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博碩士論文 etd-0708102-230034 詳細資訊
Title page for etd-0708102-230034
論文名稱
Title
細晶鋁的疲勞特性研究
Fatigue of ECAE aluminium
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
101
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
2002-07-05
繳交日期
Date of Submission
2002-07-08
關鍵字
Keywords
ECAE 鋁、疲勞
fatigue, ECAE Al
統計
Statistics
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中文摘要

摘要

論文名稱:細晶鋁的疲勞特性研究
校所組別:國立中山大學 材料科學研究所
研 究 生:翁明崑
指導教授:張志溥 博士、高伯威 博士
論文內容摘要: 頁數:101頁
本研究利用ECAE(Equal Channel Angular Extrusion)的方式將1050鋁生成次微米的晶粒,再利用不同的熱處理條件得到不同的晶粒大小,經過塑性應變振幅為2 x 10-3及4 x 10-3的疲勞試驗後,分析其疲勞特性及組織。結果如下:
晶粒小於1μm的各組試片中,在控制塑性應變振幅大於或等於2 x 10-3時,所得到的循環硬化圖皆呈現一開始即出現快速軟化的現象。
高循環頻率有助於疲勞壽命的提升,也會造成在大晶粒內的差排密度增加。
在較大的塑性應變振幅之下shear bands在早期就已生成,且呈現與應力軸夾45°,而隨著cycle數的增加,shear bands的step更加明顯,同時數量也跟著增加。
當晶粒在1μm左右時,塑性應變振幅的大小,改變了shear bands的外觀,不過其顯微組織並未有所改變。
晶粒大小小於1μm時,shear bands的外貌呈現階梯狀,晶粒大小為7
μm時,其shear bands的形貌以高度不一的山峰所組成,且隨著cycle數的增加,山峰的輪廓更加明顯且高度也隨之增加。
在晶粒小於1μm時,較大的塑性應變振幅之下,試片的TEM觀察中仍可發現由一大群糾結差排所組成的shear bands。晶粒大小為7μm時,shear bands由cells組成。
shear bands的差排組織與晶粒大小有關,與控制塑性應變振幅大小無關。
在軟化的機制上,排除了差排相消與重組的因素,同時也未有晶粒成長的情形,所以其真正的軟化原因仍有待進一步研究。


Abstract
none
目次 Table of Contents
目錄


共101頁
目錄…………………………………………………………………….Ⅰ
圖 目錄………………………………………………………………..Ⅲ
壹 前言………………………………………………………………….1
貳 文獻回顧…………………………………………………………….2
2-1鋁的疲勞特性…………………………………………………..2
2-1-1 單晶鋁的疲勞行為...…………………………………….2
2-1-2 多晶鋁的疲勞行為.……………………………………….3
2-2 細晶材料的疲勞特性………………………………………….4
2-2-1 細晶銅的疲勞行為………………………………………..4
2-2-2 細晶5056鋁鎂合金的疲勞行為……….………………..5
2-2-3細晶鋁的疲勞行為……………………………….………..6
2-3 shear bands的性質…………………………………………..7
2-3-1 鐵銅合金的shear bands….……………………………..7
2-3-2 ECAE銅的shear bands…………………………………….8
2-3-3 ECAE 5056鋁鎂合金的shear bands…………..………….8
2-3-4 ECAE1050鋁的shear bands……………………………….8
2-4 晶粒尺寸與疲勞壽命的關係………………………………….9
參 實驗方法……………………………………………………………11
3-1 材料之準備……………………………………….……..….11
3-2 細晶鋁的製成…………………………………..…………..11
3-3 疲勞試驗前之準備………………………………….……….11
3-4 疲勞試驗………………………………………………………12
3-5 表面觀察……………………………………………………..13
3-6 TEM試片的製作與觀察……………………………………….14
3-7 計算晶粒尺寸…………………………………………………14
肆 結果與討論………………………………………………………..15
4-1 循環硬化圖………………………………………………….…15
4-2 表面觀察……………………….……………………………..17
4-2-1 斷裂面的觀察………………………………………………17
4-2-2 shear bands的觀察……………………………………….18
4-3 shear bands的生成與發展……………………………………19
4-4 TEM的觀察………………………………………………………22
4-5 軟化機制的探討……………………………………………….24
伍 結論…………………………………………………………………26
陸 參考文獻……………………………………………………………27
附錄. OM、SEM、TEM圖號…………………………………………….100
表目錄
表一.1050鋁的成分表…………………………………………………………….28
表二.文獻中關於Coffin-Manson關係式(εplx Na=c)………………….…..29
表三.循環應變頻率與疲勞壽命的關係表…….………………………………...30
表四.A組在不同的塑性應變振幅下,疲勞試驗前後的晶粒大小……………….31


