臺灣博碩士論文加值系統

擠製加工成型是一種具經濟效應的生產方式，此加工方法因精度高、產量大且成本低廉等優點，使其廣泛的被業界所使用。在擠製成型過程中，胚料在表面摩擦界面處所承受的剪應力極高，剪應力流線(Shear flow)的分佈也變為密集，因此形成一薄且硬的剪流層(thin shear boundary layer) ，使得表層部位微結構晶粒細化，因而獲得表面硬度較高之材料，若能夠預測出影響的範圍及變化，並發展出運用不同參數來控制此變化層的區域大小就極為重要。
本研究主要探討擠製加工過程中，藉由不同微傾斜角度(5°、10°、15°、25°)的圓錐形模具，探討鎂合金承受不同應力與應變時所產生變化層的關連性。將擠製後的成品進行金相實驗來觀察其晶粒分佈情形，再藉由奈米壓痕試驗來量測其硬度分佈狀況與硬化層厚度，再把硬化層厚度值代入應變率與變化層厚度的關係式中可得到α值。
實驗結果顯示隨著模具微傾斜角度的增加，晶粒細化的程度越趨明顯、硬度值相對提高且硬化層厚度隨之增加，其中模具之傾斜角為15°時可得到最厚的硬化層約為36μm，然而25°並未有明顯的細化層。
本研究由應變率與變化層厚度的關係式中可計算出材料係數，此後即可利用材料係數(α)，計算出不同傾斜角度模具擠製成型後的鎂合金之硬化層厚度。

Extrusion process is the effective production technique, because it is highly precise, low cost, can be used in mass production, and it is widely used in the industry. In extrusion the billet is exposed to high shear stress values in the vicinity of frictional surface which causes shear stress flow lines (shear flow) to become dense. Therefore, formation of a thin harden layer of shear flow (thin shear boundary layer) near the friction surface appears. That generate smaller grain size at the material surface and increase surface hardness. If thin harden layer can be determined, it is important to determine parameters which would control the thickness of a layer.
In this study extrusion process with different die angles (5°, 10°, 15°, 25°) were used to examine the relationship between the different values of stress and strain and thin harden layer size in magnesium alloy. The extruded workpiece have been analyzed by metallographic technique to observe the grain distribution, to measure hardness distribution and to measure thickness of the layer. Finally, taking the thickness of layer into the relationship of deformation rate intensity factor to calculate value α.
Experimental results show that with the die angle increase grain refinement, hardness and thickness of hardened layer also increases. The thickest measured hardened layer of about 36 μm can be found with 15 degrees die angle. However, the existence of the layer is not obvious in the case of 25 degrees die angle extrusion.
Results obtained material coefficient α that the theory based on the strain rate intensity factor is applicable for describing the formation of the hardened layer of intensive plastic deformation near frictional surface in metal forming processes. With the use of the value α, we can determine the thickness of the hardened layer near the friction surface during extrusion process.

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖表目錄 VI
符號說明 VIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 擠製加工簡介 2
1-2-1 擠製方式 3
1-2-2 擠製加工條件對擠製性能之影響 4
1-3 文獻回顧 5
1-3-1 鎂合金之材料特性 5
1-3-2 鎂合金之規格及添加元素之影響 6
1-3-3 鎂合金之塑性變型機制 7
1-3-4 擠製加工 8
1-3-5 薄剪流層 9
1-3-6 應變因子與性質變化之關係 10
1-4 研究動機及目的 10
1-5 本文架構 11
第二章 理論基礎 19
2-1 金屬成型於摩擦界面處之相關定理 19
2-1-1 降伏準則(Yield Criterion) 19
2-1-2 摩擦定律 20
2-1-3 上界限法 20
2-1-4 金屬材料無因次數與材料變化區域關係 20
2-2 奈米壓痕理論 25
2-2-1 硬度與楊氏係數 25
2-2-2 奈米壓痕之接觸力學理論 27
第三章 實驗方法 35
3-1 實驗流程 35
3-2 實驗裝置與試片製備 36
3-2-1 擠製加工實驗 36
3-2-2 穩態與非穩態 37
3-2-3 試片製備 37
3-3 擠製棒材分析方法 39
3-3-1 金相實驗 39
3-3-2 奈米壓痕機械性質量測 40
第四章 實驗結果與討論 55
4-1 不同傾斜角之金相觀察 55
4-2 不同傾斜角之晶粒量測 56
4-3 不同傾斜角之硬度試驗 58
4-4 計算無因次化之應變率強度因子及α 59
第五章 結論與未來展望 71
5-1 結論 71
5-2 未來展望 72
參考文獻 73



