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博碩士論文 etd-0629101-173259 詳細資訊
Title page for etd-0629101-173259
論文名稱
Title
鎂基材料電子束銲接之冶金特性與織構研究
Research of Metallurgical Properties and Texture Analyses of the Magnesium-Based Alloys during E-Beam Welding
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
121
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
2001-06-05
繳交日期
Date of Submission
2001-06-29
關鍵字
Keywords
鎂合金、鎂基材料、冷卻速率、織構、熔融區、電子束銲接
Magnesium-Based Materials, Magnesium-Based Alloys E-Beam Welding, Texture, Fusion Zone, Cooling Rate
統計
Statistics
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中文摘要
論文提要
本研究主旨在於探討並比較四種鎂基材料,純Mg、AZ31、AZ61以及AZ91,經電子束銲接後的冶金特性、機械性質與快速凝固後之織構分析。經電子束銲接後,四種材料之銲道品質良好,熔融區內並無明顯之缺陷,亦無熱裂現象產生。當材料中的Al元素含量越多時,銲道表面型態則是趨於穩定,不易濺灑,而且表面波紋也會較規則細緻。在銲深的表現上,呈現Al元素含量越多,銲深越深的趨勢。特別是30 mm厚板之AZ91的電子束銲接,高銲深表現之最佳參數為功率2200 W與走速16 mm/s,銲深可達28.6 mm,相較於其他種材料,有特別突出的優良銲深表現。
凝固之後的熔融區與熔融區邊界,四種材料均不見所謂柱狀區的顯微組織,整個熔融區的顯微組織,Mg相為等軸晶,β相則是呈現樹枝狀晶;四種材料之熔融溫度範圍隨著Al元素含量增加,以AZ91最大,純Mg最小,因此,在熔融區邊界上,Al元素含量較多的合金,如AZ61與AZ91容易衍生出部分熔融區域,純Mg與AZ31則無。銲後機性測試,在微硬度方面,四種材料之微硬度值均是熔融區大於母材部分;拉伸測試方面,大抵呈現銲接過的試片會有較佳的抗拉強度,同樣材料,熱輸入量愈小時(相同功率下,走速越快),強度越大,然而實驗中AZ61與部分AZ91試片並沒有依循這樣的結果,推斷可能是部分熔融區域,造成強度的下降。
從X光繞射實驗中,極圖與方向分佈函數的結果顯示,Mg合金AZ31、AZ61以及AZ91的整體巨觀織構,以平行於 之法線方向為軸的fiber texture最為顯著,即 ( 之法線方向)∥ED,另外還伴隨著一些較微弱的fiber texture,如 ∥ED的basal fiber texture。三種Mg合金經快速凝固後,其可能的晶體成長方向,在X光繞射的部分,AZ31、AZ61與AZ91再結晶後的晶軸a與c具有以下的關係:a∥ED,相對地,對等的a軸則與WD夾30o角,c∥ND;而在EBSD的部分,AZ31與AZ61則是呈現a∥WD,c則落在垂直於WD的平面上,而與ND夾35o角,與WD夾90o角。


Abstract
Abstract
The purpose of the thesis is the research of metallurgical properties , mechanical properties and texture analyses of four magnesium-based materials during E-beam welding process. After rapid solidification, the welding properties of fusion zone of four materials are very well without obvious defects and hot cracking. The Surface and depth of the weld of three Mg alloys has stable performance without sputter with Al content increasing.


