本文所用之母材為含碳量極低的低碳鋼(IF Steel) ，其碳含量為50ppm 屬於bcc結構，以固定負載 350kgf在預裂之後，待裂痕成長速率達到約2x10-5~3x10-5mm/cycle之後，馬上將負載以9x10-7 mm/cycle所對應的k值(應力強度因子)作調降，此時cycle數為P1，接著待裂痕再次開始成長，此時cycle數為P2，分別取降低負載後的週期數0.25(P2-P1)，0.5(P2-P1)，0.75(P2-P1)，(P2-P1)四個cycle數下的四個試片來觀察從高負載變化至低負載後，其裂痕間的差排組織變化情形。
在裂痕成長實驗中降低最大負載後的試片觀察到了脈狀組織、差排牆等結構，證明了類似面心材料所產生的逆演化現象，降完負載後隨著時間進行，能量也持續累積，原本逆演化衍生的脈狀組織又持續正向演化變成差排胞，而此時裂痕又再度成長。

In this thesis, we use IF Steel to be the matrix which composition of carbon is 50ppm approaches Iron and belongs to the part of BCC structure. After we use the load 350kgf precrack, while the propagation rate approaching 2x10-5~3x10-5mm/cycle, we immediately drop the stress intensity factor(Δk) to a level which is determined by the propagation rate of 9x10-7mm/cycle. Then we record the cycle number as P1, and after the crack tip continues to propagate, we record the cycle number again as P2, and between the period of (P2 – P1), we take 4 sample which marks are 0.25(P2 –P1), 0.5(P2 –P1), 0.75(P2 –P1), (P2 –P1). By this way, we can find out the difference of microstructure of the crack tip from a high load level to a low one.
On this experiment, we observation the vein structure, dislocation walls, and so on. It proves that the same phenomenon could also be happened on BCC material, just like FCC material. As time goes by, after drop load, the stored energy is more and more strong. And the vein structure of reverse evolution would become the structure of dislocation cells of normal evolution. Then the crack would continue to propagate on the circumstances.

壹.前言
1.1 背景..........................................1
1.2 研究動機與目的................................2
貳.文獻回顧
2.1 疲勞實驗......................................4
2.2 裂痕起始和成長階段............................6
2.3 FCC材料.......................................7
2.3.1 逆演化........................................7
2.3.2 裂痕成長......................................8
2.4 BCC材料.......................................9
2.4.1 低週疲勞.....................................10
2.4.2 裂痕成長.....................................11
2.5 Geometrically and Incidental Boundary........12
2.6 Dislocation Reversal Behavior................13
參.實驗方法
3.1 疲勞試片準備.................................15
3.2 材料晶粒大小觀察.............................16
3.3 疲勞裂縫生長實驗.............................16
3.4 低週疲勞實驗.................................17
3.5 掃描式電子顯微鏡試片製作.....................18
3.6 Electron-BackscatterPattern..................19
肆.實驗結果與討論
4.1 低週疲勞.....................................21
4.2 低週疲勞各應變量下差排組織形貌...............22
4.3 裂痕成長.....................................24
4.3.1 裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle.................28
4.3.2 裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle 降低負載為裂痕成長 速率為8x10-7mm/cycle後再經過5 萬個週期.......29
4.3.3 裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle 降低負載為裂痕成長 速率為8x10-7mm/cycle後再經過10 萬個週期......29
