本研究是以鑄造、粉末冶金、噴覆成型製程將奈米級強化物添加入鎂合金內，且各製程產生的塊材再經過擠型，針對破壞韌性及其它機械性質作分析。而以強化相的添加範圍0 vol%~5 vol%，進行拉伸實驗且以ASTM E-399 規範進行破壞韌性實驗。AZ61鎂合金鑄錠經過擠型溫度300 °C，擠型比為17:1後具有晶粒細化的效果，但發現其動態再結晶不完全，具有大晶粒的存在，這將對強度有輕微而對伸長量影響較大。對於鑄造複材而言，添加奈米粉末後，可經由實驗得知對材料的機械性質並無提昇的作用。主因是奈米粉末無法均勻分散，且對於此加工方式容易造成空孔的形成，應對於製程操作更加研究，改善空隙率及所造成的問題。
針對粉末複材經17:1擠型機械性質並無強化效果，而經由100:1擠型可發現強度明顯增加，這是因為當基材顆粒與強化物尺寸比差異太大，致使奈米粉末容易聚集，當擠型比不高時，導致無法均勻分散，使強化物的角色無法發揮功用。其改善機械性質方法為提供更細小甚至奈米級的AZ61合金粉或提高擠型比，相信將會有效的降低團聚，提高機械性質。
針對噴覆複材經由100:1及17:1擠型所得的機械性質相當，且均有些微提昇，可知對於噴覆複材而言，由於噴覆製程可使強化物均勻分散，以致擠型對於材料性質影響不大，此製程若添加更多的強化物應會有更良好的機械性質。
由破壞韌性試驗後可得知試片的厚度不足以形成平面應變情況，但可由此Rsb推知添加奈米粉末的複材對其韌性會有減少的作用，可知各製程破壞韌性均大約在10~20 MPa．m1/2之間，且印證經由強化物的添加會導致破壞韌性的降低。

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表目錄……………………………………………….…………………………….…..………iv
圖目錄……………………………………………….………………………..…….………….v
摘要………………………………………………………………..…………….….…………ix
第一章 研究背景與方向…..……………………………………..…………….……………1
1.1 前言……………………………………………………………………….………..…….1
1.2 鎂合金與基本性質分類.......………………………………………….……….………..2
1.3 金屬基複合材料………………………………………………………….………….…..5
1.4 奈米材料………………………………………………………………………….….......7
1.4.1 奈米顆粒的特性……………………………………………………….….……........7
1.4.2 奈米顆粒的分散與聚集…………………………………………………….…….…7
1.5 金屬基複合材料的破壞機構…………………………………………….……………...8
1.6 複合材料的破壞因子…………………………………………………….………...........9
1.6.1 金屬基本身的性質…………………………………………………….…………...10
1.6.2 強化物的性質…………………………………………………………..……...…...10
1.6.3 基地與強化物的介面………………………………………………….………..….12
1.6.4 複材的製程處理………………………………………………………….……..….13
1.6.5 形變條件………………………………………………………………….…….…..13
1.7 破壞力學……………………………………………………………………….…….....14
1.7.1 KIC平面應變理論公式……………………………………………….………….…14
1.7.2 KIC試片的幾何形狀………………………………………………….………….…15
1.7.3 試片的預裂…………………………………………………………….…………...15
1.7.4 裂紋的傳播………………………………………………………….…….………..16
1.7.5 KIC的量測計算……………………………………………………….…………….17
1.8 噴覆成型…………………………………………………………………….…..……...18
1.9 粉末冶金……………………………………………………………..……….………….20
1.9.1 燒結……………………………………………………………………..…….…….20
1.9.2 燒結的機制……………………………………………………..………….…..…...21
1.9.3 緻密化…………………………………………………………………...……..…...21
1.10 研究動機………………………………………………………………….….………..23
第二章 實驗方法……………………………………………………………….……..……24
2.1 實驗材料…………………………...….………………………………...…...…….…...24
2.2 材料加工製程……………………...…………………….……………….……..…...…24
2.2.1 鑄造製程………………………………………...………………….………………24
2.2.2 粉末冶金製程……………………………………….……………….……..………24
2.2.3 噴覆成形製程……………………………………….……………….……..………25
2.2.4 熱擠型製程………………………………………….……………….……..………26
2.3 微觀組織觀察………………………...………………….…………….………..…...…26
2.3.1 光學顯微鏡觀察…………………………………………………….……………...26
2.3.2 掃描式電子顯微鏡………………………………………………….……………...27
2.3.3 穿透式電子顯微鏡………………………………………………….……………...27
2.3.4 X-ray量測………………………………………………………….……………….27
2.4 微硬度試驗…………………………………………………………….……………….27
2.5 密度量測.....………………………………………………………….……..…………..28
2.6 熱差分析......................................................................................................................... 29
2.7 拉伸試驗..........................................................................................................................29
2.8 破壞韌性試驗……………………………………………………….………………….29
第三章 實驗結果…………………………………………………….……..………………31
3.1 微觀組織………………………………………………………….…….………………31
3.1.1 晶粒尺寸…………………………………………………….……………….……..31
3.1.2 強化相的分散情形………………………………………..……….……………….33
3.1.2.1 SEM觀察……………………………………………………….………………...33
3.1.2.2 TEM觀察…………………………………………………….………...………...34
3.1.2.3 X光繞射分析結果…………………………………………….…………………35
3.2 機械性質的量測…………………………………………….…….………....…………36
3.2.1 硬度量測…………………………………………………….……………………...37
3.2.2 密度量測…………………………………………………….……………………...37
3.2.3 熱差分析…………………………………………………….……………………...37
3.2.4 拉伸測試……………………………………………………………….…………...38
3.2.5 破壞韌性測試…………………………………………..………….……………….39
3.3 破斷面的觀察…………………………………………………….……….……………41
3.3.1 拉伸試驗之觀察……………………………………………..……….…………….41
3.3.2 破壞韌性試驗之觀察…………………………………….………….....…………..42
第四章 實驗討論…………………………………………………..………….……………44
4.1 降伏應力及硬度的差異…………………………………….…………….……………44
4.2 Zener-Holloman參數與晶粒大小關係……..………………………….………………46
4.3 KIC評估……………………………………………………………………….………...47
第五章 結論…………………………………………………………………….…………..50

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