目次 Table of Contents
目錄
目錄…………………………………………………………………………………….i
表目錄……………………….…………………………………………………….….iv
圖目錄……………………….…………………………………………………….…..v
誌謝……………………………………………………………………………...……ix
論文提要……………………………………………………………...……………….x


壹. 前言……………………………………………………………………………...1
1.1 鎂合金的發展…………………………………………………………….………1
1.2 鎂及鎂合金的基本特性………………………………………………….………1
1.3 鎂合金的銲接性………………………………………………………………….2
1.4 電子束銲深機構………………………………………………………………….4
1.5 銲接之凝固特徵與型態………………………………………………………….4
1.6 快速凝固後之銲道的晶粒取向分佈…………………………………………….5
1.7 背向散射電子繞射法(EBSD)簡介……………………………………………...7
1.8 表面張力對銲道的影響………………………………………………………….8
1.9 研究動機與規劃………………………………………………………………….9

貳. 文獻回顧……………………………………………………………………….11
2.1 鎂合金之低功率銲接…………………………………………………………...11
2.2 鎂合金之高能束銲接…………………………………………………………...12
(1) 鎂合金雷射銲接………………………………………………………..……..12
(2) 鎂合金電子束銲接……………………………………………………..……..13
2.3 純Mg與Mg合金經凝固後之晶向關係………………………………………..14

參. 實驗方法……………………………………………………………………….17
3.1 實驗材料及處理………………………………………………………………...17
3.2 電子束銲接處理.. ………………………………………….…………………...17
3.3 光學顯微鏡之觀察……………………………………………………………...18
3.4 掃瞄式電子顯微鏡之觀察……………………………………………………...18
3.5 微硬度試驗……………………………………………………………………...18
3.6 拉伸試驗………………………………………………………………………...19
3.7 X光繞射分析….……...………………………………………………………….19
3.8 背向散射電子繞射系統觀察…………………………………………………...19

肆. 實驗結果……………………………………………………………………….21
4.1 電子束銲接結果………………………………………………………………...21
(1) 銲道型態與外觀…………..…………………………………………………..21
(2) 顯微組織……………………………………………………..………………..23
(3) EDS分析結果…………………………………………..……………………..25
4.2 微硬度試驗結果………………….. ……………………………..……………..26
(1) 銲道橫斷面之垂直方向………………… ……………………….…………..26
(2) 銲道橫斷面之水平方向………………….. ……………………...…………..27
4.3 拉伸試驗結果………………….. ……………………….……………………...28
4.4 X光繞射分析之晶格常數……………………………..………………………...29
4.5 織構解析………………………………………….……………………………..30
(1) X光繞射之優選平面分析………………… ……………………..…………..30
(2) X光繞射之極圖分析………………….. ………….……………...…………..30
(3) X光繞射之取向分佈函數解析…………………..……………...…..………..31
(4) EBSD微織構分析…………………………………………………………….33
(5) 晶體成長方向…………………...…………………………………………….34

伍. 討論………………….. ……………………….……………………………….35
5.1 銲接參數對於銲道外觀的影響………………………………………………...35
5.2合金元素對於銲道外觀的影響……………………….………………………...36
5.3 表面張力的影響………………………….…………………………...………...37

陸. 結論……………………….…………………………………………………....38

柒. 參考文獻………………………………………………………………………40

表……………………………………………………………………………...…..44-55

圖…………………………………………………………………………..…….56-121

表目錄

表1-1 純Mg的物理性質與機械性質……………………………………………..44
表1-2 各合金元素對於Mg合金的影響…………………………………………..45
表1-3 AZ系列主要元素 (Mg、Al及Zn)與Fe元素的熱物理性質比較………....46
表3-1 四種Mg基材料之成分……………………………………………………..47
表3-2 6 mm厚板之銲接參數……………………………………………………..48
表3-3 30 mm厚板之銲接參數………………………………………..…………..48
表4-1 6 mm厚板之純Mg、AZ31、AZ61與AZ91電子束銲接結果..………….....59
表4-2 30mm厚板之AZ91電子束銲接結果………………………………….......50
表4-3 四種Mg基材料之原始母材,熔融區上、中及下部分區域,與熔融邊界處之晶粒大小………………………………..…………………………….51
表4-4 文獻上有關Mg基材料之拉伸資料.…………..…………………………...52
表4-5 Mg基材料之拉伸測試結果……………………………………..………....53
表4-6 四種Mg基材料之晶格常數……………………………………..………....54
表5-1 四種Mg基材料的熱物理性質……………………………………..……....55
表5-2 三種Mg基材料於650℃之冷卻速率……………………………..…….....55
表5-3 三種Mg基材料於1000℃之冷卻速率……………………………..……...55


