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研究生: 陳欣佑
Hsin-yu Chen
論文名稱: 錳鋁鋼的兩種共析反應研究
The study of two eutectoid reaction in a Mn-Al steel
指導教授: 鄭偉鈞
Wei-Chun Cheng
口試委員: 王朝正
Chaur-Jeng Wang
雷添壽
Tien-Shou Lei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 106
中文關鍵詞: 相變化
外文關鍵詞: phase transformation
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  • 本論文為研究鐵-14.8錳-3.4鋁-1.0碳(wt%)之錳鋁鋼經不同溫度的熱處理後所產生的相變化情形。熱處理方式為高溫1100℃固溶處理以及於800至500℃的溫度範圍分別進行低溫恆溫處理。
    錳鋁鋼經1100℃固溶處理後,其相組成為沃斯田體基地相以及分布於沃斯田體基地內之條狀麻田散體相。此麻田散體為具FCC結晶結構的微小雙晶。此麻田散體可一直存在於經低溫時效處理的錳鋁鋼內。當溫度介於800至725℃時,並無任何的析出物出現;因此可知本錳鋁鋼在1100至725℃之溫度區間為單相的沃斯田體。當錳鋁鋼於700℃時, M3C碳化物析出於晶界處。故此碳化物的析出上限溫度應介於725至700℃的溫度區間內。
    當溫度於675℃以下時,波來體組織已經均勻的散佈在合金內。經TEM的觀察發現,此由層狀碳化物與肥粒體晶粒所共同組成的波來體組織,其碳化物可以分別具有二種不同的晶體結構,亦即M3C或是M23C6碳化物,所以本研究發現於此錳鋁鋼內,M3C波來體與M23C6波來體是有共存的情形。
    於本錳鋁鋼內的M3C波來體,層狀M3C碳化物與肥粒體晶粒間具有下列7種的方位關係:1. [010]C // [1 ‾11]α, (103)C // (110)α;2. [31 ‾1 ‾]C // [1 ‾11]α, (022)C // (110)α;3. [100]C // [11 ‾2]α, (022)C // (110)α;4. [101 ‾]C // [01 ‾1]α, (121)C // (011)α;5. [010]C // [113 ‾]α, (103)C // (11 ‾0)α;6. [121]C // [012]α, (303 ‾)C // (121)α;7.[111]C // [110]α, (022)C // (110)α。而於M23C6波來體內,M23C6與肥粒體晶粒間,發現兩組方位關係:一為[01 ‾1]C6 // [001]α, (111)C6 // (110)α;而二為[01 ‾1]C6 // [1 ‾11]α, (111)C6 // (110)α。


    We have studied the phase transformations of a Mn-Al steel after it was heated at 1100℃ for solution heat treatment and followed by isothermal holding for 100 h at temperatures between 800 and 500℃. The composition of the steel is Fe-14.8 Mn-3.4 Al-1.0 C (wt%).
    The constituent phase of the steel at temperatures between 1100 and 725℃ is single austenite. Irregular martensitic plates exist in the austenitic matrix after cooling. They are FCC micro-twins. At a temperature of 700℃, grain boundary M3C carbide precipitates in the austenitic grains. Thus, the upper temperature for the appearance of M3C carbide is between 725 and 700℃. We found that kappa carbide appears at the austenitic grain boundaries for the steel being isothermally held at 675℃. The appearance of the kappa phase is probably due to the high content of Al in the Mn-Al steel. For the steel held at the same temperature, we observed two different pearlites coexisting in the austenitic matrix. One pearlite is composed of lamellar grains of ferrite and M3C carbide, and the other is composed of lamellar grains of ferrite and M23C6 carbide. They are from two separate eutectoid reactions, decomposing supersaturated austenite into lamellae of ferrite and carbide. The carbide could be either M3C or M23C6.
    We discovered several orientation relationships between two adjacent grains with different crystal structures. Between M3C and ferrite grains: 1. [010]C // [1 ‾11]α, (103)C // (110)α; 2. [311 ‾]C // [1 ‾11]α, (022)C // (110)α; 3. [100]C // [11 ‾2]α, (022)C // (110)α; 4. [101 ‾]C // [01 ‾1]α, (121)C // (011)α; 5. [010]C // [113 ‾]α, (103)C // (11 ‾0)α; 6. [121]C // [012]α, (303 ‾)C // (121)α; 7.[111]C // [110]α, (022)C // (110)α. Between M23C6 and ferrite grains: [01 ‾1]C6 // [001]α, (111)C6 // (110)α; and [01 ‾1]C6 // [1 ‾11]α, (111)C6 // (110)α.

