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研究生： 林章棋
論文名稱： 鐵-碳系合金摩擦攪拌接合微觀組織演變及接合性質研究
指導教授： 程金保
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工業教育學系
Department of Industrial Education
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 88
中文關鍵詞： 摩擦攪拌銲接 、球墨鑄鐵 、SAE1008碳鋼 、鐵-碳系合金
論文種類： 學術論文
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    • 摩擦攪拌銲接是一種低變形、高品質、低成本的固態接合方法，銲接過程中並未使材料產生熔融，能有效提昇銲件的接合品質。鐵-碳合金是人類最廣泛使用的金屬材料之一，由於具有價格低廉、高強度之特性，是一種理想的工程結構材料。球狀石墨鑄鐵具有優良鑄造性、適當之機械性質且價格低廉，所以在許多工程結構件上已被廣泛使用。本研究擬採用SAE1008碳鋼及肥粒鐵基球墨鑄鐵為接合試片，分別以同種材及異種材接合的方式，利用摩擦攪拌銲接方法進行對接，探討在各種不同製程參數下的接合品質，以及銲接區域之顯微組織演變與機械性質之變化。
    研究結果發現SAE1008碳鋼在適當的實驗參數下，銲道區域內晶粒組織有細化之動態再結晶現象，微硬度值也有顯著的提升，拉伸試驗結果顯示，試片與母材之抗拉強度值相比略有提升。肥粒鐵基球墨鑄鐵經過FSW接合後，攪拌區產生了硬脆的麻田散鐵組織，銲道有硬度增加及延性降低的情形。SAE1008碳鋼與肥粒鐵基球墨鑄鐵異質合金在攪拌桿順、逆時針兩個方向迴轉接合後，以逆時針方向迴轉所得之接合品質較佳。

    目 錄 中文摘要.........................................................I 英文摘要........................................................II 目錄............................................................IV 表目錄.........................................................VII 圖目錄........................................................VIII 第一章 前言.....................................................1 第二章 文獻探討.................................................2 2-1 鐵-碳合金材料簡介.......................................3 2-2 球墨鑄鐵簡介.............................................3 2-3 摩擦攪拌銲接.............................................4 2-3-1 摩擦攪拌銲接之簡介與原理..............................4 2-3-2 摩擦攪拌銲接之製程....................................4 2-3-3 摩擦攪拌銲接之優點....................................5 2-3-4 摩擦攪拌銲接銲道流動行為..............................5 2-3-5 摩擦攪拌銲接銲道橫截面區域之金相觀察..................7 2-3-6 摩擦攪拌銲接可控制變化之主要參數......................7 2-4 再結晶之特性.............................................8 2-5 球墨鑄鐵之再結晶行為...................................10 2-6 鐵-碳金屬之摩擦攪拌銲接相關研究........................10 第三章 研究方法與步驟..........................................24 3-1 材料製備................................................24 3-2 銲接設備................................................24 3-3 攪拌桿設計..............................................25 3-4 銲接條件................................................25 3-5 銲接程序................................................25 3-6 銲接溫度量測............................................26 3-7 微觀組織觀察及機械性質測試..............................26 3-7-1 微觀組織觀察..........................................26 3-7-2 微硬度試驗............................................27 3-7-3 拉伸試驗..............................................27 第四章 實驗結果與討論..........................................37 4-1 SAE1008碳鋼之FSW接合性質.............................37 4-1-1 銲道表面巨觀檢測......................................37 4-1-2 銲道金相顯微結構......................................37 4-1-3 銲道溫度分佈情形......................................38 4-1-4 微硬度試驗結果........................................39 4-1-5 拉伸試驗結果..........................................39 4-2 球墨鑄鐵之FSW接合性質.................................40 4-2-1 銲道表面巨觀檢測......................................40 4-2-2 銲道金相顯微結構......................................41 4-2-3 銲道溫度分佈情形......................................42 4-2-4 銲後熱處理效應........................................42 4-2-5 微硬度試驗結果........................................43 4-2-6 拉伸試驗結果..........................................44 4-3 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質合金之FSW接合性質..........44 4-3-1 攪拌桿逆時針方向迴轉結果..............................44 4-3-2 攪拌桿順時針方向迴轉結果..............................47 4-4 表面硬化處理.............................................47 第五章 結論....................................................86 參考文獻........................................................88 表目錄 表2-1 拉伸溫度及應變速率對矽含量3.9wt%之球墨鑄鐵再結晶發生的影響(true strain = 0.6~0.7)................................... 