本論文在研究Fe-5.5Mn-2Al-0.35C熱軋鋼板，經兩階段熱處理程序及一道冷軋處理後其顯微組織與拉伸性質。本研究之結果與Fe-6.6Mn-3Al-0.35C的結果比較以瞭解錳、鋁合金添加量對中錳鋼材性質與組織之影響。實驗結果顯示降低錳、鋁合金添加量對中錳鋼的沃斯田鐵相分率以及晶粒尺寸沒有顯著影響。由於合金添加量減少而降低了沃斯田鐵穩定性，使得加工硬化率和抗拉強度有相當程度的提升，但是伸長量卻反而降低。

This research explores the effect of manganese and aluminum alloy content on the microstructure and tensile properties of a medium manganese steel. After two-stage annealing and cold rolling procedure, in the concentration range studied, reducing aluminum and manganese content does not significantly change the austenite volume fraction and grain size of the medium manganese steel, but lower the austenite stability which increases the work-hardening rate and tensile strength, however, elongation is reduced.

目錄
論文審定書 i
中文摘要 ii
Abstract iii
圖次 viii
表次 xv
一、前言 1
二、文獻回顧 2
2-1 麻田散鐵 2
2-1-1 應力及應變誘發麻田散鐵 2
2-1-2 麻田散鐵形貌 3
2-1-3 麻田散鐵生成 4
2-2 TRIP鋼 5
2-2-1逆變態沃斯田鐵 6
2-3 沃斯田鐵穩定性 6
2-3-1 晶粒尺寸對沃斯田鐵穩定性之影響 6
2-3-2 組織結構對沃斯田鐵穩定性之影響 7
2-3-3 冷軋對組織結構之影響 8
2-4 合金成份對沃斯田鐵穩定性之影響 8
2-4-1 鋁對低碳、錳TRIP鋼之影響 8
2-4-2 鋁、碳、錳對TRIP鋼之影響 9
2-4-3 鋁、矽對疊差能之影響 9
2-4-4 錳對沃斯田鐵基鋼應變機制之影響 10
2-4-5 錳對沃斯田鐵穩定性之影響 11
2-5 熱處理對TRIP鋼之影響 11
2-5-1 熱處理 11
2-5-2 退火溫度對晶粒尺寸之影響 12
2-5-2 退火時間對晶粒尺寸之影響 12
2-5-3 退火溫度對合金含量之影響 13
2-5-4 退火時間對合金元素之影響 13
2-5-5 熱處理對疊差能之影響 14
2-5-6 熱處理對沃斯田鐵穩定性之影響 14
2-5-7 熱處理對機械性質之影響 15
2-6 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C性質回顧 17
2-6-1 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C晶粒尺寸 17
2-6-2 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C組織結構 17
2-6-3 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C合金成份含量 18
2-6-4 不同冷軋量對Fe-6.6Mn-3Al-0.35C之影響 18
三、研究目的 20
四、實驗方法 21
4-1 實驗材料 21
4-2 試片製備 21
4-2-1 拉伸試驗 21
4-3實驗分析 21
4-3-1金相製備 21
4-3-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 22
4-3-3 背向散射電子繞射(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD) 22
4-3-4 X光能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS） 22
4-3-5 X-ray繞射分析 22
五、實驗結果 23
5-1 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C合金顯微組織 23
5-2 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C機械性質 24
5-3 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C晶粒尺寸 24
5-4 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C合金成份 25
5-5 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C相分率 26
5-6 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C特定應變量觀察 27
5-6-1 特定應變量之顯微組織 27
5-6-2 特定應變量之相分率 27
5-7 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C測量結果 27
5-8 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C晶粒尺寸 28
5-9 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C之合金成份 28
5-10 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C之相分率 29
5-11 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C特定應變量觀察 29
5-11-1 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C特定應變量之顯微組織 30
5-11-2 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C特定應變量之相分率 30
六、討論 31
6-1 顯微組織 31