4.3.4 裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle 降低負載為裂痕成長 速率為8x10-7mm/cycle後再經過15 萬個週期......30
4.3.5 裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle 降低負載為裂痕成長 速率為8x10-7mm/cycle後在經過20 萬個週期......31
4.4 FCC和BCC最大負載降幅之比較...................32
4.5 電解拋光試片前後試片之比較...................33
伍.結論...............................................35
陸.參考文獻...........................................36
表次
表1 IF Steel在不同應變振幅作用下，形成的差排胞其長短 軸...........................................38
表2 IF鋼在各個裂痕成長的速率下，裂痕尖端前的差排組 織ㄧ覽.......................................39
表3 純銅在由最大負荷P降至0.35P後經過35萬55萬70 萬及70多萬cycle裂痕尖端差排組織ㄧ覽..........39
圖次
圖2-1 溫度及應力關係圖.............................40
圖2-2 銅先以0.2%應變振幅進行疲勞試驗至4000cycles後， 應變振幅降至0.1%之應力反應圖.................40
圖2-3 純銅應變振幅從0.2%拉到4000cycle後降至0.1%應變 振幅拉到5000cycles為止差排胞崩潰.............40
圖2-4 純銅裂痕尖端成長速率=2x10-5mm/cycle時錯位差排
胞...........................................41
圖2-5 純銅裂縫尖端最大負重P(裂痕成長速率為2x10-5mm/c ycle)降至0.35P經過35萬cycle，裂痕不成長，其裂 縫尖端的差排組織.............................42
圖2-6 純銅裂縫尖端最大負重P(da/dn =2x10-5mm/cycle)降至 0.35經過55萬cycle，裂痕不成長，其裂縫尖端的差 排組織.......................................42
圖2-7 純銅裂縫尖端最大負重P(da/dn =2x10-5mm/cycle)降至 0.35P經過70萬cycle，裂痕不成長，其裂縫尖端的 差排組織.....................................43
圖2-8 利用掃瞄式電子顯微鏡之反射電子成像，觀察IF鋼 晶粒大小為70μm的0.1%低週疲勞試片差排組織.....43
圖2-9 利用掃瞄式電子顯微鏡之反射電子成像，觀察IF鋼 粒大小為70μm的2.0%低週疲勞試片差排組織.......44
圖2-10 IF鋼裂縫尖端(da/dn =10-4mm/cycle)前的差排組織依 序為(a)PSB(b)差排牆(c)來不尼茲差排牆與(d)錯位差 排胞【4】....................................45
圖2-10 IF鋼裂縫尖端(da/dn =10-4mm/cycle)前的差排組織依 序為(a)PSB(b)差排牆(c)來不尼茲差排牆與(d)錯位差 排胞【4】....................................46
圖2-11 IF鋼裂縫尖端da/dn=10-7mm/cycle，裂痕尖端前的差 排組織依序為差排胞，PSB......................47
圖3-1 IF鋼原始板材.................................47
圖3-2 疲勞試棒規格示意圖...........................48
圖3-3 裂痕單邊成長試片.............................48
圖3-4 IF Steel 腐蝕後的金相........................49
圖3-5 INSTRON疲勞試驗機............................50
圖3-6 INSTRON 微電腦控制面板.......................50
圖3-7 裂痕成長試片施力方向示意圖...................51
圖3-8 移動式顯微鏡.................................51
圖3-9 SEM punch 3mm 圓片位置圖.....................52
圖4-1 低週疲勞下水淬後的IF鋼在不同應變之應力反應曲 線(晶粒大小約70um)...........................52
圖4-2 低週疲勞下爐冷後的IF鋼在不同應變之應力反應曲 線(晶粒大小約80um............................53
圖4-3 低週疲勞試驗振幅為1.2%約200個週期下IF鋼之差 排組織都是錯位差排胞,晶粒大小約1.33um........53
圖4-4 低週疲勞試驗振幅為1.0%約300個週期下IF鋼差排 組織都是錯位差排胞,晶粒大小約1.33um..........54
圖4-5 低週疲勞試驗振幅為0.6%約1700個週期下IF鋼差 排組織都是錯位差排胞,晶粒大小約1.82um........54
圖4-6 低週疲勞試驗振幅為0.2%約20000個週期下IF鋼差 排組織都是錯位差排胞,晶粒大小約2um...........55
圖4-7 低週疲勞試驗振幅為0.3%約9700個週期下IF鋼形 成多處domain內部則有差排胞，晶粒大小約2um....55
圖4-8 低週疲勞試驗振幅為0.3%約9700個週期,圖中明顯 劃分出幾處domain,domain內則都是錯位差排胞的 結構.........................................56
圖4-9 低週疲勞試驗振幅為0.2%約5000個週期下IF鋼除 了原本可以觀察到的錯位差排胞之外,還有(a)PSB的 結構(b)walls.................................56
圖4-10 疲勞裂痕成長在低倍率下的BEI影像 50X..........57
圖4-11 疲勞裂痕成長在高倍率下的BEI影像 2000X.......57
圖4-12 裂縫實驗流程試片示意圖.......................58
