論文使用權限 Thesis access permission:校內校外完全公開 unrestricted
開放時間 Available:
校內 Campus: 已公開 available
校外 Off-campus: 已公開 available
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 |
本論文已被瀏覽 5716 次,被下載 2926 次 The thesis/dissertation has been browsed 5716 times, has been downloaded 2926 times. |
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 |
參考文獻 References |
[1].V. M. Segal, Mater. Sci. and Eng.,A197, 157, (1995) [2].O. Vorren,and N. Ryum,Acta Metall.,35,855, (1987) [3].H. Mughrabi,Dislocations in real materials ed. M.H.Loretto, 244,(1985) [4].T.Zhai,J,W.Martin and G.A.D.Briggs, Acta Metall.,43,3813, (1995) [5].M. Videm, and N. Ryum, Mater. Sci. and Eng., A219 , 11,(1996) [6].A.Giese, A. Styczynski and Y. Estrin, Mater Sci and Eng, A124, L11, (1990) [7].S.R. Agnew,J.R. Weertman, Mater. Sci. and Eng., A244, 145 ,(1998) [8].S.R. Agnew, A. Yu. Vinogradov, S. Hashimoto, and J. R.Weertman, Journal of Electronic Materials, 28, 1038 , (1999) [9].H.W. Höppel, Z.M.Zhou, H.Mughrabi, and R.Z.Valiev, Phil. Mag., A, 82 1781, (2002) [10].A. Vinogradov, S. Nagasaki, V. Patlan,K. Kitagawa,and M. Kawazoe, Nanostructure Materials, 11, 925 (1999) [11].V. Patlan, A. Vinogradov, K. Higashi, K. Kitagawa, Mater Sci and Eng, A300, 171, (2001) [12].呂政達,細晶鋁的疲勞性質研究,中山大學碩士論文,(2001) [13].高文彬,細晶鋁的疲勞組織研究,中山大學碩士論文,(2001) [14].J. E. Carsley, A. Fisher, W. W. Milligan, and E. C. Aifantis, Metall. Mater. Trans., A, 29A, 2261, (1998) [15].J. E. Carsley,A. Fisher,W. W. Milligan, X.H. Zhu and E. C. Aifatis, Scripta Mater., 36, 727 , (1997) [16].A. W. Thompson and W. A. Backopen, Acta Metall.,19, 597 , (1971) [17].H.Mughrabi,Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation, 241, Kluwer Academic Publishers, Netherlands., (2000) [18].A. Vinogradov, Y. Kaneko, K. Kitagawa, S. Hashimoto,V. Stolyrov, R. Valiev, Scripta Mater., 36, 1345 (1997) [19].孫佩玲, 純鋁經大量塑性變形生成細晶粒之研究, 中山大學碩士論文, (1999) |
電子全文 Fulltext |
本電子全文僅授權使用者為學術研究之目的,進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。請遵守中華民國著作權法之相關規定,切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送,以免觸法。 論文使用權限 Thesis access permission:校內校外完全公開 unrestricted 開放時間 Available: 校內 Campus: 已公開 available 校外 Off-campus: 已公開 available |
紙本論文 Printed copies |
紙本論文的公開資訊在102學年度以後相對較為完整。如果需要查詢101學年度以前的紙本論文公開資訊,請聯繫圖資處紙本論文服務櫃台。如有不便之處敬請見諒。 開放時間 available 已公開 available |
QR Code |