6-2 機械性質 32
6-3 晶粒尺寸 33
6-4 合金成份 34
6-5 相分率 34
6-6 影響沃斯田鐵穩定性之關鍵因素 36
6-7 鋁含量之影響 36
6-8 錳含量之影響 36
七、結論 38
八、參考文獻 39

 
圖次
圖2-1 條狀麻田散鐵在不同碳含量合金中以OM觀測之組織圖 43
(a) Fe-0.0026C, (b) Fe-0.18C, (c) Fe-0.38C和(d) Fe-0.61C[3] 43
圖2-2 SEM觀察Fe-0.0026C合金中條狀麻田散鐵組織和其對應晶向示意圖[3] 43
圖2-3條狀麻田散鐵在(a) 低碳(0~0.4%C)和(b) 高碳(0.6%C)合金中結構示意圖[3] 44
圖2-4 Fe-1.86%C合金鋼中片狀麻田散鐵微結構圖[4] 44
圖2-5 不同Ms溫度對透鏡狀麻田散鐵組織之影響(a) Fe-33Ni (Ms =171K)、(b) Fe-31Ni (Ms =223K)、(c) Fe-20.5Ni-35Co (Ms =497K)[5] 45
圖2-6 Fe-0.041C-0.33Si-1.71Mn-18.2Cr-8.1Ni-0.32Mo-0.37Cu-0.054N合金以3×10-4s-1之應變速率於室溫下進行拉伸，不同應變量之微結構(a) 應變量為0.05，(b) 應變量為0.09，(c) 應變量為0.2，(d) 應變量為0.42[6] 45
圖2-7 Fe-0.019C-0.48Si-1.61Mn-17.6Cr-6.6Ni-0.14Mo-0.22Cu-0.094N合金以3×10-4s-1之應變速率於室溫下進行拉伸，不同應變量之微結構(a) 應變量為0.05，(b)應變量為0.09[6] 46
圖2-8 Fe-0.017C-0.51Si-1.34Mn-17.4Cr-6.6Ni-0.15Mo-0.14Cu-0.145N合金以3×10-4s-1之應變速率於室溫下進行拉伸，不同應變量之微結構(a) 應變量為0.05，(b)應變量為0.09[6] 46
圖2-9 Fe-0.017C-0.52Si-1.3Mn-17.3Cr-6.5Ni-0.15Mo-0.15N拉伸後之TEM照片(a) 帶狀組織，(b) α’麻田散鐵和差排糾結的變形帶狀組織，(c) 微帶狀組織，(d) 塊狀麻田散鐵和雙晶[7] 47
圖2-10 低合金鋼TRIP效應之變形機制[8] 47
圖2-11 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al經不同溫度退火後SEM照片(a) 730℃, (b) 750℃, (c) 770℃, (d) 800℃, (e) 850℃ [9] 48
圖2-12 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al在730℃、770℃和800℃退火之加工硬化率圖，曲線上1、2、3分別代表應變初期、應變中期、應變後期[9] 48
圖2-13 Fe-0.24C-1.6Al-2Mn-0.3Si在應變量0%、2.6%和7.9%時，不同大小的沃斯田鐵晶粒比例示意圖[10] 49
圖2-14 Fe-0.24C-1.6Al-2Mn-0.3Si在應變量7.9%時，沃斯田鐵成核位置與相變化比例之關係圖[10] 49
圖2-15冷軋對Fe-6Mn合金的沃斯田鐵形貌之影響(a) 無冷軋、(b) 有冷軋 [11] 50
圖2-16冷軋量對Fe-21Ni-0.053C沃斯田鐵生成速率之影響[11] 50
圖2-17 鋁含量對對退火後組織之影響(a) Fe-0.12C-4.6Mn-0.55Si-1.1Al於720℃下退火(b) Fe-0.12C-5.8Mn-0.47Si-3.1Al於720℃下退火(c) Fe-0.12C-5.8Mn-0.47Si-3.1Al於780℃下退火[12] 51
圖2-18 Fe-0.12C-5.8Mn-0.47Si-3.1Al在(a) 720℃, (b) 780℃和(c) 840℃下退火之OM觀測圖(A: 肥粒鐵, B: 逆變態沃斯田鐵, C: 麻田散鐵)[12] 51
圖2-19不同退火溫度對應不同鋁含量之應力應變圖(a) Fe-0.12C-4.6Mn-0.55Si-1.1Al(b) Fe-0.12C-5.8Mn-0.47Si-3.1Al [12] 52
圖2-20 不同合金成份之試片在不同退火溫度下之沃斯田鐵相分率(alloy1: Fe-0.11C-4.5Mn-0.45Si-2.2Al, alloy 2: Fe-0.075C-5.1Mn-0.49Si-2.1Al, alloy3: Fe-0.055C-5.6Mn-0.49Si-2.2Al, Ref. [2]: Fe-0.12C-5.8Mn-0.47Si-3.1Al) [13] 52
圖2-21不同合金成份之試片在不同退火溫度下之工程應力應變圖(a) Fe-0.11C-4.5Mn-0.45Si-2.2Al, (b) Fe-0.075C-5.1Mn-0.49Si-2.1Al, (c) Fe-0.055C-5.6Mn-0.49Si-2.2Al) [13] 53
圖2-22 Base、2.5Si、2.5Al三種合金(a) 部份差排間距和完美差排角度關係圖，(b) 鋁、矽元素和疊差能關係圖[14] 53
圖2-23 Fe-X%Mn-3Al-3Si三種合金，(a) 真實應力-應變曲線圖，(b) 加工硬化率曲線圖[15] 54
圖2-24 Fe-X%Mn-3Al-3Si合金，錳含量和疊差能之關係圖[15] 54
圖2-25 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al在750℃下，退火3分鐘(a)SEM相片、(b)不同區域之錳含量關係圖，退火10分鐘(c)SEM相片、(d)不同區域之錳含量關係圖[9] 55
圖2-26 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al在750℃下分別退火3分鐘、7分鐘和10分鐘之加工硬化率曲線圖[9] 55
圖2-27 Fe-0.3C-6Mn熱處理製成圖(a) 溫度與時間關係圖(b) 鐵碳二元相圖(c) 沃斯田鐵碳含量相圖(d) 沃斯田鐵錳含量相圖[16] 56
圖2-28 Fe-21Ni-0.053C在500℃下退火時間對於晶粒尺寸的效應(a) 100h; (b) 300h; (c) 1,000h; (d) 2,000h[11] 56
圖2-29 Fe-0.14C-10.2Mn-1.5Al在640℃下，不同退火時間對肥粒鐵及沃斯田鐵平均晶粒尺寸關係圖[17] 57
