跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(44.201.97.0) 您好!臺灣時間:2024/04/18 00:03
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:林章棋
論文名稱:鐵-碳系合金摩擦攪拌接合微觀組織演變及接合性質研究
論文名稱(外文):A study on the microstructures and joining properties of Fe-C alloys by friction stir welding
指導教授:程金保程金保引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:工業教育學系
學門:教育學門
學類:專業科目教育學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:摩擦攪拌銲接球墨鑄鐵SAE1008碳鋼鐵-碳系合金
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:273
  • 評分評分:
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
摩擦攪拌銲接是一種低變形、高品質、低成本的固態接合方法,銲接過程中並未使材料產生熔融,能有效提昇銲件的接合品質。鐵-碳合金是人類最廣泛使用的金屬材料之一,由於具有價格低廉、高強度之特性,是一種理想的工程結構材料。球狀石墨鑄鐵具有優良鑄造性、適當之機械性質且價格低廉,所以在許多工程結構件上已被廣泛使用。本研究擬採用SAE1008碳鋼及肥粒鐵基球墨鑄鐵為接合試片,分別以同種材及異種材接合的方式,利用摩擦攪拌銲接方法進行對接,探討在各種不同製程參數下的接合品質,以及銲接區域之顯微組織演變與機械性質之變化。
研究結果發現SAE1008碳鋼在適當的實驗參數下,銲道區域內晶粒組織有細化之動態再結晶現象,微硬度值也有顯著的提升,拉伸試驗結果顯示,試片與母材之抗拉強度值相比略有提升。肥粒鐵基球墨鑄鐵經過FSW接合後,攪拌區產生了硬脆的麻田散鐵組織,銲道有硬度增加及延性降低的情形。SAE1008碳鋼與肥粒鐵基球墨鑄鐵異質合金在攪拌桿順、逆時針兩個方向迴轉接合後,以逆時針方向迴轉所得之接合品質較佳。
目 錄
中文摘要.........................................................I
英文摘要........................................................II
目錄............................................................IV
表目錄.........................................................VII
圖目錄........................................................VIII

第一章 前言.....................................................1
第二章 文獻探討.................................................2
2-1 鐵-碳合金材料簡介.......................................3
2-2 球墨鑄鐵簡介.............................................3
2-3 摩擦攪拌銲接.............................................4
2-3-1 摩擦攪拌銲接之簡介與原理..............................4
2-3-2 摩擦攪拌銲接之製程....................................4
2-3-3 摩擦攪拌銲接之優點....................................5
2-3-4 摩擦攪拌銲接銲道流動行為..............................5
2-3-5 摩擦攪拌銲接銲道橫截面區域之金相觀察..................7
2-3-6 摩擦攪拌銲接可控制變化之主要參數......................7
2-4 再結晶之特性.............................................8
2-5 球墨鑄鐵之再結晶行為...................................10
2-6 鐵-碳金屬之摩擦攪拌銲接相關研究........................10
第三章 研究方法與步驟..........................................24
3-1 材料製備................................................24
3-2 銲接設備................................................24
3-3 攪拌桿設計..............................................25
3-4 銲接條件................................................25
3-5 銲接程序................................................25
3-6 銲接溫度量測............................................26
3-7 微觀組織觀察及機械性質測試..............................26
3-7-1 微觀組織觀察..........................................26
3-7-2 微硬度試驗............................................27
3-7-3 拉伸試驗..............................................27
第四章 實驗結果與討論..........................................37
4-1 SAE1008碳鋼之FSW接合性質.............................37
4-1-1 銲道表面巨觀檢測......................................37
4-1-2 銲道金相顯微結構......................................37
4-1-3 銲道溫度分佈情形......................................38
4-1-4 微硬度試驗結果........................................39
4-1-5 拉伸試驗結果..........................................39
4-2 球墨鑄鐵之FSW接合性質.................................40
4-2-1 銲道表面巨觀檢測......................................40
4-2-2 銲道金相顯微結構......................................41
4-2-3 銲道溫度分佈情形......................................42
4-2-4 銲後熱處理效應........................................42
4-2-5 微硬度試驗結果........................................43
4-2-6 拉伸試驗結果..........................................44
4-3 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質合金之FSW接合性質..........44
4-3-1 攪拌桿逆時針方向迴轉結果..............................44
