本研究針對AZ91鎂合金與5083鋁合金低溫超塑性之研發，使用一套簡單之熱加工處理方法來改良材料之微結構，以期在工業界，能以現有之擠型設備，能直接生產低溫超塑性材料，而不需另設計一套方法或設備。實驗中，分別嘗試三種不同擠型比，以期達製程簡化之目的。經適當之熱機處理後，能產生細晶粒結構，細晶粒尺寸約為4 mm上下。經過適當之熱機處理製程後，兩材料在250 oC及2x10-4 s-1分別能得到460%及200%之伸長量。而鎂合金隨著擠型比之提高，將使低溫超塑性，提升至更快更廣之應變速率範圍，最高低溫超塑性拉伸量已提升到超過1000%。
熱加工處理後之試片，雖在低溫能有突出之超塑性質，但溫度超過300 oC，伸長量逐漸降低，這是因為晶粒粗大化的原因，而在250 oC及2x10-4 s-1能得到好的伸長量，這是因為鎂合金在中高溫拉伸時，會有動態連續再結晶促使晶粒細化，這有助於進行晶粒滑移。我們由實驗數據得知不同拉伸溫度會有不同之變形機構。本實驗乃透過在200 ~ 300 oC溫度區間，計算熱擠型處理後拉伸之變形行為。

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目錄 i
表索引 iv
圖索引 v
謝誌 ix
論文提要 x
第一章 研究背景與方向 1
1.1 超塑性材料之基本性質 1
1.2 超塑性材料之簡介 2
1.2.1 細晶粒超塑性 2
1.2.2 內應力超塑性 3
1.2.3 高應變速率超塑性 4
1.2.4 其他機構 4
1.3 鎂合金的發展與應用 5
1.4 鎂鋁合金超塑性之研究 6
1.4.1 晶粒尺寸 6
1.4.2 元素含量多寡之差異 7
1.4.3 晶粒細化之加工方式 8
1.4.3.1 快速凝固法 8
1.4.3.2 粉末法 9
1.4.3.3 壓延法 9
1.4.3.4 等徑轉角擠製 10
1.4.3.5 擠型法 11
1.4.3.6 雙重式擠製法 12
1.4.4 鎂合金之拉伸破裂行為 12
1.5 鎂合金與鎂基複合材料之比較 13
1.6 AZ91高速及低溫超塑性開發之目的 15
1.7 本研究未來方向之探討與分析 15
第二章 實驗方法 17
2.1 實驗材料 17
2.2 材料加工製程 17
2.2.1 固溶處理 17
2.2.2 熱擠型製程 18
2.2.3 滾軋製程 18
2.3 機械性質測試 20
2.4 微觀組織 20
2.4.1 溫度及時間對於晶粒的影響 21
2.4.2 破斷面的分析 21
2.4.3 熱穩定性 21
第三章 成果與討論 23
3.1 微觀組織 23
3.1.1 加工前後之晶粒變化 23
3.1.2 晶粒對時間及溫度的影響 23
3.1.3 拉伸後的晶粒變化 24
3.2 機性測試結果 25
3.2.1 室溫機械性質 25
3.2.2 試片受應變速率、溫度與時間之影響 25
3.2.3 不同加工量試片之比較 27
3.2.3.1 熱擠型加工 27
3.2.3.2 熱擠型加工+熱壓延加工 28
3.2.3.3 E3試片加工條件改變 28
3.2.4 退火後之機械性質 29
3.3 熱分析 30
第四章 數據分析 31
4.1 AZ91-E2試片變形機構分析 31
4.1.1 表面應變速率敏感值 32
4.1.2 表面活化能 32
4.1.3 初始應力值 33
4.1.4 真實活化能 34
4.2 5083試片變形機構分析 35
4.2.1 表面應變速率敏感值 35
4.2.2 表面活化能 36
4.2.3 初始應力值與真實應變速率敏感值 36
4.2.4 真實活化能 36
4.3 AZ91-E3變形機構討論 37
4.4 兩材料可能之變形機構 37
第五章 結論 39
第六章 參考文獻 40
表 43-61
圖 62-117

