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博碩士論文 etd-0425107-162415 詳細資訊
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論文名稱
Title
探討摩擦攪拌製程1050鋁合金晶粒的演化行為
Studies of grain evolution in 1050 aluminum alloy during friction stir process
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
90
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2007-04-12
繳交日期
Date of Submission
2007-04-25
關鍵字
Keywords
摩擦攪拌製程、晶粒尺寸、鋁合金1050
friction stir process, grain size, AA1050
統計
Statistics
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中文摘要
本實驗對鋁合金AA1050進行摩擦攪拌製程,實驗條件固定走速為0.5mm/s,轉速分別為500rpm、700rpm、1000rpm、1500rpm與2000rpm,利用熱電偶量測凸銷底部實驗溫度,並以電子顯微鏡觀察晶粒結構,以進一步了解摩擦攪拌製程的機制。

凸銷底部溫度測量隨轉速增加而增加,但均低於0.8Tm(K)。低轉速下晶粒尺寸隨著轉速增加而呈線性增加,高轉速下(超過1000rpm)晶粒尺寸幾乎不隨著轉速增加而增加。凸銷底部的鋁合金AA1050晶粒演化在凸銷經過後約2mm距離內,就迅速成長至一穩定值,之後晶粒尺寸幾乎沒有變化,當轉速超過1000rpm,晶粒成長速率約為1μm/s; 當轉速低於700 rpm,晶粒成長速率降為0.2μm/s 以下。BEI/ECCI觀察到這些都是等軸晶粒,且內部並無明顯亮度對比,晶界清晰可見。次晶粒比例應該極低。
Abstract
Friction stir process (FSP) was employed to investigate the grain evolution of AA1050 aluminum alloy in this study. The rotation speeds for the tool were set from 500 to 2000 rpm with a constant traverse speed of 0.5mm/s. The temperature under pin was measured by K-type thermocouple imbedded under the pin. Grain sizes were determined by scanning electron microscopy.

The maximum temperature at the bottom of pin increased with the increasing of rotation speed but not exceeding 0.8Tm. Grain size at center and bottom of stirred zone was in linear increase at low rotation speed, but increased a little at high rotation speed (>1000rpm). The grain size grew rapidly into a stable size in a 2mm distance measured from the passing of pin. When rotation speed is above 1000rpm, average grain growth rate is 1μm/s. When rotation speed is lower than 700rpm, average grain growth rate is slower than 0.2μm/s. BEI/ECCI observations revealed that grains in SZ became equaxied.
目次 Table of Contents
總目錄
論文摘要 I
Abstract II
總目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI

壹、前言 1
1.1 背景說明 1
1.2 研究動機 2

貳、文獻回顧 4
2.1 摩擦攪拌銲接 4
2.2 摩擦攪拌製程 4
2.3 摩擦攪拌銲接/製程的溫度 5
2.4 摩擦攪拌銲接/製程的微結構 7
2.5 攪拌區的晶粒細化機構 9
2.6 摩擦攪拌銲接/製程的晶粒尺寸 13

叄、實驗方法 14
3.1 鋁合金1050板材的製備 14
3.2 摩擦攪拌製程 14
3.2.1 工具頭及夾具 14
3.2.2 摩擦攪拌製程機器簡介 14
3.2.3 摩擦攪拌製程參數 15
3.2.4 摩擦攪拌製程溫度 15
3.3 微觀組織分析 15
3.3.1 試片觀察前處理 15
3.3.2 掃瞄式電子顯微鏡觀察 16

肆、實驗結果與討論 17
4.1 溫度量測 17
4.2 巨觀觀察 18
4.3 凸銷底部微結構觀察 19

伍、結論 28

陸、參考文獻 30
















表目錄

表2-1. 摩擦攪拌製程/銲接的溫度測量比較。 36
表2-2. 不同摩擦攪拌銲接/製程下攪拌區內晶粒的變化的比較。 37
表2-3. 超細晶產製方式的比較。 39
表3-1. 鋁合金1050的組成成分。 40
表3-2. 工具頭規格。 40
表3-3. 實驗參數列表。 40
表4-1. 量測的最高溫度。 41
表4-2. 各參數攪拌區平均晶粒尺寸。 41
表4-3. 500-0.5與700-0.5觀察位置之晶粒尺寸。 42
表4-4. 1000-0.5、1500-0.5與2000-0.5觀察位置之晶粒尺寸。 43
表4-5. 假設材料流動為Newtonian viscous flow下,不同參數計算出的凸銷周圍剪應變率。 44
表4-6. 700-0.5-LN與1500-0.5-LN的觀察位置晶粒尺寸。 44
表4-7. 凸銷底部晶粒成長與對應溫度。 45









