫耳高熵合金之熱示差分析......68
4.4.4 FeNiCoTiCrNb等莫耳高熵合金之熱重量分析......70
4.5 FeNiCoTiCrMo等莫耳高熵合金......72
4.5.1 FeNiCoTiCrMo等莫耳高熵合金之微結構觀察......72
4.5.2 FeNiCoTiCrMo等莫耳高熵合金之X-ray繞射分析.....76
4.5.3 FeNiCoTiCrMo等莫耳高熵合金之熱示差分析...... 77
4.5.4 FeNiCoTiCrMo等莫耳高熵合金之熱重量分析...... 79
4.6 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳高熵合金...82
4.6.1 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳高熵合金之微結構觀察......82
4.6.2 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳高熵合金之X-ray繞射分析...86
4.6.3 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳高熵合金之熱示差分析......88
4.6.4 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳高熵合金之熱重量分析......90
4.7 等莫耳高熵合金之X-ray分析......92
4.8 等莫耳高熵合金之熱示差分析......94
4.9 等莫耳高熵合金之熱重量分析......99
4.10 高熵合金之機械性質分析......102
4.10.1 硬度分析...102
4.10.2 破壞韌性...105
第五章 結論......118
參考文獻...120


圖目錄
圖2.1.1 鑄造狀態下各合金成份之X-ray繞射分析圖形......14
圖2.1.2 退火狀態下各合金成份之X-ray繞射分析圖形......14
圖2.1.3 等莫耳高熵合金成份於DTA之熱流曲線圖......15
圖2.1.4 等莫耳高熵合金成份通入Dry Air於TGA中之氧化趨勢......16
圖2.1.5 等莫耳高熵合金成份通入N2於TGA中之氧化趨勢......16
圖2.1.6 等莫耳高熵合金成份通入Ar於TGA中之氧化趨勢......17
圖3.1.1 真空電弧熔煉爐示意圖......24
圖3.6.1 菱形壓痕示意圖......30
圖3.7.1 實驗流程圖......31
圖4.1.1 鑄造狀態下FeNiCo三元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......34
圖4.1.2 退火狀態下FeNiCo三元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像.....35
圖4.1.3 FeNiCo三元高熵合金之X-ray繞射分析圖......37
圖4.1.4 FeNiCo等莫耳合金於DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃...39
圖4.1.5 FeNiCo等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾空氣之氧化曲線圖...... 41
圖4.2.1 鑄造狀態下FeNiCoTiNb五元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......44
圖4.2.2 退火狀態下FeNiCoTiNb五元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......45
圖4.2.3 FeNiCoTiNb五元高熵合金之X-ray繞射分析圖......47
圖4.2.4 FeNiCoTiNb等莫耳合金於DTA熱示差分析分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃......49
圖4.2.5 FeNiCoTiNb等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾空氣之氧化曲線圖......51
圖4.3.1 鑄造狀態下FeNiCoTiNbMo五元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......54
圖4.3.2 退火狀態下FeNiCoTiNbMo五元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......55
圖4.3.3 FeNiCoTiNbMo六元高熵合金之X-ray繞射分析圖......57
圖4.3.4 FeNiCoTiNbMo等莫耳合金於DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃......59
圖4.3.5 FeNiCoTiNbMo等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾空氣之氧化曲線圖......61
圖4.4.1 鑄造狀態下FeNiCoTiCrNb六元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......64
圖4.4.2 退火狀態下FeNiCoTiCrNb六元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像；(b)SEM高倍率影像......65
圖4.4.3 FeNiCoTiCrNb六元高熵合金之X-ray繞射分析圖...67
圖4.4.4 FeNiCoTiCrNb等莫耳合金於DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃......69
圖4.4.5 FeNiCoTiCrNb等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾空氣之氧化曲線圖......71
圖4.5.1 鑄造狀態下FeNiCoTiCrMo六元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......74
圖4.5.2 退火狀態下FeNiCoTiCrMo六元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......75
圖4.5.3 FeNiCoTiCrMo六元高熵合金之X-ray繞射分析圖......77
圖4.5.4 FeNiCoTiCrMo等莫耳合金於DTA熱示差分析中以每分鐘40℃通入氬氣與氮氣之熱流曲線比較圖......79
圖4.5.5 FeNiCoTiCrMo等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾氣之氧化曲線圖......81
圖4.6.1 鑄造狀態下FeNiCoTiCrMoNb七元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......84
圖4.6.2 退火狀態下FeNiCoTiCrMoNb七元高熵合金之微結構：(a)SEM低倍率影像，(b)SEM高倍率影像......85
圖4.6.3 FeNiCoTiCrMoNb七元高熵合金之X-ray繞射分析......87
圖4.6.4 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳合金於DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃......89
圖4.6.5 FeNiCoTiCrMoNb等莫耳合金於TGA熱重量分析中以每分鐘20℃通入乾氣之氧化曲線圖......91
圖4.7.1 等莫耳合金之X-ray繞射分析比較圖：(a)鑄造狀態，(b)退火狀態......93
圖4.8.1 等莫耳合金在氮氣氣氛下之DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃，(a)鑄造狀態，(b)退火狀態......97
圖4-8.2 等莫耳合金在氬氣氣氛下之DTA熱示差分析曲線，升溫速率為每分鐘40℃，(a)鑄造狀態，(b)退火狀態......98
圖4.9.1 等莫耳高熵合金之熱重量分析組合圖：(a)鑄造狀態，(b)退火狀態...101
圖4.10.1 FeNiCo三元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......106
圖4.10.2 FeNiCoTiNb五元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......108
圖4.10.3 FeNiCoTiNbMo六元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......110
圖4.10.4 FeNiCoTiCrNb六元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......112
圖4.10.5 FeNiCoTiCrMo六元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......114
圖4.10.6 FeNiCoTiCrMoNb七元高熵合金之菱形壓痕SEM圖：(a)鑄造狀態之菱形壓痕SEM圖，(b)退火狀態之菱形壓痕SEM圖......116


表目錄
表2.1.1 高熵合金As-cast及Annealed之硬度測試結果... 9
表2.1.2 各合金在鑄造狀態及退火狀態之硬度值...18
表3.1.1 合金元素之基本特性......21
表3.1.2 合金元素配置表.......22
表4.1.1 FeNiCo合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)...36
表4.1.2 FeNiCo三元高熵合金之成份分析比較表(點分析)...36
表4.2.1 FeNiCoTiNb合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)......46
表4.2.2 FeNiCoTiNb五元高熵合金之成份分析比較表(點分析)......46
表4.3.1 FeNiCoTiNbMo合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)......56
表4.3.2 FeNiCoTiNbMo五元高熵合金之成份分析比較表(點分析)......56
表4.4.1 FeNiCoTiCrNb合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)......66
表4.4.2 FeNiCoTiCrNb六元高熵合金之成份分析比較表(點分析)......66
表4.5.1 FeNiCoTiCrMo合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)......76
表4.5.2 FeNiCoTiCrMo六元高熵合金之成份分析比較表(點分析)......76
表4.6.1 FeNiCoTiCrMoNb合金之原始成份與SEM/EDS成份分析結果(面分析)...86
表4.6.2 FeNiCoTiCrMoNb七元高熵合金之成分分析比較表(點分析)...86
表4.10.1 合金於鑄造狀態及退火狀態時之硬度值...105
表4.10.2 合金之破壞韌性值...117

參考文獻
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