圖 表 目 錄
圖1-1 直接擠製示意圖 13
圖1-2 反向擠製示意圖 13
圖1-3 液壓擠製示意圖 14
圖1-4 衝擊擠製示意圖 14
圖1-5 Mg-Al平衡相圖 15
圖1-6 六方晶系的滑移系統 16
圖1-7 鎂合金中各變形之臨界剪斷應力與溫度關係圖 17
圖1-8 上下傾斜角膜具往中心胚料擠製示意圖 18
圖1-9 壓製後製品與硬度表 18
圖2-1 幾何示意圖 32
圖2-2 壓痕實驗參數之剖面圖 32
圖2-3 壓痕負載-位移曲線圖 33
圖2-4 Sinking-in與Pile up示意圖 33
圖2-5 Berkovich壓痕器示意圖 34
圖3-1 擠製機 45
圖3-2 加熱箱 45
圖3-3 擠製前之母材 46
圖3-4 擠製後之棒材 46
圖3-5 模具設計示意圖 47
圖3-6 擠製狀態示意圖 47
圖3-7 切割機 48
圖3-8 鑲埋完之試片 48
圖3-9 研磨機 49
圖3-10 初始擠錠及擠製成品之示意圖 49
圖3-11 金相觀察位置之示意圖 50
圖3-12 光學顯微鏡 50
圖3-13 奈米壓痕儀 51
圖3-14 Berkovich探針 51
圖3-15 奈米壓痕儀之角錐 52
圖3-16 奈米壓痕儀主要組成架構圖 52
圖3-17 奈米壓痕儀之壓痕器結構圖 53
圖3-18 壓痕示意圖 53
圖3-19 試片之硬度量取位置圖 54
圖3-20 硬化層區域量測示意圖 54
圖4-1 初始擠錠之金相觀察 60
圖4-2 初始擠錠之晶粒尺寸與硬度 60
圖4-3 傾斜角5o之擠製成品之金相觀察 61
圖4-4 傾斜角10o之擠製成品之金相觀察 62
圖4-5 傾斜角15o之擠製成品之金相觀察 63
圖4-6 傾斜角25o之擠製成品之金相觀察 64
圖4-7 傾斜角5o之平均晶粒大小分佈圖 65
圖4-8 傾斜角5o之平均硬度值分佈圖 65
圖4-9 傾斜角5o之邊界變化層厚度圖 66
圖4-10 傾斜角10o之平均晶粒大小分佈圖 66
圖4-11 傾斜角10o之平均硬度值分佈圖 67
圖4-12 傾斜角10o之邊界變化層厚度圖 67
圖4-13 傾斜角15o之平均晶粒大小分佈圖 68
圖4-14 傾斜角15o之平均硬度值分佈圖 68
圖4-15 傾斜角15o之邊界變化層厚度圖 69
圖4-16 傾斜角25o之平均晶粒大小分佈圖 69
圖4-17 傾斜角25o之平均硬度值分佈圖 70

表 格
表1-1 鎂合金之ASTM規格記號 12
表 3-1 鎂合金擠製之實驗參數設定 44
表 3-2 金相實驗相關參數 44


符 號 說 明
Aw 二平板面積
c 隨不同的傾斜角度而變化的常數值
D 應變率強度因子
d 無因次化之應變率強度因子
dd 平板距離
Fe 靜電力
Th 變化層的寬度
H0 未擠製前的材料直徑長
H1 擠製後的成品直徑長
L 劃線總長
平均粒徑
Pn 垂直於胚料的正壓力(N/mm2)
晶粒數目
s 與摩擦面的距離長度
T 工作時間
μ 摩擦係數
Vv 電壓
α 材料係數
Φ 任一函數
ζeq 應變率方程式
θ 與中心軸傾斜角度
ε0 介電常數值