圖2-30 Fe-0.14C-10.2Mn-1.5Al在640℃下退火3分鐘和12小時之晶粒尺寸比例圖，(a) 不同晶粒尺寸出現頻率、(b) 不同晶粒尺寸面積比率(BCC為肥粒鐵，FCC為沃斯田鐵)[17] 57
圖2-31 Fe-10Mn-0.3C-3Al-2Si合金中，(a) 合金相圖，(b) 退火溫度對相分率關係圖，(c) 退火溫度對沃斯田鐵中合金元素平衡態濃度[18] 58
圖2-32低合金TRIP鋼，碳、錳和矽於兩相區退火時，兩相晶界的合金元素濃度分佈情形[8] 59
圖2-33高錳沃斯田鐵基鋼在不同退火溫度下，疊差能對於應變硬化增強機制之影響[19] 59
圖2-34 Fe-10Mn-0.3C-3Al-2Si合金在不同退火溫度下，對(a) 熱處理步驟，(b) 合金相圖，(c) 沃斯田鐵相錳含量，(d) 沃斯田鐵相碳含量，(e) 疊差能，(f) Ms溫度之影響[20] 60
圖2-35 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al之SEM相片，(a) 770℃拉伸前，(b)800℃拉伸前，(c)770℃拉伸後，(d)800℃拉伸後[9] 61
圖2-36 Fe-0.14C-10.2Mn-1.5Al合金在不同退火溫度下，(a) 晶粒尺寸，(b) 合金元素擴散程度對Ms溫度之影響[17] 61
圖2-37 Fe-0.14C-10.2Mn-1.5Al合金元素濃度對退火時間之關係圖(a) 錳含量經由EDS測量結果，(b) 錳含量經由EPMA測量結果，(c) 鋁含量經由EDS測量結果，(d) 鋁含量經由EPMA測量結果[17] 62
圖2-38 Fe-21Ni-0.053C之應力應變曲線圖，TYPE I為Lüders應變未完全之試片(晶粒尺寸<0.57μm)，TYPE II為Lüders應變完全之試片(晶粒尺寸>0.7μm) [11] 62
圖2-39 Fe-0.14C-10.2Mn-1.5Al合金，不同持溫時間對於機械性質之影響[17] 63
圖2-40 Fe-10Mn-X%C-3Al-2Si合金在不同退火溫度下疊差能和應變機制關係圖[18] 63
圖2-41 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之工程應力應變圖[21] 64
圖2-42 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之加工硬化率[21] 64
圖2-43 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C晶粒尺寸與退火溫度關係圖(BCC為肥粒鐵相、FCC為沃斯田鐵相)[21] 65
圖2-44 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C晶粒Aspect ratio與退火溫度關係圖(BCC為肥粒鐵相、FCC為沃斯田鐵相)[21] 65
圖2-45 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C冷軋50%後經由四個不同退火溫度熱處理後之SEM相片[21] 66
圖2-46 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C 沃斯田鐵相之Local misorientation分佈圖(KAM) (a) 675℃, (b) 700℃, (c) 725℃和(d) 750℃[21] 66
圖2-47 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C退火溫度和相分率關係圖(BCC為肥粒鐵相、FCC為沃斯田鐵相)[21] 67
圖2-48 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C拉伸後之SEM照片675℃,(b) 700℃,(c) 725℃和(d) 750℃[21] 67
圖2-49 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C 退火溫度與合金元素含量關係圖(a) 沃斯田鐵相鋁含量, (b) 肥粒鐵相鋁含量 (c) 沃斯田鐵相錳含量和 (d) 肥粒鐵相錳含量[21] 68
圖2-50 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C施以不同冷軋量後在725℃退火30分鐘之工程應力應變圖[22] 68
圖4-1 兩階段熱處理及冷軋示意圖 69
圖4-2 ASTM E8 subsize規格之拉伸試片 69
圖5-1第一階段700℃退火30分鐘冷軋50%之TD面SEM照片 70
(a) 低倍率，(b) 高倍率 70
圖5-2第二階段675℃退火30分鐘拉伸前之TD面SEM照片 71
(a) 低倍率，(b) 高倍率 71
圖5-3第二階段675℃退火30分鐘拉伸後之TD面SEM照片 72
(a) 低倍率，(b) 高倍率 72
圖5-4第二階段700℃退火30分鐘拉伸前之TD面SEM照片 73
(a) 低倍率，(b) 高倍率 73
圖5-5第二階段700℃退火30分鐘拉伸後之TD面SEM照片 74
(a) 低倍率，(b) 高倍率 74
圖5-6第二階段725℃退火30分鐘拉伸前之TD面SEM照片 75
(a) 低倍率，(b) 高倍率 75
圖5-7第二階段725℃退火30分鐘拉伸後之TD面SEM照片 76
(a) 低倍率，(b) 高倍率 76
圖5-8第二階段750℃退火30分鐘拉伸前之TD面SEM照片 77
(a) 低倍率，(b) 高倍率 77
圖5-9第二階段750℃退火30分鐘拉伸後之TD面SEM照片 78
(a) 低倍率，(b) 高倍率 78
圖5-10 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後之(a)工程應力-應變曲線、(b)真實應力-應變曲線 79
圖5-11 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後之加工硬化率 80
圖5-12 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後之晶粒尺寸 80
圖5-13 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後，退火溫度與沃斯田鐵相合金元素含量關係圖 81
圖5-14 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後，由XRD測量之退火溫度與拉伸前兩相相分率關係圖 81