圖目錄

圖1.單晶鋁在室溫下的循環硬化圖, 在塑性應變振幅小於1 x 10-3時,
有軟化的跡象..…………………………………………………………….32
圖2.單晶鋁在塑性應變振幅為3 x 10-3之下,隨著循環數的增加slip
bands 逐漸涵蓋整根試.…………………………………………………..33
圖3.單晶鋁經疲勞後的試棒表面圖macroband,塑性應變振幅為1.2 ×10-3..34
圖4.單晶鋁經疲勞後,疑似PSB的walls,應力振幅為4Mpa…………………..35
圖5.單晶銅在B區所生成的PSB結構..………………………………………….36
圖6.多晶鋁循環應力圖,在多種應變振幅下,皆有硬化、軟化、二次硬
化的行為,且無明顯的saturation.………………………………………37
圖7.多晶鋁在(a)較小的塑性應變振幅,slip band較直,(b)較大振
幅下的slip band為波浪型.………………………………………………38
圖8.細晶銅在疲勞試驗中,一開始便出現軟化直到破壞為止。……………….39
圖9.(a)經過ECAE後細晶銅的差排結構.Ⅰ為cell,Ⅱ為lamellar
structure.(b)ECAE再經過高應變振幅疲勞後的差排組織
為等軸的cells.………………………………………………………40
圖10.經過低應變振幅疲勞後的差排結構,(a)subgrain structure
(b)lamellar structure (c)dipolar walls.…………………..41
圖11.(a)ECAE銅在不同控制塑性應變振幅、溫度、應變率下的循環硬化圖..42
圖11.(b)Ⅰ ECAE銅未進行疲勞前的微結構。
Ⅱ ECAE銅在ε=2 x 10-4下微結構有明顯的粗化現象, 且生成
dislocation walls……………………………………………..43
圖12.ECAE銅.(a) strain control之下,ε=1 x 10-3,(Ⅰ)έ=1 x 10-3s-1、
(Ⅱ)έ=1.2 x 10-4s-1,strain rate減少則粗化趨於明顯…………..44
圖12.(a)Ⅰ、Ⅱ分別在室溫及- 50℃之下進行疲勞測試,溫度越低粗化的
現象越不明顯…………………………………………………………….45
圖13.(a)不同的控制應力振幅所對應的應變振幅與循環數作圖,控制應力振幅越小,則軟化的行為趨於緩和…………………………………………..46
圖13.(b)stress control之下(Ⅰ)σ=100Mpa、(Ⅱ)σ=200Mpa。
控制應力振幅愈大晶粒越容易粗化………………………………….……47
圖14.ECAE5056鋁鎂合金(a)未疲勞前、(b)疲勞後。Subgrain size
從0.29μm長大到0.39μm。………………………………………..48
圖15.ECAE 5056 Al-Mg合金的循環硬化圖。隨著塑性應變振幅的增加,
硬化的現象逐漸消失,在高塑性應變振幅時則有輕微的軟化行為。…..49
圖16.ECAE鋁(a)未退火晶粒大小為650nm、(b)退火150℃、1hr
晶粒大小為650nm。……………………………………………..……50
圖16.ECAE鋁(c)退火250℃、1hr,晶粒大小為800nm(d)退火250℃、4hr、
晶粒大小為1μm……………………….…………………………….51
圖17.ECAE鋁退火300℃、12hr,晶粒大小為7μm..………………………….52
圖18.細晶鋁的CSSC圖,隨著塑性應變的增加,應力也跟著增加,
且無明顯的平坦區…………………………………………….…………..53
圖19.細晶鋁的Coffin-Manson,隨著晶粒尺寸的增加疲勞壽命也跟著增加。…54
圖20.斷面成45°。(a)未退火晶粒尺寸為650nm,塑性應變為8x10-4,
(b)退火150℃、1hr,晶粒尺寸為650nm。……………………………………55
圖21.晶粒尺寸為7μm,在塑性應變振幅為1 x 10-3下,斷面不為
450,且條紋呈450分佈在整根試棒。…………………………………….53
圖22.Fe-10Cu在壓縮試驗中,隨著晶粒的增大shear bands的寬度也
跟著增加。……………………………………………………………….…57
圖23.(a)Fe-10Cu在壓縮試驗中shear band面與應力軸夾角為490
(b)在拉伸試驗中夾角則為520至540之間。………………………………58

