機械材料 第三章 金屬材料之塑性加工 3-1 塑性加工之種類 3-2 彈性變形與塑性變形 3-3 塑性變形之方式 - 滑動及雙晶 3-4 差排之概念 3-5 加工硬化 3-6 加工對金屬材料之顯微鏡組織及機械性質之影響 3-7 加工後之退火回復 再結晶 晶粒生長及機械性質之變化
金屬材料富於延 展性, 因此易於進行塑性加工 (plastic working) 塑性變形之預警期 脆裂會驟然發生, 毫無預警 金屬材料的製造方法甚多, 如 : 鑄造 熔接 切削研磨加工 粉末冶金 電積成型 塑性加工等 板材 型材 棒及管材 ; 彈性與塑性行為 硬化 強化現象 ; 回復軟化
3-1 塑性加工之種類 塑性加工 以加工溫度之不同分類以基本的變形機構分類以素材及製品型式分類 1. 熱加工 (hot working) 1. 壓縮型加工 1. 板材加工 2. 冷加工 (cold working) 2. 伸張型加工 2. 型材加工 溫加工 (warm working) 3. 彎曲型加工 3. 棒材及管材加工 4. 剪斷型加工 4. 工件加工 5. 高能量加工成型法 在高於金屬再結晶溫度 (recrystallization temperature) 以上的溫度行塑性加工者稱為熱加工, 反之則為冷加工 溫加工 : 泛指在 300 C ~ 600 C 間對再結晶溫度高的合金進行之塑性加工, 尚未有嚴格的定義 變形機構 (deformation mechanism)
壓縮型加工 : 如滾軋 (rolling) 鍛造 (forging) 擠製 (extruding) 壓擠 (squeezing) 壓模印 (coining) 旋轉成型 (spinning) 等 伸張型加工 : 如抽製 (drawing) 伸展 (stretching) 凹壓 (cupping) 深度抽製 (deep drawing) 彎曲型加工 : 如彎曲 (bending) 摺緣 (flanging) 摺縫 (seaming) 剪斷型加工 : 如沖孔 (punching) 穿刺 (piercing) 修整 (trimming) 沖缺口 (notching) 等 高能量加工成型法 : 如爆炸成型 (explosive forming) 電力液壓成型 (electrohydraulic forming) 及磁力成型 (magnetic forming) 等 板材加工 : 如軋製 沖孔 修整 摺緣等 型材加工 : 如擠製 軋製等 棒材及管材加工 : 如抽製 旋轉成形 軋製等 工件加工 : 如鍛造 軋鍛 (roll forging) 落鍛 (drop forging) 等
3-2 彈性變形與塑性變形 金屬材料受外力作用時, 倘若應力 (stress) 不大, 金屬會起彈性變形 (elastic deformation)- 外力移除後, 變形立即消失 若應力大於金屬之彈性限 (elastic limit), 則金屬發生永久變形 (permanent deformation), 相對於彈性變形而稱為塑性變形 (plastic deformation) 金屬之彈性變形具有下列兩個特徵 : 1. 為可逆的, 亦即導致變形之外力移去後, 試件會回復原尺寸 2. 應力 ( 單位面積所受之力 ) 與應變 ( 單位長度變化量 ) 成正比, 其比值稱為楊氏係數 (Young s modulus) 或彈性係數 (modulus of elasticity)
金屬之彈性變形係單位晶胞沿作用力方向產生微小伸長或縮短的現象 ( 原子間產生微小相對位移 ) 一般說來, 金屬原子間引力越大時, 彈性係數越高, 因此彈性係數可作為金屬強度的絕對尺標 彈性係數之值隨溫度而變 ( 同一金屬溫度愈高, 彈性係數越低 ), 亦隨組成 ( 雜質 合金元素 ) 而異 金屬之塑性變形具有下列兩個特徵 : 1. 為不可逆的, 亦即外力移去後, 其外觀上的改變 已無法回復 2. 塑性變形後, 金屬材料的外觀雖變, 但其原子結 晶方式仍然不變, 只是原子間換個新鄰居, 或結 晶方向略為不同而已