    第一章 前 言1 第二章 文獻回顧4 2.1 擴散型相變化4 2.2 鐵碳合金系統的共析反應5 2.3 鐵錳碳合金系統的共析反應6 2.4 合金的碳化物6 第三章 實驗方法19 3.1 合金冶煉19 3.2 鑄錠加工19 3.3 熱處理20 3.4 分析儀器21 3.5 試片製備23 第四章 結果與討論29 4.1 恆溫熱處理30 4.2 波來體組織內相鄰相間的方位關係36 4.3 不同成份之鐵錳鋁合金的比較39 結 論83 參考文獻85 表 目 錄 表1.1 不同成份的錳鋁鋼之析出物較。……………………………. …3 表2.1 雪明碳體與肥粒體之間的[17-21]。……………………………. …9 表3.1 成份分析。26 表3.2 高溫熱處理條件。26 表3.3 恆溫熱處理條件。26 表4.1 於不同溫度(℃)時,合金內析出物的分佈情形。41 表4.2 於TEM-EDS分析組成相的金屬元素的比例: (a)重量百分比(wt%);(b)原子百分比(at%)。42 表4.3 層狀波來體內,肥粒體與碳化物之間的方位關係。44 表4.4 不同成分的錳鋁鋼內析出物比較。45   圖 目 錄 圖1.1 鐵碳平衡相圖[4]。4 圖2.1 共析反應析出型式[9]。11 圖2.2 二元合金中析出相變化[9]。11 圖2.3 二元合金有序相變化示意圖[9]。11 圖2.4 高錳鋼的波來體金相[11]。12 圖2.5 碳原子在波來體形成時的擴散示意圖[10]。13 圖2.6 波來體成長示意圖,(a)側向成核;(b)側邊成長及(c)成核後全面成長[11]。13 圖2.7 (a)鐵碳二元相圖及(b)鐵-碳-11.56錳之三元相圖[14]。14 圖2.8 於不同溫度及持溫時間(溫度/時間),高錳鋼內於晶界處的波來體組織之金相圖;(a) 640℃/12小時;(b) 650℃/40小時;(d) 660℃/72小時;(d) 670℃/120小時[14]。14 圖2.9 錳碳二元相圖[13]。15 圖2.10 為M3C晶體結構[13]。16 圖2.11 為M23C6碳化物晶體結構[13]。16 圖2.12 鐵-10鉻-0.2碳合金經過730℃恆溫熱處理,晶粒內的纖維狀M23C6碳化物[17]。17 圖2.13 鐵-12鉻-0.2碳合金經過750℃恆溫熱處理後,在晶界析出的細板狀(Cr,Fe)23C6碳化物[18]。17 圖2.14 不同合金元素對κ型碳化物析出之影響:(a)鋁含量,(b)錳含量[26]。18 圖3.1 管狀爐示意圖[28]。27 圖3.2 雙重噴射式電解拋光機示意圖[28]。27 圖3.3 真空離子铣薄機示意圖[28]。28 圖3.4 穿透式電子顯微鏡示意圖[29]。28 圖4.1 經1100℃固溶處理合金的分析:(a)和(b)為不同倍率的金相圖;(c)為XRD繞射圖。46 圖4.2 經固溶處理的合金於TEM的分析: (a)沃斯田體基地(γ)的明視野,圖中的條狀物為疊差;(b)為基地的[01 ‾1]擇區繞射圖。47 圖4.3 合金經過固溶處理後,再於800℃恆溫處理100小時後的分析:(a)及(b)為金相圖;(c)為XRD繞射圖。48 圖4.4 合金經過750℃恆溫熱處理的金相觀察:(a)及(b)為不同倍率的金相照片。49 圖4.5 (a)與(b)為合金經725℃熱處理的試片分析金相圖。50 圖4.6 合金經過700℃的恆溫處理後的分析:(a)及(b)為金相圖;而(c)為XRD繞射圖。於金相圖中可發現於沃斯田體晶界處有顆粒狀析出物的出現。51 圖4.7 於700℃時,合金內晶界析出物的TEM分析:(a) M3C碳化物的明視野影像,圖中標示C為M3C碳化物;(b)為(a)中M3C碳化物之擇區繞射圖,其晶帶軸方向為[010]。52 圖4.8 (a)及(b)為經過675℃熱處理後合金的金相圖。於 (b)中沃斯田體基地的晶界處已經存在層狀晶粒的析出組織。53 圖4.9 675℃試片的TEM觀察:(a)為於沃斯田體晶界處析出的M3C碳化物的明視野影像,(b)為M3C碳化物之擇區繞射圖,其晶帶軸方向為[1 ‾11];(c)為於沃斯田體晶界處析出的κ’碳化物的明視野影像,(d)為κ’碳化物之擇區繞射圖,其晶帶軸方向為[01 ‾1]。54 圖4.10 同上圖的合金,M3C波來體的TEM觀察:(a)為明視野照片,圖中之標示α表肥粒體晶粒,(b)為(a)中[1 ‾11] M3C碳化物之擇區繞射圖。55 圖4.11 於TEM觀察M3C波來體的初生成狀態:(a)為明視野照片,(b)及(c)為(a)中[11 ‾1]α及[100] C。56 圖4.12 為初始狀態波來體的明視野組合圖。57 圖4.13 同上圖之合金,M3C波來體組織的特寫照片。此圖為多張TEM明視野影像的組合圖。圖中黑色晶粒為M3C碳化物。58 圖4.14 沃斯田體晶粒內經共析反應產生之波來體組織的金相觀察,(a)及(b)為輕度腐蝕的金相圖;(c)及(d)為重度腐蝕的金相圖。