1.蔡幸甫，鎂合金產業的現況與新發展，2005，Vol. 221, pp. 176-180.
2.I.J. Polmear, “Recent Developments in Light Alloys”, Master. Trans., JIM, 1996, Vol. 37(1), pp. 12-31.
3.I.J. Polmear, “Magnesium Alloys and Applications”, Mater. Sci. Technol., 1994, Vol. 10(1), pp. 1-15.
4.Z. Zhang, A. Couture and A. Luo, “An Znvestigation of the Properties of Mg-Zn-Al Alloys”, Scripta Mater., 1998, Vol. 39(1), pp. 45-53.
5.R. E. Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles”, metallurgy CHP17, 1974, p. 539.
6.Du. Xinghao, “Microstructure and Mechanical Behaviour of Semi-Solid Die-Casting AZ91D Magnesium”, Materials Letters, 2007, Vol. 61, PP. 2333-2337.
7.K. Ishikawa, H. Watanabe and T. Mukai, “High temperature compressive properties over a wide range of strain rates in an AZ31 magnesium alloy”, J. Mater. Sci., 2005, Vol. 40, pp. 1577-1582.
8.G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, Inc, 1998.
9.K. Lauc, H. Stenger, Extrusion:processes, Machinery, Amerian Society for Metals, 1976.
10.王文樑，“鋁及鋁合金之擠型技術”，金屬工業發展中心工程師， 1985。
11.Y. Chen, Q. Wang, J. Peng, C. Zhai, W. Ding, “ Effects of extrusion ratio on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Mg alloy”, Journal of Mechanical Processing Technology, Vol. 182, 2007, pp.247-267.
12.Michael M Avedesian, Hugh Baker. ASM Speciality Handbook –
Magnesium and Magnesium Alloys. Ohio, ASM International, 1999.
13. 楊智超，鎂合金材料特性及新製程發展，工業材料，1999, Vol. 152,
pp.72-73。
14. H. Proffit., “Magnesium and Magnesium Alloys”, AMS Hanbook,
Vol. 2, p. 798.
15. ASM, “Magnesium Alloys”, Metals Handbook 9th Edition, 1985, Vol. 6, pp. 314~434.
16. 賴耿陽，非鐵金屬材料，復漢出版社，1998。
17. 郭子強，熱處理對AZ91D 鎂合金顯微組織與電化學性質影響之研究，國立成功大學，材料科學及工程學系，民國93 年6 月，第17~18頁。
18. T. Obara, H. Yoshinga and S. Morozumi, ”{1122} <1123> Slip System in Magsium”, Acta Metall., 1973, pp. 845-853.
19. Shigeharu Kamado, 日本鎂合金工業現況及研究趨勢，台灣鎂合金
協會，2001, p. 60.
20. H. Takuda, S. Kikuchi and N. Hatta, “Possibility of Grain Refinement
for Superplasticity of Mg-Al-Zn Alloy by Pre-deformation”, J. Mater.
Sci., 1992, Vol. 27, pp. 937-940.
21. T. Murakami, J. X. Xie, H. Takahashi, K. Ikeda, and K. I. Takaku,
Forming of A7475 and A5056 Pipes by Hot Multi-Billet Extrusion:
Hollow Section Forming by Multi- Billet Extrusion, J. of JSTP, 1992,
Vol. 33, No. 380, p. 1045.
22. S. Onurlu, A. Tekin, “Effect of Heat Treatment on Insoluble
Intermetallic PhasesPresent in 6063 Alloy”, Journal of materials science, 1994, Vol. 29, pp. 1652-1655.
23. S. H. Hsiang and C. S. Liao, “Study on Hot Extrusion of Tubes”,
Journal of Materials Technology, 1997, p. 254.
24. Dr. A. J. (Bill)Bryant, Roger A. P. Fielding, “Developments
in Billet and Extrusion Metallurgy on the Operation of the Extrusion Process”, Light Metal Age. ,1998, pp. 6-34.
25. T. Aukrust, S. Lazghab, “Thin shear boundary layers in flow of hot aluminum”, Int. J. Plasticity, 2000, Vol. 16, pp. 59–71.
26. S. Akcan, S. Shah, S.P. Moylan, P.N. Chhabra, S. Chandrasekar, and H.T.Y. Yang, ”Formation of White Layers in Steels by Machining and Their Characteristics”, Metall. Mater. Trans., 2002, Vol. 33, pp. 1245–1254.
27. S. P. Moylan, S. Kompella, S. Chandrasekar, and T.N. Farris, “A New Approach for Studying Mechanical Properties of Thin Surface Layers Affected by Manufacturing Processes”, Trans. ASME. J. Manuf. Sci. Engng., 2003, Vol. 125, pp. 310–315.
28. S. Alexandrov, O. Richmond, “Singular Plastic Flow Fields Near Surfaces of Maximum Friction Stress”, Int. J. Non–Linear Mech., 2001, Vol. 36, no.1, pp. 1–11.
29. E. Lyamina, S. Alexandrov, D. Grabco, and O. Shikimaka, “An Approach to Prediction of Evolution of Material Properties in the Vicinity of Frictional Interfaces in Metal Forming”, Key Engineering Materials, 2007, Vol. 345-346, pp. 741-744.
30. S. Aleksandrov, D. Grabko, and O. Shikimaka, ”The Determination of the Thickness of a Layer of Intensive Deformations in the Vicinity of the Friction Surface in Metal Forming Processes”, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2009, Vol. 38, No.3, pp. 277–282.
31. R. Khill, Matematicheskaya teoriya plastichnosti (Mathematical Theory of Plasticity), Moscow: Gostekhizdat, 1956.
32. L. Chang, T. Wang, X. Zhao, J. Huang, ”Microstructure and mechanical properties in an AZ31 magnesium alloy sheet fabricated by asymmetric hot extrusion”, Materials Science and Engineering A, 2009, Vol. 496, no. 578, pp. 186-191.
33. J. Boussinesq, “Application des potentiels à l'étude de l'équilibre et du mouvement des solides élastiques”, Pairs: Gauthier-Villars, 1885.
34. W. Oliver & G. Pharr, “An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Identation Experiment”, Materials Research Society 7, 1992, pp. 1564-1583.
35. S. Hsiang and C. Liao, “Study on Hot Extrusion of Tubes”, Journal of Materials Technology, 1997, p. 254.
36. ASTM E112-96(Reapproves 2004)E2, Standard test methods for determining average grain size, ASTM information,2004, pp.13-14.