圖目錄

圖1-1 Mg-Al系的平衡相圖………………………………………….……………56
圖1-2 不同型態成核所需自由能之比較……. ………………………………..…57
圖1-3 三種不同銲接類型之凝固型態……. …………………………………..…58
圖1-4 銲接參數對於銲道內晶粒型態的影響…. ……………………………..…59
圖1-5 典型鑄造材料之晶粒結構…. …………………………………………..…59
圖1-6 EBSD之基本系統裝置架構…………………………………………….…60
圖1-7 EBSD之基本系統裝置套件………………………………………….....…61
圖1-8 表面張力對於銲道的影響……………………………..………………..…62
圖1-9 實驗流程圖………..……………………………...……………………...…63
圖3-1 試片取樣圖..……………………………...……………………………...…64
圖3-2 30 mm-AZ91之全熔融區拉伸試片取樣………...………………………...65
圖3-3 30 mm-AZ91之全熔融區拉伸試片規格………...………………………...65
圖3-4 6 mm-Mg,AZ31與AZ61之銲後拉伸試片取樣...………………………...66
圖3-5 6 mm-Mg,AZ31與AZ61之銲後拉伸試片規格...………………………...66
圖3-6 熔融區之XRD分析取樣圖………………………………………………...67
圖4-1 6 mm-純Mg銲道外觀………………….…………………...…………...…68
圖4-2 6 mm-AZ31銲道外觀……………………….…………………………...…69
圖4-3 6 mm-AZ61銲道外觀……………………….……………………….…..…70
圖4-4 6 mm-AZ91銲道外觀…….…………....…………………………….…..…71
圖4-5 6 mm-純Mg銲道橫斷面圖……………………………………………...…72
圖4-6 6 mm-AZ31銲道橫斷面圖………………………...……..……………...…73
圖4-7 6 mm-AZ61銲道橫斷面圖………………….…………………………...…74
圖4-8 6 mm- AZ91銲道橫斷面圖…………………………………………..….…75
圖4-9 四種材料之熱輸入量與(a)銲深,(b)銲寬,(c )熔入比關係圖..……...…76
圖4-10 30 mm厚板之AZ91銲道橫斷面……..…….………………………….…77
圖4-11 30 mm- AZ91之熱輸入量與(a)銲深、銲寬,(b)熔入比關係圖………...78
圖4-12 純Mg水淬後之顯微組織………………………………..……………..…79
圖4-13 AZ31經固溶後之顯微組織..……………………...…………………...…79
圖4-14 AZ61經固溶後之顯微組織..………….………………..…...……………80
圖4-15 AZ91經熱壓延與固溶後之顯微組織..…………..………………………80
圖4-16 純Mg靠近熔融區中心處之顯微組織..…………..…………………....…81
圖4-17 AZ31在不同走速下之上、下熔融區位置的顯微組織.……………….…82
圖4-18 AZ61在不同走速下之上、下熔融區位置的顯微組織..………...…….…83
圖4-19 AZ91在不同走速下之上、下熔融區位置的顯微組織…………….….…84
圖4-20 AZ91-NST銲道底部..…………..…..………..…………….……………..85
圖4-21 AZ91-NST熔融區中心之上部區(500 W,15 mm/s)..……..….…………85
圖4-22 AZ91-NST熔融區中心之下部區(500 W,15 mm/s)………………….…86
圖4-23 AZ91-NST熔融區中心之上部區(500 W,35 mm/s)..……………….…..86
圖4-24 純Mg熔融區邊界處..……………..…………..………..…………………87
圖4-25 AZ31熔融區邊界處..……………..…………..……..………………....…88
圖4-26 AZ61熔融區邊界處..……………..…………………………………....…89
圖4-27 AZ91熔融區邊界處..………………..………..………………………..…90