金屬發生的塑性變形, 不再是單位晶胞應變的現象, 而是結晶平面間的滑動 (slip) 或產生雙晶 (twin) 的結果 滑動的現象很容易沿著金屬晶體之特定結晶面及特定結晶方向發生 絕大部份的金屬材料都不是完整的晶體, 它具有許多缺陷 (imperfection): 如結晶格子上少了一個原子造成的空孔 (vacancy), 屬於點缺陷 (point defects) 若在結晶面上少了或多了一整列原子, 就造成所謂 差排 (dislocation) 的線缺陷 (line defects) 面缺陷 (planar defects) 如積層缺陷 (stacking fault) 及晶粒界面 體缺陷 (volume defects) 如異相或夾雜物 ( 介在物 ) 等 具有某些缺陷的金屬晶體受外力作用後, 更易滑動而使金屬易產生塑性變形
3-3 塑性變形之方式 - 滑動及雙晶 3-3-1 滑動的現象 金屬晶體的滑動及雙晶現象, 係沿著某些特殊結晶面及結晶方向發生 滑動是金屬晶體互相平行的原子層間的移動現象 ; 滑動後原子的排列仍與滑動前相同, 單位晶胞的層疊方式也無改變 結晶面要產生滑動所需的最小剪應力稱為臨界剪分應力 (critical resolved shear stress,τ) 臨界剪分應力視下列兩點而定 : 1. 滑動面及力的方向 2. 滑動方向及力的方向兩者間的夾角
滑動結果, 使晶粒表面產生許多滑線 (slip line) 注意在粒界處的滑線轉向現象 滑動造成相鄰原子間錯開, 結果在晶粒表面形成許多 階, 在顯微鏡下觀察時, 這些階將光線漫射, 因此呈現黑線 許多鄰近之滑線聚集在一起即形成滑帶 (slip bands) 滑動時, 相鄰原子面間的相對移動量約為一千倍原子距離
τ = F A s s = ( F A cosλ) /( ) cosφ 史密德定律 (Schmid s Law) = ( F A )cosλ cosφ
滑動現象與晶體對滑動的抵抗力都屬於方向性的性質 一般言之, 滑動面就是含有高密度原子的平面, 亦即面間距離較大的平面 滑動方向通常與最密原子排列的方向平行
最密原子面為 (110) 之 ABCD 面, 與此對等的 {110} 平面族皆是 最密原子方向為是 [1 11], 與此對等的 <111> 方向族皆
滑動的兩個特徵 : 1. 在滑動面兩端, 單位晶胞方位仍維持不變 2. 在兩相鄰滑動層內, 每一原子無論其距離遠近, 都移動相同的量
滑動系統 (slip system): 一滑動面與在該面上之一滑動方向組合而成一組滑動系統 BCC 有 12~48 組滑動系統 FCC 有 12 組滑動系統 HCP 有 3~12 組滑動系統 立方結構金屬材料富延性 ; 六方密排金屬材料通常延性較差
3-3-2 雙晶的現象 對滑動困難如 HCP 或更複雜的晶體, 雙晶為輔助變形發生的一大助益 雙晶是變形時晶體內一部份原子層重新排列, 成為其鄰接母晶體之 鏡影 的現象 雙晶面為雙晶層與母晶體間的界面, 亦即鏡影之對稱面 可以將雙晶層想像作係對雙晶面旋轉所形成 雙晶 退火雙晶 (annealing twins) 在熱處理時, 晶體成長 錯誤 而生 (pp. 70, 圖 3-25) 機械雙晶 (mechanical twins) 受機械力作用下產生
雙晶現象具有下述五個特徵 : 1. 產生雙晶之剪應力均勻, 雙晶層內每一個結晶面均向同一方移動, 移動之量與其距雙晶面之距離成正比, 如此乃使雙晶層之方位不同於母晶體者 相對之滑動現象, 其剪應力並不均勻, 使滑動僅沿少數的單一平面發生, 滑動時, 滑動面兩端分別向反方向移動, 且移動量均相等, 等於各該面間距離的整數倍, 以致於滑動後晶體之方位未變 2. 產生雙晶之方向與結晶面限於會產生鏡影者 3. 產生雙晶時, 剪應變之量只限於表 3-4 所列之值以內者, 滑動時所生之剪應變量無限, 可持續到發生損壞為止 4. 雙晶面猶如一小型的晶粒界面, 故雙晶層之存在猶如晶粒之 細化, 有些許強化金屬之功能 5. 雙晶移行極速, 常使某些金屬在加工或退火時發生可聞之嘎嘎聲