圖目錄

圖2-1. 摩擦攪拌銲接示意圖。 46
圖2-2. Kwon等人對鋁合金1050進行摩擦攪拌製程,在560、980與1840rpm下所測得凸銷底部的最高溫度[12]。 46
圖2-3. Tang等人對鋁合金6061進行溫度對銲道中央距離的測量[13]。 47
圖2-4. Tang等人對鋁合金6061進行工具頭轉速對溫度的測量[13]。 47
圖2-5. Tang等人對鋁合金6061進行有凸銷(nib)和無凸銷工具頭的溫度測量[13]。 48
圖2-6. Mahoney等人對鋁合金7075進行溫度與位置的測量[2,14]。 48
圖2-7. 摩擦攪拌銲接橫斷面結構示意圖。 49
圖2-8. Fonda等人使用EBSD對凸銷周圍的試片進行材料微結構的分析,(a)為EBSD的mapping,(b)為mapping的晶界,(c)為不同晶界角度的分析,大於15°為黑線,5°-15°為藍線,2°-5°為紅線[3]。 50
圖2-9. Prangnell等人使用EBSD觀察摩擦攪拌製程凸銷後方沿銲道方向的晶粒演化,(a)緊鄰凸銷,晶粒呈現細長狀,其中高角度晶界佔50%,(b)距凸銷0.5mm,晶粒形狀較為等軸,(c)距凸銷2mm,更大的等軸晶粒[4]。 51
圖2-10. Prangnell等人利用EBSD觀察摩擦攪拌製程凸銷後方沿銲道方向的晶粒尺寸與高角度晶界比例圖[4]。 51
圖2-11. Su等人觀察摩擦攪拌製程的取試片位置,其中S1~S5分別為緊鄰凸銷處、距凸銷處0.3mm、1mm、3mm與5mm[5]。 52
圖2-12. 相對圖2-11.位置的TEM照片,a、b為S1,c~f為S2~S5,其晶粒尺寸分別為a、b的100~400nm,c~f分別為800nm、1.2μm、1.5μm與1~4μm[5]。 53
圖2-13. 不連續動態再結晶示意圖,(a)在原始晶界處開始成核,(b)-(c)由新成核晶粒形成的項鍊狀(Necklace)結構,(d)完全再結晶形成,(e)再結晶成長為較大的晶粒[17]。 54
圖2-14. 幾何動態再結晶示意圖,(a)未變形前之原始晶粒,(b)經變形後原始晶粒變成扁平狀,產生鋸齒狀晶界,鋸齒狀晶界互相接觸,產生看起來像是再結晶晶粒的等軸結構。 54
圖2-15. Su所提出的摩擦攪拌微結構演化過程,靠近工具頭的材料在高溫下遭受大量的塑性變形,產生大量的不連續動態再結晶,部份晶粒經過動態回復和不連續動態再結晶,部份晶粒直接進行晶粒成長,再形成攪拌區的細化等軸晶粒[5]。 55
圖3-1. 經均質化熱處理的原始母材金相圖。 56
圖3-2. 摩擦攪拌使用的工具頭尺寸示意圖。 56
圖3-3. 摩擦攪拌製程使用之夾具。 57
圖3-4. 以銑床改裝而成之摩擦攪拌機。 57
圖3-5. 摩擦攪拌製程工具頭的3°傾斜角。 58
圖3-6. 熱電偶插入之示意圖。 58
圖4-1. 實驗各參數原始測量溫度。 59
圖4-2. 各參數最高溫前後二十秒溫度(最高溫位於20秒)。 59
圖4-3. 各條件的降溫相對位置溫度圖。 60
圖4-4. 各參數最高溫與鋁合金1050熔點(923K)比值。 60
圖4-5. 500-0.5觀察位置座標。 61
圖4-6. 700-0.5觀察位置座標。 61
圖4-7. 1000-0.5觀察位置座標。 62
圖4-8. 1500-0.5觀察位置座標。 62
圖4-9. 2000-0.5觀察位置座標。 63
圖4-10. 500-0.5攪拌區晶粒BEI,(a)座標(-6,4),平均晶粒尺寸2.37μm,(b)座標(-6,2),平均晶粒尺寸1.68μm。 64
