ZK60鎂合金顯微組織與機械性質研究

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陳麒任(Chi-Jen Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

ZK60鎂合金顯微組織與機械性質研究
(Microstructure and mechanical properties of ZK60 magnesium alloy)

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摘要(中)

本研究探討耐溫型鎂合金之顯微組織及機械性質。選取目前較受矚目之ZK60鎂合金（Mg-6%Zn-0.5%Zr）為研究對象，利用熱擠製、軋延等塑變加工，配合熱機處理製程技術，嘗試獲得微細晶粒的ZK60鎂合金板材，進而達到超塑性。
研究方法，實際進行方式，係由中科院之豎型直接激冷式（Vertical Direct Chill Type）連鑄機製作成8"之ZK60鎂錠，再於380℃高溫下擠製成為6mm之板材。以加熱之軋延機進行不同軋延率（20％、40％、及60％）、軋延溫度（300℃、350℃、400℃、450℃）、退火溫度等參數對片材顯微組織及機械性質的影響。
經實驗結果顯示當軋延率20％金相組織呈現纖維狀的組織且在晶粒內部發現少數的雙晶組織，當軋延率達40％雙晶現象更為明顯且有少數的動態在結晶沿高能量的晶界，60％時有更明顯的動態再結晶，其餘晶粒仍呈現嚴重的纖維狀結構，所以需進行靜態退火消除。當軋延溫度350℃經軋延率60％後在經265℃×16hrs以及365℃×1hr等退火後金相組織呈現細小且等軸晶粒其晶粒大小分別8.3μm及7.7μm，其抗拉強度分別為294.8Mpa及302Mpa。
最後將軋延溫度350℃的軋延率繼續提升到80％且在進行265℃×16hrs的退火處理後可獲得均勻經歷大小為3.7μm且極細的金相組織。

摘要(英)

This research probes into the microstructure and mechanical properties on the heat resistance magnesium alloy . Choose the ZK60 magnesium alloy (Mg-6% Zn-0.5% Zr) relatively attracting attention at present research object. In order to obtain fine grain size on ZK60 magnesium alloy, making use of plastic deformation such as hot extrusion 、hot rolling etc plus TMT(thermo mechanical treatment) technique .
Experimental procedures , the alloy was prepared by Vertical Direct chill casting into an 8” ingot in Chung-Shan institute of science＆technology. It was then followed by an extrusion at 380℃to obtain a 6 ㎜ sheet material. This as-extruded state was processed next in various rolling reduction ratio（20％、40％、60％、80％）、rolling temperature (300℃、350℃、400℃、450℃) and annealing temperature to observe the affection of microstructure and mechanical properties on this alloy.
Shown by the experimental result , for rolling reduction of 20％, it is showed fiber structure and some twins within crystalline. for rolling reduction of 40％, it is showed much higher density of twins and dynamic re-crystallizing grain go along grain boundaries. for rolling reduction of 60％,it is showed much higher density of dynamic re-crystallizing. Other crystalline grain still present the serious fibrous structure. So we need to take it away by. After rolling temperature 350℃and rolling reduction of 60％ then followed by 265℃×16hrs and 365℃×1hr annealing , the grain size is 8.3μm and 7.7μm respectively, the ultimate tensile strength is 294.8Mpa and 302Mpa respectively.
Finally, for rolling temperature 350℃and rolling reduction of 60％ then followed by 265℃×16hrs annealing, a fine grain structure was obtained, the grain size of the structure is 3.7μm.

關鍵字(中)

★ ZK60
★ 鎂合金

關鍵字(英)