各圖均有雙晶的獨特特徵 - 在晶粒內造成平行的帶 (a) 圖係七三黃銅的退火雙晶, 大部份 FCC 金屬都有類似的雙晶出現, 故其出現常可反推基材為 FCC 結晶 (b) 圖係鋅之機械雙晶 (c) 圖為純鐵的紐曼帶 (Neuman bands) 現在多將之視為機械雙晶現象, 常於受衝擊或顫震之低溫 BCC 金屬 ( 如純鐵 ) 內發現 (d) 圖為青銅的變形線 有人將之視為滑帶之聚集現象, 而非雙晶
雙晶在金屬塑性變形中擔任的角色可分二方面 : 1. 雙晶本身可導致形狀的改變 2. 雙晶可將原本不易滑動的平面轉移到較易滑動的 方位 ( 相對於外力作用而言 ) 可有助於滑動變形 一般言之, 機械雙晶現象對 HCP 金屬或低溫下的 BCC 金屬較具意義, 可輔助變形之進行
3-4 差排之概念 3-4-1 金屬的理論強度 在一完整晶體內, 若要能發生滑動, 則滑動面兩端之原子鍵必須同時斷裂 計算出之金屬理論強度比實際之金屬強度值大一千倍不止 結構不完整 金屬晶體強度 較差 差排理論 (dislocation theory) 空孔現象 對材料相變態影響較大, 對塑性變形之影響不若差排顯著
3-4-2 差排的意義與差排種類 差排 : 一種線性的缺陷, 為金屬晶體內成列或成面的原子所發生的錯誤排列 有兩種 : 1. 刀刃差排 (edge dislocation) 2. 螺旋差排 (screw dislocation)
(a) 差排中心 : 虛線圓 ; 差排平面 ; 差排線 : 通過差排中心而垂直於書面的線 (b) 正差排 圍繞在差排中心的應力場, 正差排者在差排平面上方之原子受到壓力 ( 圖示較黑之原子 ) 下方之原子受到張力 ( 圖示較白之原子 ) 負差排 則相反
柏格向量 (Burgers vector): 為使環繞差排中心所繪之路徑得以封閉, 所須多走的 路 柏格向量與差排線垂直, 為刀刃差排之特徵 凡是額外的原子面位於差排平面上方者, 稱為正差排, 以符號 代表 ; 反之則為負差排, 以符號 代表 螺旋差排 : 為圍繞在差排線周圍的原子面旋轉而成的螺旋形表面 柏格向量與差排線平行, 為螺旋差排之特徵 若柏格向量既不與差排線垂直也不平行, 則該差排為刀刃差排與螺旋差排的混合, 形成一個差排環 (dislocation loop) 差排之觀察 穿透式電子顯微鏡
(a) 含大量鉻 鈷之高合金鋼 (b) 由於鄰接差排的原子群能量較高, 易受蝕刻, 乃現出蝕孔, 指示差排位置
有些差排是晶體生成 ( 如凝固過程 ) 或成長 ( 如在熱處理中 ) 時與生俱來者 ; 但大部份都是在受外力作用後產生的 在金屬的塑性變形中扮演著較重要的角色 差排密度為 0 的矽單晶
3-4-3 差排與滑動 (a) 圖 : 若沿滑動面 SP 滑動 每一個原子鍵均須同時斷裂 滑動非常困難 若晶格內有一差排, 或產生剪力作用 藉差排向右移動, 每一次只須斷裂一個鍵
由一個差排的移動, 造成晶體沿滑動面作單位滑動 ( 滑動一個格子常數 ) 的現象可以看得更清楚, 刀刃差排與螺旋差排皆然 (b) 圖 : 螺旋差排造成滑動時, 原子面逐漸旋轉, 卒至整個晶體沿滑動面滑動一個晶格為止
刀刃差排也可與螺旋差排聯合起來作用, 即以差排環一起行動, 在差排環內的晶體會沿特定的滑動面滑動 差排的數量常以差排密度代表, 差排密度以差排線 ( 亦即差排中心 ) 與每單位面積之相交次數表示 (10 5 /cm 2 10 12 /cm 2 ) 晶體的大量滑動, 另有別的機構予以說明, 那就是法朗克 - 律德源 (Frank-Read Source) 此一機構謂兩條被固鎖的差排 ( 粒界 雜質原子或別的差排皆對差排有固鎖作用 ), 在受作用力後, 沿滑動面會繁殖刀刃差排與螺旋差排的組合 ( 差排環 ), 逐漸增生 向外擴張並閉合, 使晶體滑動, 但晶體滑動後, 該源卻不會消失, 只要作用力持續下去, 就有差排不斷孳生出來, 造成連續滑動