表索引

表一 純鎂的物理性質與機械性質 43
表二 各合金元素對於鎂合金的影響 44
表三 AZ91晶粒大小對機械性質之關係 45
表四 文獻上報導鎂合金之超塑性整理 46
表五 文獻上報導鎂基複合材料之超塑性整理 48
表六 (a)(b)分別為AZ91鎂合金之組成和5083鋁合金之組成 49
表七 各種AZ91與5083試片之加工條件及應變量 50
表八 AZ91鎂合金晶粒變化 51
表九 AZ91-E2試片靜態退火時間及溫度對晶粒的影響 52
表十 各AZ91試片在常溫下的抗拉強度 53
表十一 AZ91之Ingot及E2試片T6處理後之室溫拉伸特性 .54
表十二 (a)(b)(c)分別為AZ91-E2試片在200 oC、250 oC及300 oC之拉伸特性 55
表十三 (a)(b)(c)分別為5083在200 oC、250 oC及300 oC之拉伸特性 .56
表十四 (a)(b)(c)分別為AZ91-E1試片在200 oC、250 oC及300 oC之拉伸特性 57
表十五 (a)(b)(c)分別為AZ91-E3試片在200 oC、250 oC及300 oC之拉伸特性 58
表十六 AZ91-E2不同的應變所對應的m值 59
表十七 AZ91-E2試片在200~300 oC之溫度區間，以n等於2、2.5及3時， 對s所作之圖，分別求得各n值相關之初始應力值及線性關係精確度(R) 60
表十八 5083試片在200~300 oC之溫度區間，以n等於3、3.5及4時， 對s所
作之圖，分別求得各n值相關之初始應力值及線性關係精確度(R) 61