★ ZK60
★ magnesium alloy

論文目次

目錄
摘要…………………………………………………………………………I
Abstract II
誌謝……………………………………………………………………….IV
目錄.…………………………………………………………………………..V
表目錄…………………………………………………………………….VIII
圖目錄……………………………………………………………………….IX
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 2
第二章基本原理與文獻回顧 5
2-1 鎂合金簡介 5
2-2 鎂合金滑移系統 5
2-3 鎂合金的命名方法 6
2-4 添加元素對鎂合金元素的影響 8
2-5 鍛造鎂合金晶粒細化及性能 9
2-6 金屬材料再結晶理論 12
2-7 鎂合金的超塑性 13
2-8 ZK60鎂合金目前研究情形 14
第三章實驗方法與設備 24
3-1 實驗材料 24
3-2 材料熱機處理 24
3-3 熱性質測試 25
3-4 XRD 測試 26
3-5 硬度試驗 26
3-6 拉伸試驗 26
3-7 高溫拉伸實驗 27
3-8 掃描式電子顯微鏡(SEM)拉伸破斷面觀察 27
3-9 光學顯微鏡(OM)顯微組織觀察 27
第四章結果與討論 33
4-1 試片製作及熱軋 33
4-2 DSC量測結果 33
4-3 OM光學顯微鏡組織 34
4-3-1 擠製後金相組織 34
4-3-2 擠製後退火金相組織 34
4-3-3 軋延後金相組織觀察 35
4-3-4 軋延後退火金相組織 37
4-4 XRD分析結果 39
4-5 硬度測試 39
4-6 常溫拉伸試驗 40
4-7 高溫拉伸試驗 41
4-8 拉伸破斷面觀察 41
第五章結論 69
參考文獻 71
表目錄
表2-1 純鎂之機械及物理性質[17] 16
表2-2 添加不同合金元素對鎂合金整體機械性質的影響[17] 17
表2-3 各種金屬在結晶溫度（℃） 18
表3-1 火花發射光譜分析儀(Spark-AES)分析之合金成份 29
表3-2 ZK60鎂合金Picral腐蝕液配方 29
表4-1 不同軋延率、軋延溫度之硬度值(HRE) 58
表4-2 不同軋延率、軋延溫度、退火溫度之硬度值(HRE) 60
表4-3 軋延率、軋延溫度與抗拉強度(MPa)之關係 61
表4-4 軋延率、軋延溫度與延伸率(％)之關係 61
表4-5 265℃×16hrs退火後軋延率、軋延溫度與抗拉強度(MPa)之關係 62
表4-6 265℃×16hrs退火後軋延率、軋延溫度與延伸率(％) 之關係 62
表4-7 365℃×1hr退火後軋延率、軋延溫度與抗拉強度(MPa) 之關係 63
表4-8 365℃×1hr退火後軋延率、軋延溫度與延伸率(％) 之關係 63
表4-9 軋延溫度350℃軋延率60％高溫拉伸之機械性質 66
圖目錄
圖1-1 ZK60鎂合金經鍛造製程之競賽用摩托車輪圈 4
圖1-2 ZK60鎂合金經鍛造製程之直昇機零件 4
圖2-1 六方最密堆積晶格(HCP)及其滑移系統[18] 19
圖2-2 鎂合金中各變形之臨界分解剪應力與溫度關係圖[18] 19
圖2-3 鎂鋅合金二元平衡相圖[19] 20
圖2-4 鎂鋯合金二元平衡相圖[19] 20
圖2-5 鑄造鎂合金及鍛造鎂合金強度與延性之關係圖[5] 21
圖2-6 金屬之再結晶與硬度之關係示意圖[30] 21
圖2-7 高純度銅的等溫退火曲線[32] 22
圖2-8 A. Galiyev等人將ZK60鎂合金經由擠製、壓縮、等溫軋延之顯微組織，平均晶粒大小約為3.7μm 23
圖2-9 ZK60鎂合金試片經TMP處理後在250℃及不同拉伸速率下之拉伸結果 23
圖3-1 實驗流程圖 30
圖3-2 VDC豎型直接激冷式連鑄機設備 31
圖3-3 標準拉伸試片規格 32
圖3-4 金相試片取樣示意圖 32
圖4-1 軋延溫度(a)300℃（b）350℃（c）400℃（d）450℃軋延後外觀 43
圖4-2 ZK60鎂合金擠製材之DSC測試圖 44
圗4-3 ZK60鎂合金擠製後金相組織 45
圖4-4 ZK60鎂合金擠製265℃×16hrs退火 46
圖4-5 ZK60鎂合金擠製365℃×1hr退火 46
圖4-6 軋延溫度350℃，20%軋延率軋延之金相組織 47
圖4-7 軋延溫度350℃，40%軋延率軋延之金相組織 47
圖4-8 軋延溫度350℃，60%軋延率軋延之金相組織 48
圖4-9 軋延溫度400℃，20%軋延率軋延之金相組織 48
圖4-10 軋延溫度400℃，40%軋延率軋延之金相組織 49
圖4-11 軋延溫度400℃，60%軋延率軋延之金相組織 49
圖4-12 軋延溫度450℃，20%軋延率軋延之金相組織 50
圖4-13 軋延溫度450℃，40%軋延率軋延之金相組織 50
圖4-14 軋延溫度450℃，60%軋延率軋延之金相組織 51
圖4-15 軋延溫度、軋延率及晶粒尺寸三者之間的關係圖 51
圖4-16 軋延溫度350℃，軋延率20%、265℃×16hrs退火金相組織 52
圖4-17 軋延溫度350℃，軋延率40%、265℃×16hrs退火金相組織 52
圖4-18 軋延溫度350℃，軋延率60%、265℃×16hrs退火金相組織 53
圖4-19 軋延溫度350℃，軋延率20%、365℃×1hr退火金相組織 53
圖4-20 軋延溫度350℃，軋延率40%、365℃×1hr退火金相組織 54
圖4-21 軋延溫度350℃，軋延率60%、365℃×1hr退火金相組織 54
圖4-22 軋延溫度350℃，軋延率80%、265℃×16hrs退火金相組織 55
圖4-23 ZK60鎂合金擠製材之XRD測試圖 56
圖4-24 400℃軋延溫度、60%軋延率，265℃×16hrs退火之XRD繞射 56
圖4-25 軋延溫度350℃不同軋延率(20%、40%及60％)之XRD圖 57
圖4-26 圖4-24之(0002)面放大圖 57
圖4-27 不同軋延率、軋延溫度之硬度分佈圖 59
圖4-28 軋延溫度350℃軋延後退火及未退火抗拉強度比較 64
圖4-29 軋延溫度400℃軋延後退火及未退火抗拉強度比較 64
圖4-30 軋延溫度450℃軋延後退火及未退火抗拉強度比較 65
圖4-31 軋延溫度350℃，軋延率60％ (a)265×16hrs退火(b)365×1hr退火(c)未退火拉伸破斷面SEM觀察 67
圖4-32 軋延溫度350℃，軋延率60％(a)265×16hrs退火(b)365×1hr退火(c)室溫拉伸破斷面SEM觀察 68

參考文獻

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指導教授

李雄(Shyong Lee)

審核日期

2008-7-2

推文