圖4-28 AZ91-NST熔融區邊界處..…….……………………….…….………..…91
圖4-29 純Mg熔融邊界之EDS成分分析..…………….…………...……..……...92
圖4-30 AZ31熔融邊界之EDS成分分析..…………….…….…………..……..…93
圖4-31 AZ61熔融邊界之EDS成分分析..………..………..……...…………...…94
圖4-32 AZ91熔融邊界之EDS成分分析..……...………….……..………………95
圖4-33 純Mg熔融區之垂直向的微硬度關係圖.…...………………………....…96
圖4-34 AZ31熔融區之垂直向的微硬度關係圖..…...…………………...…....…97
圖4-35 AZ61熔融區之垂直向的微硬度關係圖..…..…..………………..…....…98
圖4-36 AZ91熔融區之垂直向的微硬度關係圖..………...…….………..………99
圖4-37 純Mg熔融區之水平向的微硬度關係圖..……...……….………………100
圖4-38 AZ31熔融區之水平向的微硬度關係圖..…...………….…………....…101
圖4-39 AZ61熔融區之水平向的微硬度關係圖..…..…………..…..…..………102
圖4-40 AZ91熔融區之水平向的微硬度關係圖..…..……..……………………103
圖4-41 AZ91-NST熔融區之水平向的微硬度關係圖..…..……………….……104
圖4-42 6 mm-Mg的應力-伸長量關係圖..………………………..…….………105
圖4-43 6 mm-AZ31的應力-伸長量關係圖..………………………..…..………105
圖4-44 6 mm-AZ61的應力-伸長量關係圖..…..………..…………..……..……106
圖4-45 6 mm-AZ91的應力-伸長量關係圖..…..………..…………..………..…106
圖4-46 30 mm-AZ91的應力-伸長量關係圖..………………....……..……....…107
圖4-47 6 mm厚之Mg基材料的接和效率…………………………………...….107
圖4-48 純Mg粉末經XRD分析後之角度-強度示意圖……………..………….108
圖4-49 擠型材AZ31經XRD分析後之角度-強度示意圖..…..…..……....…….108
圖4-50 擠型材AZ61經XRD分析後之角度-強度示意圖..………………….…109
圖4-51 熱壓延後之AZ91經XRD分析後之角度-強度示意圖..…………….…109
圖4-52 Mg-Al固溶體中,Al溶質量與a和c值的關係圖..…………………...…110
圖4-53 AZ31熔融區經XRD分析後之角度-強度示意圖..……….……….....…110
圖4-54 AZ61熔融區經XRD分析後之角度-強度示意圖..…………………..…111
圖4-55 AZ91熔融區經XRD分析後之角度-強度示意圖…………….………...111
圖4-56 (a)AZ31,(b)AZ61,(c)AZ91之熔融區經XRD分析後,於 與 的極圖…………………………….……………………….…112
圖4-57 AZ31之熔融區的ODF………………………………………………..…113
圖4-58 AZ61之熔融區的ODF…………………………………………………..114
圖4-59 AZ91之熔融區的ODF………………………………….……………….115
圖4-60 AZ31之熔融區經EBSD分析後,熔融區之(a)上,(b)中,(c)下部位於 、 與 的極圖……………………….…….116
圖4-61 AZ61之熔融區經EBSD分析後,熔融區之(a)上,(b)中,(c)下部位於 、 與 的極圖…………………………..…117
圖4-62 AZ31在熔融區的(a)上,(b)中,(c)下局部區域的反極圖……….……118
圖4-63 AZ61在熔融區的(a)上,(b)中,(c)下局部區域的反極圖…………….118
圖4-64 三種Mg合金之晶體結構與實驗的晶向關係…………………….…….119
圖5-1 四種Mg基材料之Al含量與冷卻速率的關係………………..………….120
圖5-2 Mg基材料中之Al含量與銲深的關係圖…………….…..………………121


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