本合金之恆溫處理條件為:650℃持溫100小時。59 圖4.15 經650℃熱處理的合金於TEM的分析:(a)及(c)為M3C波來體的明視野影像,(b)及(d)為 (a)及(c)中M3C碳化物之擇區繞射圖,其晶帶軸方向分別為[1 ‾11]及[100]。60 圖4.16 圖中(a)及(b)為合金經600℃熱處理的金相圖;而(c)為XRD繞射圖。61 圖4.17 為經600℃熱處理後的合金,於SEM觀察分析:(a)至(c)為不同倍率的SEI照片。62 圖4.18 於600℃時,合金內晶界M3C碳化物的TEM分析。(a)明視野影像;(b)為M3C [100]擇區繞射圖。63 圖4.19 同上圖的合金,其內波來體組織的TEM分析。(a)與(b)各為M3C波來體組織的明視野與[1 ‾11]C的擇區繞射圖;(c)與(d)各為M23C6波來體組織的明視野與[001]C6的擇區繞射圖,圖於(c)中標示C6表示為M23C6碳化物。64 圖4.20 合金經575℃熱處理後之分析:(a)及(b)為不同倍率的金相圖;(c)為XRD繞射圖。65 圖4.21 經575℃熱處理後之合金,其內波來體組織的TEM分析:(a)為M3C波來體組織的明視野影像;(b)為(a)中M3C晶粒之[2 ‾10]擇區繞射圖;(c)為層狀M23C6波來體的明視野影像;(d)為(c)中M23C6碳化物之[01 ‾1]擇區繞射圖。66 圖4.22 試片經550℃恆溫處理後的分析:(a)及(b)為不同倍率的金相圖;(c)為XRD繞射圖。67 圖4.23 550℃合金內波來體組織的微觀TEM分析;(a)為M3C波來體的明視野影像;(b)為M3C之擇區繞射圖,其晶帶軸方向為[01 ‾1];(c)為M23C6波來體的明視野影像;(d)為(c)中[01 ‾1]C6與[001]α之擇區繞射圖。68 圖4.24 於500℃時,合金的分析:(a)及(b)為金相圖;(c)為XRD繞射圖。70 圖4.25 同上圖的合金於TEM觀察:(a)為明視野影像,顯示細長條狀的M3C波來體組織;(b)為(a)中M3C碳化物之[100]擇區繞射圖。71 圖4.26 於不同溫度時合金內波來體組織所佔體積分率的比較。熱處理溫度分別如下:(a) 650;(b) 600;(c) 575及(d) 550℃。72 圖4.27 相同的M3C與肥粒體晶粒間的方位關係:[010]c // [1 ‾11]α;(103)c//(110)α。(a)與(b)為650℃合金的波來體擇區繞射圖與對應的明視野。(c)與(d)為600℃合金與(a)與(b)的相似對應關係。73 圖4.28 (a)至(f)為相同的M3C與肥粒體晶粒間的方位關係的TEM觀察:[311 ‾]c // [1 ‾11]α;(022)c // (110)α。(a),(c)與(e)為此方位關係的擇區繞射圖,(b),(d)與(f)為(a),(c)與(e)所對應之波來體組織的明視野。(a)與(b)為於675℃的條件,(c)與(d)為550℃,(e)與(f)為500℃的合金。74 圖4.29 於675℃時,在M3C波來體組織中,所觀察到如下之方位關係:[100]c // [11 ‾2]α;(022)c // (110)α。(a)為擇區繞射圖,而(b)為對應之波來體明視野。76 圖4.30 M3C與肥粒體晶粒的方位關係: [101 ‾]c // [01 ‾1]α;(121)c // (011)α。此合金經550℃之恆溫處理。(a)為波來體的擇區繞射圖,(b)為對應的波來體明視野。77 圖4.31 (a)至(d)為相同的M3C與肥粒體晶粒間的方位關係的TEM觀察:[010]c // [113 ‾]α;(103)c // (11 ‾0)α。(a)與(b)為600℃合金的波來體擇區繞射圖與對應的明視野。(c)與(d)為575℃合金與(a)與(b)相似對應關係。78 圖4.32 在600℃合金內發現的M3C與肥粒體晶粒可能的方位關係:[121]c//[012]α;(303 ‾)c//(11 ‾0)α。(a)為擇區繞射圖,(b)為明視野影像。79 圖4.33 在550℃合金內發現的M3C與肥粒體晶粒可能的方位關係:[11 ‾1]c//[11 ‾0]α;(022)c//(110)α。(a)為擇區繞射圖,(b)為明視野影像。80 圖4.34 在550℃合金內,於M23C6波來體內發現的方位關係: [01 ‾1]C6 // [001]α;(111)C6 // (110)α。(a)為此方位關係的擇區繞射圖,(b)為對應的波來體明視野。81 圖4.35 於575℃合金內的M23C6波來體:(a)為擇區繞射圖,(b)為M23C6波來體的明視野。此方位關係為:[01 ‾1]C6 // [1 ‾11]α;(111)C6 // (110)α。82

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