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研究生:李亭叡
研究生(外文):Ting-jui Li
論文名稱:奈米鐵鎳低熱膨脹合金之電鍍製程與材料特性分析
論文名稱(外文):Electrodeposition of Nanocrystalline Fe-Ni Alloys with Low Thermal Expansion
指導教授:張六文
指導教授(外文):Liuwen Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料科學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:熱處理硬度晶格常數熱膨脹係數晶格應變裂縫鍍液成分電鍍鐵鎳合金
外文關鍵詞:Invar
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本研究主要在探討電鍍參數,如電流密度、鍍液溫度與鍍液成分,和熱處理(200℃~600℃)對鐵鎳合金鍍層性質的影響。鍍層性質包括成分、相組成、內應力、硬度與熱膨脹特性。
本研究結果顯示鍍液溫度愈高,異常共鍍的現象愈不明顯,因此鍍層鐵含量愈低。當電流密度降低時,也略有降低異常共鍍的效果。在低鍍液溫度(298K)與高鍍液溫度(353K)下得到鐵含量為50∼80%的鍍層,其顯微組織與機械性質有以下的差異:鍍液溫度低導致鍍層晶粒徑較細小,應變較高、相組成也偏離相圖的預測,此外,其硬度與彈性常數也較低。透過晶格常數的量測,發現鍍層中BCC與FCC相的晶格常數均會隨退火溫度升高而上升,伴隨此一現象的是鍍層硬度與彈性常數隨之上升。因此造成上述顯微組織與機械性質特性的可能原因之一,是低鍍液溫度時,被還原的原子在鍍層表面的可移動率較小,而使得鍍層晶粒較細小,不易達成相平衡,且具有大量的空孔,使得晶格常數降低。反之,在高鍍液溫度時,原子在鍍層表面的可移動率較大,使得鍍層晶粒較大,較易達成相平衡,且空孔數量減少。當鐵鎳合金經由400℃以上退火時,鍍層晶粒徑會急遽增加至40~50nm。
在低鍍液溫度時,隨著電流密度的增高,試片表面裂縫數量越少。但是在高鍍液溫度之下,隨著電流密度的增高,試片表面裂縫數量反而由少變多。形成裂縫的主因為鍍層內部的晶格應變,研究結果顯示,裂縫密度會隨著鍍層中晶格應變的上升而增加,此外,鍍層鐵含量與裂縫密度關係密切,在鐵含量70%~80%時,出現最高的裂縫密度。
利用電鍍製備奈米晶粒的鐵鎳合金鍍層,當鍍層鐵含量在60~70%之間,其組成為BCC相,熱膨脹係數(α)約為7~35μm/m℃。將鐵鎳合金經由600℃的退火處理後,其組成為FCC相,熱膨脹係數約為3~8μm/m℃,在未超過居禮溫度(250℃)時,其熱膨脹係數甚至只有1~3μm/m℃。
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 低熱膨脹合金 3
2.1.1 Fe-36%Ni (Invar)合金 3
2.1.2低熱膨脹合金的應用 5
2.2 電鍍 5
2.2.1 純金屬的電鍍 6
2.2.1.1電鍍的原理 6
2.2.1.2極化曲線 7
2.2.2合金的電鍍 8
2.2.2.1合金電鍍的基本原理與鍍層成分控制 8
2.2.2.2 異常共鍍 9
2.3 電鍍鐵鎳合金 11
2.3.1鍍液系統 12
2.3.2 電鍍參數對鍍層成分的影響 12
2.3.3電鍍參數對鍍層應力的影響 14
2.3.4電鍍參數對鍍層顯微組織和熱膨脹性的影響 15
第三章 實驗方法 18
3.1 實驗設備 18
3.1.1實驗藥品 18
3.1.2實驗設備 18
3.2 電鍍製程 18
3.2.1試片前處理 18
3.2.2實驗步驟 19
3.3電鍍製程分析 20
3.3.1 陰極電流效率 20
3.3.2 鍍層應力分析 20
3.3.3 鍍層成分分析 21
3.4 鍍層顯微組織分析 21
3.4.1 表面形貌分析 21
3.4.2 鍍層晶粒徑分析 21
3.4.3 鍍層相組成分析 22
3.5 鍍層機性分析 22
3.5.1 熱膨脹性 22
3.5.2 硬度 23
3.6 熱處理 23
第四章 實驗結果與討論 25
4.1鐵鎳合金的顯微組織 25
4.1.1電鍍參數的影響 25
4.1.1.1電流密度與鍍液溫度的影響 25
4.1.1.2鍍液成分的影響 27
4.1.2熱處理的影響 31
4.2鐵鎳合金的機械性質 34
4.2.1電鍍參數的影響 34
4.2.1.1電流密度與溫度的影響 34
4.2.1.2鍍液成分的影響 35
4.2.2熱處理的影響 37
4.3熱膨脹特性 40
4.3.1 電鍍鐵鎳合金的熱膨脹係數 40
4.3.2 熱處理的影響 40
第五章 結論 41
第六章 參考文獻 43
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