圖5-15 冷軋50%後，經不同退火溫度熱處理後，由EBSD測量之退火溫度與拉伸前相分率關係圖 82
圖5-16 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量10%之SEM照片 82
圖5-17 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量10%之SEM照片，圓圈處為麻田散鐵 83
圖5-18 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量20%之SEM照片 83
圖5-19 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量20%之SEM照片 84
圖5-20 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量30%之SEM照片 84
圖5-21 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量30%之SEM照片 85
圖5-22 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量40%之SEM照片 85
圖5-23 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，工程應變量40%之SEM照片 86
圖5-24 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經700℃退火後，不同工程應變量之沃斯田鐵相分率 86
圖5-25 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經EBSD在TD面測量之兩相晶粒尺寸與退火溫度之關係圖 87
圖5-26 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經EDS測量沃斯田鐵相合金元素含量與退火溫度之關係圖 87
圖5-27 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經EBSD在TD面測量之兩相相分率與退火溫度之關係圖 88
圖5-28 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C和Fe-5.5Mn-2Al-0.35C拉伸試片在應變量30%和40%之相片(由上至下分別為Fe-5.5Mn-2Al-0.35C應變量40%、Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量40%、Fe-5.5Mn-2Al-0.35C應變量30%、Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量30%) 88
圖5-29 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量20%之SEM照片 89
圖5-30 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量30%之SEM照片(均勻變形區) 90
圖5-31 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量30%之SEM照片(Lüders band內) 90
圖5-32 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C應變量40%之SEM照片 91
圖5-32 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經EBSD測量，不同應變量與沃斯田鐵相分率關係圖 91

表次
表2-1 Kurdjumov-Sachs 晶向關係[4] 93
表2-2 Talonen等人三種實驗試片之合金成份表[6] 93
表2-3 Talonen等人三種實驗試片之疊差能表[6] 93
表2-4 Fe-0.18C-11Mn-3.8Al在不同退火溫度下之晶粒尺寸[9] 94
表2-5 Suh等人實驗中三種合金之成份表[13] 94
表2-6 Lehnhoff等人實驗使用合金成份[14] 94
表2-7鋁、矽對沃斯田鐵晶格常數和疊差能之經驗線性係數[14] 94
表2-8 Pierce等人實驗使用合金成份及疊差能表[15] 95
表2-9 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同冷軋量下X-ray量測相分率結果[22] 95
表2-10 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C不同冷軋量下退火後X-ray和EBSD量測之相分率結果[22] 95
表2-11 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同冷軋量下退火後，EDS量測成份分析結果[22] 96
表2-12 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同冷軋量下退火後，不同相之晶粒尺寸和Aspect ratio[22] 96
表5-1 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之機械性質 97
表5-2 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之機械性質[21] 97
表5-3 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之兩相合金元素含量 97
表5-4 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之兩相合金元素含量 98
表5-5 Fe-5.5Mn-2Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之兩相lattice constants 98
表5-6 Fe-6.6Mn-3Al-0.35C經不同退火溫度熱處理後之兩相lattice constants 98

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