圖4-11. 700-0.5攪拌區晶粒BEI,(a)座標(-6,4),平均晶粒尺寸5.14μm,(b)座標(-6,2),平均晶粒尺寸2.76μm。 64
圖4-12. 1000-0.5攪拌區晶粒BEI,(a)座標(-6,4),平均晶粒尺寸10.2μm,(b)座標(-6,2),平均晶粒尺寸9.35μm。 65
圖4-13. 1500-0.5攪拌區晶粒BEI,(a)座標(-6,4),平均晶粒尺寸12.57μm,(b)座標(-6,2),平均晶粒尺寸9.65μm。 65
圖4-14. 2000-0.5攪拌區晶粒BEI,(a)座標(-6,4),平均晶粒尺寸12.32μm,(b)座標(-6,2),平均晶粒尺寸9.79μm。 66
圖4-15. 500-0.5不同位置之金相(a)(7,0),(b)(5,0),(c)(4.4,0),(d)(4,0),(e)(3,0),(f)(2,0),(g)(1,0),(h)(0.6,0),(i)(0,0),(j)(-1,0),(k)(-2,0),(1)(-4,0)。 67
圖4-16. 700-0.5不同位置之金相(a)(3.6,0),(b)(3,0),(c)(2,0),(d)(1.5,0),(e)(0.6,0),(f)(0,0),(g)(-1,0),(h)(-2,0),(i)(-3,0),(j)(-4,0),(k)(-6,0)。 68
圖4-17. 1000-0.5不同位置之金相(a)(7,0),(b)(5,0),(c)(4.4,0),(d)(4.0,0),(e)(3,0),(f)(2,0),(g)(1,0),(h)(0,0),(i)(-0.8,0),(j)(-1,0),(k)(-2,0),(1)(-4,0)。 69
圖4-18. 1500-0.5不同位置之金相(a)(4,0),(b)(3.6,0),(c)(3,0),(d)(2,0),(e)(1,0),(f)(0,0),(g)(-0.8,0),(h)(-1,0),(i)(-1.4,0),(j)(-1,0),(k)(-2,0),(1)(-4,0)。 70
圖4-19. 2000-0.5不同位置之金相(a)(4,0),(b)(3.6,0),(c)(3,0),(d)(2,0),(e)(1,0),(f)(0,0),(g)(-0.8,0),(h)(-1,0),(i)(-1.4,0),(j)(-1,0),(k)(-2,0),(1)(-4,0)。 71
圖4-20. 座標(-6,4)與座標(-6,2)之攪拌區晶粒尺寸圖。 72
圖4-21. 所有參數的觀察位置與平均晶粒尺寸圖。 72
圖4-22. 所有參數的觀察位置與平均晶粒尺寸平方圖。 73
圖4-23. 攪拌區中間最大晶粒尺寸、凸銷底部最小晶粒尺寸與y=0,x>-6mm之攪拌區底部晶粒尺寸圖。 73
圖4-24. 700-0.5-LN凸銷下方不同位置之金相(a)(0,0),(b)(1,0),(c)(2,0),(d)(3,0),(e)(3.6,0)。 74
圖4-25. 1500-0.5-LN凸銷下方不同位置之金相(a)(0,0),(b)(1,0),(c)(2,0),(d)(3,0),(e)(3.6,0)。 75
圖4-26. 凸銷拔起時,拔起處的空氣流動圖。 76
圖4-27. 凸銷底部晶粒成長率與溫度關係圖。 76
圖4-28. 凸銷底部與ECAE[26]退火之晶粒成長率與溫度關係比較圖。 77
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