圖24.Fe-10Cu在壓縮試驗後,(a)shear band以外的晶粒仍為等軸
(b)shear band上的晶粒變為長軸.………………………………………59
圖25.5056鋁鎂合金疲勞和拉伸後的試棒表面圖(a)疲勞後。(b)拉伸後。
黑色箭頭所指處為平行應力軸的條紋,應力振幅為240MPa .………….60
圖26.細晶鋁經疲勞試驗後shear band與應力軸的夾角為450.………………61圖27.在較小的晶粒中,shear bands由大量糾結差排的晶粒所構成,
圖中晶粒尺寸為0.8μm.………………………………………………….62
圖28.較大的晶粒中, shear bands由cells組成,圖中晶粒大小為7μm。…63
圖29. 黃銅、純銅、1050鋁在不同晶粒尺寸的循環應力圖.…………………….64
圖30. ECAE擠製路徑示意圖………………………………………………………65圖31.ECAE示意圖…….……………………………………………………………66圖32.加工後試棒狀.………………………………………………………….. ..67
圖33.(a)ECAE後退火250℃、1hr,晶粒大小為800nm(b)ECAE後
退火150℃、1hr,晶粒大小為650nm.………………………………..68
圖33.(c)ECAE後退火250℃、4hr,晶粒大小為1μm(d)ECAE後
未退火,晶粒大小為650nm.…………………………………………69
圖33.(e) ECAE後退火300℃、12hr晶粒大小為7μm。……………………….70
圖34.ECAE鋁的Coffin-Manson Plot…………………………………………….71
圖35.ECAE後退火250℃、1hr,εpl=1 x 10-4,循環頻率越大,疲勞壽命
有明顯的提升……………………………………….……………………..72
圖36.(a) A組的斷裂面、(b) B組的斷裂面……………………...……………73
圖36.(c) C組的斷裂面、(d) D組的斷面……………………………………….74圖37.E組的斷裂面接近900………………………………………………………75
圖38.ECAE後退火250℃、1hr,當設定的循環頻率大於1 Hz時,
試棒並未呈450斷裂,而是呈現不規則狀的斷裂面………………….76
圖39(a)A組450斷面上有兩組剪移方向………………………….…………….77
圖39(b)E組經疲勞後斷面呈現900,可以明顯觀察出crack propagation
的現象…………………………………………………………………….78
圖40C組在不同的塑性應變振幅下所呈現的差異…………………………….…79
圖41 C組shear bans在斷裂面附近較為密集。……………….……………..80
圖42(a) D組在遠離斷裂面處有較多的shear bands、(b) E組的shear
bands均勻佈滿整根試棒。…………………………………………….81
圖42(c) C組試棒在低應變振幅下表面型態與E組相似,
而和高應變振幅下有著完全不同的外貌………………….82
圖43 A組在循環頻率為2Hz之下,試棒表面並未現shear band…………….…83
圖44(a)A組ε=2 x 10-3,在30cycle時出現的shear band、
(b)E組ε=2 x 10-3,在300cycle時出現的shear bands。…………84
圖45.A組在ε=2 x 10-3下shear bands隨著循環數增加的演化
(a)16cycle、(b)80cycle、(c)170cycle.…………………………..85
圖46.E組在ε=2 x 10-3下shear bands隨著循環數增加的演化
(a)300cycle、(b)800cycle、(c)1500cycle.……………………….86
圖47.shear bands階梯狀構造……………………….………………………….87
圖48.(Ⅰ). shear bands的step呈現出剪移的形式…………………………..88
圖48.(Ⅱ)另一條shear bands的形貌……………………………………….….89
圖49.雷射共軛焦光學顯微鏡的觀察下試棒的表面高度分佈圖……………..…90
圖50.E組的shear bands型態呈現出smooth的山峰狀………………………..91
圖51.E組試棒表面shear bands的突起程度隨這循環數的增加而更趨明顯...92
圖52.(a)、(b)大量的糾結差排形成一條帶狀組織,並且穿越許多個晶粒..93
圖52.(c)、(d)大量的糾結差排形成一條帶狀組織,並且穿越許多個晶粒..94
圖53.晶粒內部未被shear bands穿過處,其差排量相當少……………………95
圖54.A組疲勞後的顯微結構,大部分為等軸晶粒……………..………..……96
圖55.E組經疲勞後的cells……………………………………………………….97
圖56.C組在低塑性應變振幅時的顯微組織幾乎為完美的等軸粒….….……..98
圖57.A組在循環頻率為2Hz下,小晶粒仍是完美的等軸晶粒,大晶粒內部
的差排密度有增加的趨勢………………………………………………….......99
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