4-3-2 攪拌桿順時針方向迴轉結果..............................47
4-4 表面硬化處理.............................................47
第五章 結論....................................................86
參考文獻........................................................88


表目錄
表2-1 拉伸溫度及應變速率對矽含量3.9wt%之球墨鑄鐵再結晶發生的影響(true strain = 0.6~0.7)................................... 12
表3-1 肥粒鐵基球墨鑄鐵化學成份 (wt%)......................... 28
表3-2 SAE 1008低碳鋼化學成份 (wt%)...........................28
表3-3 銲接條件表............................................. 29
表4-1 SAE1008碳鋼 FSW接合試片拉伸試驗結果..................49
表4-2 球墨鑄鐵 FSW接合試片拉伸試驗結果......................49
表4-3 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質 FSW接合試片之拉伸試驗結果..50


圖 目 錄
圖2-1 Fe-C平衡圖...............................................13
圖2-2 摩擦攪拌銲接製程之示意圖.................................14
圖2-3 銲道進給邊與退出邊示意圖.................................14
圖2-4 摩擦攪拌銲接擠塑區的材料流動模型.........................15
圖2-5 摩擦攪拌銲接擠塑區分佈...................................16
圖2-6 三種流場模式合成環繞凸梢的塑流...........................17
圖2-7 摩擦攪拌銲接橫截面材料流動模型...........................18
圖2-8 FSW銲道橫截面顯微結構示意圖.............................19
圖2-9 摩擦攪拌銲接鋁鋰合金的動態再結晶結構..................... 20
圖2-10 動態再結晶階段示意圖:(a)動態再結晶在晶界處開始成核;(b)
、(c)由晶粒形成的項鍊狀結構;(d)完全再結晶形成與(e)較大的
再結晶晶粒示意圖.........................................21
圖2-11 不同矽含量砂模鑄造試片拉伸性質與溫度之依存性:(a)5%應變
量之流應力;(b)延伸率,應變速率為3.3×10-3s-1................22
圖2-12 球墨鑄鐵在最高加熱溫度800 ℃之熱循環過程時肥粒鐵基地產生
再結晶...................................................23
圖3-1 本研究之實驗流程.........................................30
圖3-2 肥粒鐵基球墨鑄鐵母材金相組織.............................31
圖3-3 SAE1008低碳鋼母材金相組織...............................31
圖3-4 實驗用床台立式銑床....................................... 32
圖3-5 攪拌桿示意圖............................................. 33
圖3-6 摩擦攪拌桿外形圖......................................... 33
圖3-7 摩擦攪拌捍沿接合線移動前進情形........................... 34
圖3-8 熱電偶埋設位置示意圖..................................... 35
圖3-9 拉伸試片規格............................................36
圖3-10 拉伸試片取樣位置示意圖..................................37
圖4-1 SAE1008碳鋼在各種製程參數下的銲道表面巨觀:(a) 325 rpm
、50 mm/min;(b) 591 rpm、72 mm/min;(c ) 982 rpm、
72 mm/min;(d) 1615 rpm、72 mm/min........................51
圖4-2 SAE1008碳鋼在轉速591 rpm、銲速72 mm/min試驗參數下之
橫截面銲道顯微結構圖....................................52
圖4-3 SAE1008碳鋼FSW接合試驗,試驗參數轉速591 rpm時,橫截
面銲道攪拌區之顯微結構圖:(a) SAE1008碳鋼母材微觀組織;
(b)圖4-2 ○1區域位置;(c) 圖4-2 ○2 區域位置;(d) 圖4-2 ○3
區域位置;(e) 圖4-2 ○4區域位置;(f) 圖4-2 ○5 區域位置,
........................................................53
圖4-4 SAE1008碳鋼進給邊SZ/TMAZ微觀組織圖..................54
圖4-5 SAE1008碳鋼退出邊SZ/TMAZ微觀組織圖..................54
圖4-6 SAE1008碳鋼在轉速325 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環
曲線....................................................55
圖4-7 SAE1008碳鋼在轉速591 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環
曲線....................................................56
圖4-8 SAE1008碳鋼在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環
曲線....................................................57
圖4-9 SAE1008碳鋼銲道微硬度分佈圖........................... 58
圖4-10 SAE1008碳鋼拉伸試片斷裂圖:(a) SAE1008碳鋼母材;(b)轉
速325 rpm、銲速50 mm/min;(c)轉速591 rpm、銲速72
mm/min;(d)轉速982 rpm、銲速72 mm/min;(e)轉速1615
rpm、銲速72 mm/min.....................................59

圖4-11 球墨鑄鐵FSW,在各種製程參數下之接合外觀:(a) 325 rpm、50 mm/min;(b) 591 rpm、72 mm/min;(c) 982 rpm、50 mm/min;
(d) 982 rpm、72 mm/min;(e) 1615 rpm、72 mm/min..............60
圖4-12 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之橫截面巨觀圖.61
圖4-13 球墨鑄鐵母材微觀組織圖..................................62
圖4-14 球墨鑄鐵銲道SZ微觀組織圖...............................62
圖4-15 球墨鑄鐵進給邊SZ/TMAZ微觀組織圖.......................63
圖4-16 球墨鑄鐵退出邊SZ/TMAZ微觀組織圖.......................63