圖4-13 疲勞裂痕外貌,放大倍率為12X裂痕長度為4mm......58
圖4-14 (a)裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle下,電子顯微鏡B EI影像(b)相對應之Kicuchi map.................59
圖4-15 (a)裂痕成長速率為4x10-5mm/cycle下裂痕尖端前放 大圖右邊grain zone axis (b)相對應之
Kicuchi map..................................59
圖4-16 (a)裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle後 過5萬個週期之裂痕尖端差排形貌(b)相對應之 Kicuchi map..................................60
圖4-17 裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle後 過5萬個週期之裂痕尖端外40um差排形貌..........60
圖4-18 (a)裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle 後過10萬個週期之裂痕尖端差排形貌(b)相對應之 Kicuchi map..................................61
圖4-19裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle後 過10萬個週期之裂痕尖端外60um差排形貌.........61
圖4-20 (a)裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle 後過15萬個週期之裂痕尖端脈狀差排形貌(b)裂痕 尖端前相對應晶胞之Kicuchi map (c) 距裂痕尖端 外兩個晶胞遠之Kicuchi map....................62
圖4-21 (a)裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle 後過20萬個週期之裂痕尖端差排形貌(b)相對應之 Kicuchi map..................................63
圖4-22 (a)裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle 後過20萬個週期之裂痕尖端外40um~60um差排形 貌(b)相對應之Kicuchi map.....................63
圖4-23 裂痕成長速率由10-5mm/cycle掉到10-7mm/cycle後 過20萬個週期之裂痕尖端差排形貌放大圖.........64
圖4-24 IF鋼裂痕成長速率為10-5mm/cycle ,裂痕尖端只出現 少數錯位差排胞...............................64
圖4-25 純銅裂痕成長速率為2x10-5mm/cycle ,裂痕尖端30um 內都是錯位差排胞.............................65
圖4-26 FCC純銅da/dn對應力強度因子Δk.................65
圖4-27 BCC IF鋼 da/dn對應力強度因子Δk...............66
圖4-28 電解拋光前裂痕尖端前形貌.....................66
圖4-29 電解拋光後裂痕尖端前形貌.....................67

【1】 黃興祿,多晶銅之疲勞裂痕起始與不同裂痕成長速率下尖端微結構研究,1997
【2】 曾煥廷碩士論文,國立中山大學材料科學研究所(2000)
【3】 羅文駿碩士論文,國立中山大學材料科學研究所(2003)
【4】 黃維政碩士論文,國立中山大學材料科學研究所(2004)
【5】 H.Muhgrabi , K.HerzandX.Stark , Acta Metalluragica , Vol24 , p659-668
【6】 H.Mughrabi , K.Herz and X.Stark,International , Journal of Fracture , Vol17 , (1981) , p193
【7】 Reed-Hill , Physical Metallurgy Principles 3rd , 1994
【8】 John Barson and Stanley Rolfe,Fracture Fatigue Control in Structure , 2nd edition(1987) , p306.
【9】 張綺惠碩士論文，國立中山大學材料科學研究所(2002)
【10】 Dislocation Cell Formation and Work Hardening in the Unidirectional Glide of F.C.C Metals MSE,Vol 60 , (1983) , p7-24
【11】 Geometrically Necessary ,Incidental and Subgrain
Boundarys ,Scripta Metallurgica et Matericalia Vol.25,(1991),p1557-1562.
【12】 LEDS theory of workhardening stages and “planar”versus“distributed”glide ,Scripta Metallurgica et Materialia , Vol.31 , No.6 , (1994) , p729-734.
【13】 B.Bay,N.Hansen and D.Kuhlmann-Wilsdorf , MSE , A113 , (1989) , p385
【14】 David B.Williams and C.Barry Carter ,Transmission Electron Microscopy Basics Diffraction Imaging Spectrometry , 1996
【15】 H.L. Huang , N.j. Ho ,The observation of dislocation reversal in front of crack tips of polycrystalline copper after reducing maximum load ,Material Science and Engineering , A345, (2003) , p215-222.