圖索引


圖一 細晶材料之高溫變形行為 62
圖二 (a) PM材料各溫度加熱兩小時的硬度值 63
圖二 (b) IM材料各溫度加熱兩小時的硬度值 63
圖三 PM及IM材料高溫拉伸強度對Al+Zn含量 64
圖四 實驗流程圖 65
圖五 原始鑄錠之拉伸尺寸規格 66
圖六 材料經過擠型後試棒之規格 67
圖七 材料經過擠型與滾壓後試片之規格 68
圖八 鑄錠的OM圖 69
圖九 不同擠型比所對應的晶粒大小 70
圖十 AZ91-E3的晶粒TEM圖 71
圖十一 AZ91-E2經過熱擠型的(a)橫截面; (b)縱截面，OM圖 .72
圖十二 將熱擠型後的試片加熱至250 oC,然後再分別靜置維持(a)0分鐘、(b)30分鐘、(c)60分鐘(d)90分鐘，OM圖 73
圖十三 晶粒大小對靜置時間的關係圖 75
圖十四 AZ91-E2試片在各溫度保持三十分鐘(a)200 oC、(b) 250 oC、(c) 300 oC (d) 350 oC，OM圖 76
圖十五 晶粒大小對在該溫度保持30分鐘的關係圖 78
圖十六 AZ91-E2試片在1x10-3 s-1與250oC的測試條件下SEM圖 79
圖十七 AZ91-E2試片在1x10-3 s-1與250oC的測試條件下OM圖 79
圖十八 AZ91-E2a試片在1x10-3 s-1在不同溫度下拉伸後之破斷面（a）200 oC（b）250 oC ，SEM圖 80
圖十九 AZ91-E2a試片經過拉伸後晶粒的變化 81
圖二十 Ingot與E2之工程應變應力圖 82
圖二十一 AZ91-E2試片真實應力應變曲線(a)200 oC; (b) 250 oC;(c)300 oC的測試結果 83
圖二十二AZ91-E2在不同溫度拉伸後之變形情況，由上而下排列為拉伸前、2x10-4、8x10-4、1x10-3、2x10-3、和8x10-3s-1（a）200、(b)250及(c)300 oC外觀圖 85
圖二十三 5083試片真實應力應變曲線(a)200 oC;(b) 250 oC;(c)300 oC的測試結果。 88
圖二十四5083試片在不同溫度拉伸後之變形情況，由上而下排列為拉伸前、2x10-4、1x10-3和8x10-3s-1（a）200、(b)250及(c)300 oC外觀圖 90
圖二十五 E2及5083之(a)抗拉強度，(b)伸長量對拉伸溫度的關係圖 93
圖二十六 E2及5083之(a)抗拉強度，(b)伸長量對拉伸速率的關係圖 94
圖二十七 5083在不同加工條件之(a)抗拉強度，(b)伸長量對拉伸溫度的關係圖 95
圖二十八 5083在不同加工條件之(a)抗拉強度，(b)伸長量對拉伸速率的關係圖 96
圖二十九 在250 oC不同應變速率下，不同加工量所對應的抗拉強度 97
圖三十 在250 oC不同應變速率下，不同加工量所對應的伸長量 97
圖三十一 E2試片再進行熱壓延所造成的破裂 98
圖三十二 E2a及E2b在250 oC時，不同應變速率所對應的抗拉強度 99
圖三十三 E2a及E2b在250 oC時，不同應變速率所對應的伸長量 99
圖三十四 E3、E3A和E3B在300 oC下(a)抗拉強度，(b)伸長量對拉伸速率的關係圖 100
圖三十五 E3A試片在300 oC，8x10-4 s-1和2x10-3 s-1拉伸後的外觀圖 101
圖三十六 E1、E2、E3及E3a試片在(a)250 oC;(b)300 oC，1x10–3 s-1之拉伸條件下所對應的UTS 102
圖三十七 E1、E2、E3及E3a試片在(a)250 oC，(b)300 oC，2x10–4 s-1及1x10–3 s-1之拉伸條件下所對應的伸長量 103
圖三十八 E1、E2和E3b試片退火150、200和250 oC，1小時的抗拉強度 104
圖三十九 (a)E2於150、200和250 oC，1小時退火後，在250 oC與1x10-3 s-1時的伸長量，(b) E2試片150 oC退火1，2，4小時後，在250 oC與1x10-3 s-1時的伸長量 105
圖四十 不同加工試片之熱分析圖 106
圖四十一 E2試片在200、250及300 oC時,流應變與應變速率之關係圖 107
圖四十二 E2試片在200~300 oC之溫度區間，(a)固定應力值為90 MPa，以 對1000/RT作圖：(b)固定應變速率為1x10-3 s-1以 對1000/RT作圖 108
圖四十三 在200~300 oC之溫度區間，以n等於(a)2：(b)2.5：(c)3：帶入 對s作圖 109
圖四十四 E2試片在200~300 oC之溫度區間，並考慮初始應力值，其有效應力值對應變速率之關係圖 110
圖四十五 E2試片在200~300 oC之溫度區間，(a) 固定 為30 MPa，以 對1000/RT作圖(b) 固定 為1x10-3 s-1時，從 對1000/RT所之圖 111
圖四十六 5083試片於200、250及300 oC之流應力與流應變速率之關係圖 112
圖四十七 5083試片在200、250及300 oC 之溫度區間，(a)固定應力為200 MPa，以 對1000/RT作圖：(b) 固定 為1x10-3 s-1時，從 對1000/RT所作之圖 113
圖四十八 5083試片在200~300 oC之溫度區間，以n等於(a)3：(b)3.5：(c)4：帶入 對s作圖 114
圖四十九 5083試片在200~300 oC之溫度區間，並考慮初始應力值，其有效應力值對應變速率之關係圖 115
圖五十 5083試片在200~300 oC之溫度區間，(a) 固定 為100 MPa，以 對1000/RT作圖(b) 固定 為1x10-3 s-1時，從 對1000/RT所作之圖 116
圖五十一 E3，E3A及E3B試片於300 oC之流應力與流應變速率之關係圖 117

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