圖4-17 球墨鑄鐵進給邊TMAZ微觀組織圖..........................64
圖4-18 球墨鑄鐵在轉速591 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環曲線...65
圖4-19 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環曲線...66
圖4-20 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min FSW接合後,經
熱處理之試片橫截面巨觀圖.............................. 67
圖4-21 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後SZ中心微觀組織
圖......................................................68
圖4-22 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後SZ底部微觀組織
圖......................................................68
圖4-23 球墨鑄鐵之銲後熱處理前後之銲道微硬度分佈圖.............. 69
圖4-24 球墨鑄鐵在轉速98 rpm及進給率72 mm/min FSW接合試片之拉
伸斷裂圖................................................70
圖4-25 球墨鑄鐵FSW接合試片之拉伸斷裂面SEM圖:(a)斷面SEM宏
觀圖,(b)圖(a)中A區的SEM局部放大圖......................70
圖4-26 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min FSW接合試片,經
銲後熱處理之拉伸斷裂圖..................................71
圖4-27 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後,拉伸斷裂面SEM巨
觀圖....................................................71
圖4-28 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後,拉伸斷裂面SEM顯
微組織圖:(a)圖4-28 A區域;(b) 圖4-28 B區域;(c) 圖4-28 C
區域....................................................72圖4-29 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉
對接接合示意圖..........................................73
圖4-30 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉
對接接合外觀............................................73
圖4-31 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉
對接接合之試片橫截面巨觀圖..............................74
圖4-32 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合,攪拌桿逆時針方向迴
轉橫截面微觀組織圖:(a) SZ微觀組織圖;(b)SZ中心部位微觀
組織圖;(c) SZ底部位置微觀組織圖........................75
圖4-33 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合進給邊SZ/TMAZ微觀
組織圖..................................................76
圖4-34 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合退出邊SZ/TMAZ微觀
組織圖..................................................76
圖4-35 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異FSW接合,在轉速982 rpm及進給
率72 mm/min FSW接合後,經熱處理之試片(a)橫截面巨觀圖;
(b)圖(a)中A區域微觀圖;(c)圖(a)中B區域微觀圖..............77
圖4-36 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合之銲道微硬度分佈圖...78
圖4-37 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉,轉速982 rpm、銲
速72 mm/min銲接參數之拉伸試片斷裂圖....................79
圖4-38 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉,轉速982 rpm、銲
速72 mm/min銲接參數之拉伸試片斷面SEM圖:(a)斷面SEM宏
觀圖,(b)圖(a)中A區的SEM局部放大圖.....................79
圖4-39 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉,轉速982 rpm、銲
速72 mm/min銲接參數, 在經過銲後熱處理後之拉伸試片斷裂圖.80
圖4-40 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉,轉速982 rpm、銲
速72 mm/min銲接參數, 在經過銲後熱處理後之拉伸試片斷面
SEM圖:(a)斷面SEM宏觀圖,(b)圖(a)中A區的SEM局部放大
圖......................................................80
圖4-41 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉
對接接合示意圖..........................................81
圖4-42 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉
對接接合外觀............................................81
圖4-43 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉
對接接合之試片:(a)橫截面巨觀圖;(c)攪拌區微觀圖............82
圖4-44 表面硬化處理外觀圖......................................83
圖4-45 表面硬化處理之試片:(a) 橫截面巨觀圖;(b) 攪拌區微觀圖.....84
圖4-46 表面硬化處理之硬度分佈圖................................85
參考文獻

[1] R. W. K. Honeycmbe, and H. K. D. H. Bhadeshia 著,蔡明欽 譯, "鋼顯微組織與性質",(1995) pp.1-3.
[2] R.S. Mishra and Z.Y. Ma, "Friction Stir Welding and Processing", Materials Science and Engineering, R 50, (2005) pp.1-78.
[3] C.J. Dawes and W.M. Thomas, "Friction Stir Process Welds Aluminum alloys", The Welding Journal, 75(3), (1996) pp.41-46.