12 表3-1 肥粒鐵基球墨鑄鐵化學成份 (wt%)......................... 28 表3-2 SAE 1008低碳鋼化學成份 (wt%)...........................28 表3-3 銲接條件表............................................. 29 表4-1 SAE1008碳鋼 FSW接合試片拉伸試驗結果..................49 表4-2 球墨鑄鐵 FSW接合試片拉伸試驗結果......................49 表4-3 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質 FSW接合試片之拉伸試驗結果..50 圖 目 錄 圖2-1 Fe-C平衡圖...............................................13 圖2-2 摩擦攪拌銲接製程之示意圖.................................14 圖2-3 銲道進給邊與退出邊示意圖.................................14 圖2-4 摩擦攪拌銲接擠塑區的材料流動模型.........................15 圖2-5 摩擦攪拌銲接擠塑區分佈...................................16 圖2-6 三種流場模式合成環繞凸梢的塑流...........................17 圖2-7 摩擦攪拌銲接橫截面材料流動模型...........................18 圖2-8 FSW銲道橫截面顯微結構示意圖.............................19 圖2-9 摩擦攪拌銲接鋁鋰合金的動態再結晶結構..................... 20 圖2-10 動態再結晶階段示意圖：(a)動態再結晶在晶界處開始成核；(b) 、(c)由晶粒形成的項鍊狀結構；(d)完全再結晶形成與(e)較大的 再結晶晶粒示意圖.........................................21 圖2-11 不同矽含量砂模鑄造試片拉伸性質與溫度之依存性：(a)5%應變 量之流應力；(b)延伸率，應變速率為3.3×10-3s-1................22 圖2-12 球墨鑄鐵在最高加熱溫度800 ℃之熱循環過程時肥粒鐵基地產生 再結晶...................................................23 圖3-1 本研究之實驗流程.........................................30 圖3-2 肥粒鐵基球墨鑄鐵母材金相組織.............................31 圖3-3 SAE1008低碳鋼母材金相組織...............................31 圖3-4 實驗用床台立式銑床....................................... 32 圖3-5 攪拌桿示意圖............................................. 33 圖3-6 摩擦攪拌桿外形圖......................................... 33 圖3-7 摩擦攪拌捍沿接合線移動前進情形........................... 34 圖3-8 熱電偶埋設位置示意圖..................................... 35 圖3-9 拉伸試片規格............................................36 圖3-10 拉伸試片取樣位置示意圖..................................37 圖4-1 SAE1008碳鋼在各種製程參數下的銲道表面巨觀：(a) 325 rpm 、50 mm/min；(b) 591 rpm、72 mm/min；(c ) 982 rpm、 72 mm/min；(d) 1615 rpm、72 mm/min........................51 圖4-2 SAE1008碳鋼在轉速591 rpm、銲速72 mm/min試驗參數下之 橫截面銲道顯微結構圖....................................52 圖4-3 SAE1008碳鋼FSW接合試驗，試驗參數轉速591 rpm時，橫截 面銲道攪拌區之顯微結構圖：(a) SAE1008碳鋼母材微觀組織； (b)圖4-2 ○1區域位置；(c) 圖4-2 ○2 區域位置；(d) 圖4-2 ○3 區域位置；(e) 圖4-2 ○4區域位置；(f) 圖4-2 ○5 區域位置， ........................................................53 圖4-4 SAE1008碳鋼進給邊SZ/TMAZ微觀組織圖..................54 圖4-5 SAE1008碳鋼退出邊SZ/TMAZ微觀組織圖..................54 圖4-6 SAE1008碳鋼在轉速325 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環 曲線....................................................55 圖4-7 SAE1008碳鋼在轉速591 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環 曲線....................................................56 圖4-8 SAE1008碳鋼在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環 曲線....................................................57 圖4-9 SAE1008碳鋼銲道微硬度分佈圖........................... 