[4] W. Thomas and K. Johnson, "Friction Stir Wins Millennium Products Recognition", TWI, (1998) pp.1-2.
[5] R. Fenn and W. M. Thomas, "The Friction Stir Welding Process", Light Metal Age, (2001).
[6] C. J. Dawes, E. J. R. Spring, and D.G. Staines, "Friction Stir Wins Aluminum Alloys 5083 – Increased Welding Speed", TWI Report, (1999).
[7] P. L. Threadgill, "Friction Stir Welding – The State of The Art", TWI Report, (1999).
[8] 黃振賢,機械材料,文京圖書有限公司,(1990) pp.140-145.
[9] Michael F. Burditt, "Ductile Iron Handbook", American Foundrymen’s Society, Inc, Des Plaines, Illinois, U. S. A. , pp.1-2.
[10] 程金保, "肥粒體基球墨鑄鐵共析變態溫度附近以下之熱疲勞龜裂性質探討",國立成功大學材料科學及工程學系,88學年度博士論文。
[11] 陳正中, "沃斯回火球墨鑄鐵疲勞性質之研究" ,國立台灣師範大學工業教育學系,92學年度碩士論文。
[12] E. Hucke, and H. Udin, "Welding Metallurgy of Nodular Cast Iron", Welding J, (1953) pp.378-s~385-s.
[13] G. R. Pease, "The Welding of Ductile Iron", Welding J, Jan. (1960) pp. 1-9.
[14] R. C. Voigt and C. R. Loper, JR, "A Study of Heat-Affected Zone Structures in Ductile Cast Iron", Welding J, (1983) pp.82-88.
[15] E. M. El-Banna, "Effect of Preheat on Welding of Ductile Cast Iron", Materials Letters, Vol. 41, (1999) pp.20-26.
[16] Minoru Hatate, Toshio Shiota, Nobuyuki Abe, Masaharu Amano, and Toshio Tanaka, , "Bonding Characteristics of Spheroidal Graphite Cast Iron and Mild Steel Using Electron Beam Welding Process", Vacuum 73,( 2004) pp.667-671.
[17] K. V. Jata, M. W. Mahoney, R. S. Mishra, S. L. Semiatin, and T. Lienert, "Friction Stir Welding and Processing II", 2003 TMS Annual Meeting San Diego, Galifornia March 2-6, (2003).
[18] C. J. Dawes, E. J. R. Spring, and D. G. Staines, "Friction Stir Welding Aluminum Alloys 5083 - Increased Welding Speed", TWI Report, Aug.( 1999).
[19] P. S. Pao, S. J. Gill, C. R. Feng, and K. K. Sankaran, "Corrosin-Fatigue Crack Growth in Friction Stir Welded Al 7050", Scripta Materialia 45,( 2001) pp.605-612.
[20] 田潮訓,程金保,呂傳盛, "AA2091鋁鋰合金摩擦攪拌銲接接合性質之研究",中華民國銲接協會92年論文發表會。
[21] 張維麟, "6061鋁合金及其顆粒強化銲道之摩擦攪拌銲接研究",國立中正大學機械工程研究所,94學年度碩士論文。
[22] A. J. Leonard, "Structure and Corrosion Resistance of Friction Stir Welds in Aluminum Alloys 2014A and 7075", TWI Report, (1999).
[23] M. Guerra, C. Schmidt, J. C. McClure, L. E. McClurea, and A.C. Nunesb, "Flow Patterns During Friction Stir Weldin", Material Characteriaztion 49, (2003) pp.95-101.
[24] W. B. Lee, Y. M. Yeon, and S. B. Jung, "The improvement of mechanical properties of friction-stir-welded A356 Al alloy", Scripta Material 49, (2003) p.423.
[25] L. Karlsson, E. L. Bergqvist, and H. Larsson, Eorojoin 4, Dubrovik-Cavtat, ( 2001) p.24.
[26] Mr. William J. Arbegast, "Modeling Friction Stir Joining as a Metalworking Process", Published in Hot Deformation of Aluminum Alloys III, Z. Jin, TMS, (2003).
[27] J. A. Schneider, and A. C. Nunes, "Thermo-Mechanical Processing in Friction Stir Welds", 2003 TMS Annual Meeting San Diego, Galifornia March 2-6, (2003) pp.43-51.

[28] K. V. Jata and S. L. Semiatin, "Continuous Dynamic Recrystallization during Friction Stir Welding of High Strength Aluminum Alloys", Scripta Material, Vol. 43, (2000) pp.743-749.