58 圖4-10 SAE1008碳鋼拉伸試片斷裂圖：(a) SAE1008碳鋼母材；(b)轉 速325 rpm、銲速50 mm/min；(c)轉速591 rpm、銲速72 mm/min；(d)轉速982 rpm、銲速72 mm/min；(e)轉速1615 rpm、銲速72 mm/min.....................................59 圖4-11 球墨鑄鐵FSW，在各種製程參數下之接合外觀：(a) 325 rpm、50 mm/min；(b) 591 rpm、72 mm/min；(c) 982 rpm、50 mm/min； (d) 982 rpm、72 mm/min；(e) 1615 rpm、72 mm/min..............60 圖4-12 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之橫截面巨觀圖.61 圖4-13 球墨鑄鐵母材微觀組織圖..................................62 圖4-14 球墨鑄鐵銲道SZ微觀組織圖...............................62 圖4-15 球墨鑄鐵進給邊SZ/TMAZ微觀組織圖.......................63 圖4-16 球墨鑄鐵退出邊SZ/TMAZ微觀組織圖.......................63 圖4-17 球墨鑄鐵進給邊TMAZ微觀組織圖..........................64 圖4-18 球墨鑄鐵在轉速591 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環曲線...65 圖4-19 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min時之熱循環曲線...66 圖4-20 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min FSW接合後，經 熱處理之試片橫截面巨觀圖.............................. 67 圖4-21 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後SZ中心微觀組織 圖......................................................68 圖4-22 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後SZ底部微觀組織 圖......................................................68 圖4-23 球墨鑄鐵之銲後熱處理前後之銲道微硬度分佈圖.............. 69 圖4-24 球墨鑄鐵在轉速98 rpm及進給率72 mm/min FSW接合試片之拉 伸斷裂圖................................................70 圖4-25 球墨鑄鐵FSW接合試片之拉伸斷裂面SEM圖：(a)斷面SEM宏 觀圖，(b)圖(a)中A區的SEM局部放大圖......................70 圖4-26 球墨鑄鐵在轉速982 rpm及進給率72 mm/min FSW接合試片，經 銲後熱處理之拉伸斷裂圖..................................71 圖4-27 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後，拉伸斷裂面SEM巨 觀圖....................................................71 圖4-28 球墨鑄鐵FSW接合試片在經銲後熱處理後，拉伸斷裂面SEM顯 微組織圖：(a)圖4-28 A區域；(b) 圖4-28 B區域；(c) 圖4-28 C 區域....................................................72圖4-29 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉 對接接合示意圖..........................................73 圖4-30 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉 對接接合外觀............................................73 圖4-31 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿逆時針方向迴轉 對接接合之試片橫截面巨觀圖..............................74 圖4-32 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合，攪拌桿逆時針方向迴 轉橫截面微觀組織圖：(a) SZ微觀組織圖；(b)SZ中心部位微觀 組織圖；(c) SZ底部位置微觀組織圖........................75 圖4-33 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合進給邊SZ/TMAZ微觀 組織圖..................................................76 圖4-34 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合退出邊SZ/TMAZ微觀 組織圖..................................................76 圖4-35 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異FSW接合，在轉速982 rpm及進給 率72 mm/min FSW接合後，經熱處理之試片(a)橫截面巨觀圖； (b)圖(a)中A區域微觀圖；(c)圖(a)中B區域微觀圖..............77 圖4-36 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質FSW接合之銲道微硬度分佈圖...78 圖4-37 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉，轉速982 rpm、銲 速72 mm/min銲接參數之拉伸試片斷裂圖....................79 圖4-38 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉，轉速982 rpm、銲 速72 mm/min銲接參數之拉伸試片斷面SEM圖：(a)斷面SEM宏 觀圖，(b)圖(a)中A區的SEM局部放大圖.....................79 圖4-39 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉，轉速982 rpm、銲 速72 mm/min銲接參數, 在經過銲後熱處理後之拉伸試片斷裂圖.80 圖4-40 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼在攪拌逆時針迴轉，轉速982 rpm、銲 速72 mm/min銲接參數, 在經過銲後熱處理後之拉伸試片斷面 SEM圖：(a)斷面SEM宏觀圖，(b)圖(a)中A區的SEM局部放大 圖......................................................80 圖4-41 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉 對接接合示意圖..........................................81 圖4-42 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉 對接接合外觀............................................81 圖4-43 球墨鑄鐵與SAE1008碳鋼異質接合FSW攪拌桿順時針方向迴轉 對接接合之試片：(a)橫截面巨觀圖；(c)攪拌區微觀圖............82 圖4-44 表面硬化處理外觀圖......................................83 圖4-45 表面硬化處理之試片：(a) 橫截面巨觀圖；(b) 攪拌區微觀圖.....84 圖4-46 表面硬化處理之硬度分佈圖................................85

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