[29] K. V. Jata, K. K. Sankaran, and J. J. Ruschau, "Friction-Stir Welding Effects on Microstructure and Fatigue of Aluminum Alloy 7050-T7451", Metall & Mater Trans, Vol. 31A, (2000) pp.2181-2192.
[30] G. J. Fernandez, and L. E. Murr, "Characterization of tool wear and weld optimization in the friction-stir welding of cast aluminum 359 + 20% silicon carbide metal-matrix composite", Materials Characterization 52, (2004) pp.65-75.
[31] F. J. Humphreys, and M. Hatherly, "Recrystallization and Related Annealing Phenomena", Pergamon, (1995) ISBN0-08-041884-8. 497 pp. +xxi.
[32] William D. Callister, J. R. 著,陳文照,曾春風,游信和,材料科學工程,高立圖書有限公司,(1999).
[33] C. G. Rhodes, M. W. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling, and C.C. Bampton, "Effects of Friction Stir Welding on Microstructure of 7075 Aluminum", Scripta Mater, Vol. 36, No. 1, (1997) pp.69-75.
[34] 陳思達,"摩擦攪拌銲接對Al-Cu系2218合金微觀組織變化之效應",國立成功大學材料科學及工程學系,93學年度碩士論文。
[35] 張榮洲,"抽線道次對銅伸線機械性質的影響",國立成功大學機械工程學系,93學年度碩士論文。
[36] 李信委,"AZ31B鎂合金室溫至500℃之拉伸性質與其變形組織探討",國立成功大學材料科學及工程學系,91學年度碩士論文。
[37] G. Liu, L. E. Murr, C. S. Niou, J. C. McClure and F. R. Vega, "Microstructural Aspects of the Friction-Stir Welding of 6061-T6 Aluminum", Scripta Materialia 37, (1997) pp.355-361.
[38] R. Kaibyshev, O. Sitdikov, A. Goloborodko, and T. Sakai, "Grain Refinement in As-Cast 7475 Aluminum Alloy under Hot Deformation", Mater. Sci. Eng. A, Vol. 344, No. 1-2, (2003) pp.348-356.
[39] C. P. Cheng, T. S. Lui, and L. H. Chen, "A Study of the 500℃ to 900℃ Tensile Deformation Behaviour of Spheroidal Graphite Cast Iron", Cast Metals , Vol. 8, No. 4, (1995)pp.211-216.
[40] C. P. Cheng, T. S. Lui, and L. H. Chen, "Effect of Heating Temperature and Magnesium Content on Thermal Cyclic Failure Behaviour of Ductile Irons", Materials Science and Technology, Vol. 20, ( 2004) pp.243-250.
[41] T. J. Lienert, W. L. Stellwag, Jr., B. B. Grimmett, and R. W. Warke, "Friction Stir Welding Studies on Mild Steel", Supplement to the Welding Journal, (2003) pp.1s-9s.
[42] W. M. Thomas, P. woollin, and K. I. Johnson, "Friction Stir Welding of a Ferritic Stainless Steel – a Feasibility study", TWI Research Report No.7417.01/98/1010.03, (1998).
[43] W. M. Thomas, P. woollin, and K. I. Johnson, "Corrosion Resistance of Friction Stir Welded 304 Stainless Steel", Scripta Materialia 51 , (2004) pp.101-105.
[44] C. M. Chen, and R. Kovacevic, "Joining of Al 6061 Alloy to AISI 1018 Steel by Combined Effects of Fusion and Solid State Welding", International Journal of Machine Tools & Manufacture 44, (2004) pp.1205-1214.
[45] 陳冠佑,郭俊生,謝興達,蔡登財,林偉邦,"摩擦攪拌銲接在異質(鐵/鋁)接合之研究",銲接與切割 2005第15卷3期,頁64-67。
[46] 林偉邦,林昌平,郭俊生,"熱軋鋼片與304不銹鋼摩擦攪拌對接之研究",銲接與切割 2005第15卷3期,頁54-58。
[47] O. T. Midling, E. J. Morley, and A. Sandvik, "Friction Stir Welding", World Intellectual Property Orqaniztion WO95/26254, (1995).
[48] Y. S. Sato, M. Urata, H. Kokawa, and K. Ikeda, "Hall-Petch Relationship in Friction Stir Welds of Equal Channel Angular- Pressed Aluminum Alloys", Mater. Sci. Eng. A, Vol. 354, No. 1-2, (2003) pp.298-305.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top