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研究生: 蘇奎元
Kwei-Yuan Su
論文名稱: 20鎳-15錳-3.7鋁-1.0碳合金鋼的相變化研究
The study of phase transformations in an Fe-20 Ni-15 Mn-3.7 Al-1.0 C (wt.%) alloy steel
指導教授: 鄭偉鈞
Wei-Chun Cheng
口試委員: 丘群
Qun Qiu
林熾燦
Chi-Can Lin
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: 2023
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 108
中文關鍵詞: 鎳錳鋁合金鋼B2相M3C碳化物spinodal相分離序化反應
外文關鍵詞: Iron-Nickel-Manganese-Aluminum alloy, B2 phase, M3C carbide, Spinodal decomposition, Ordering reaction
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  • 隨著材料科技的發展,對於合金鋼性能的要求不斷提高。錳鋁合金鋼在加入鎳元素後可提高抗氧化等特性,是很有發展潛力的合金鋼種。本研究以五元合金Fe-20 Ni-15 Mn-3.7 Al-1.0 C (wt.%)作為研究項目,將材料先做1100℃固溶處理的前處理,再分別進行600至1000℃的恆溫處理。觀察合金鋼經固溶處理及恆溫處理後的微觀結構以及推判相變化過程。
    本合金鋼經固溶處理後組成為沃斯田體相基地,而晶界上可觀察到少量析出物。合金鋼經600至1000℃恆溫處理後,觀察室溫下基地均以γ相為主,基地內及晶界上同時析出富鎳鋁B2晶粒,經實驗推論B2晶粒於500℃以上應為BCC (α)結構,並於冷卻至室溫過程中發生Spinodal相分離與序化反應,在BCC晶粒內生成貧鎳鋁BCC1 (α’)相與富鎳鋁BCC2 (α’’)相的組成晶粒,其中BCC2相在冷卻過程中經序化反應轉變為為B2相,經實驗證實B2相生成溫度應低於500℃以下,其連續反應式為BCC (α)→ BCC1 (α’)+ BCC2 (α’’) → BCC1 (α’)+ B2。合金鋼於600℃至800℃恆溫處理後,沃斯田體基地與晶界析出M3C碳化物,其總反應式為γ → γ1 + α + M3C碳化物。


    With the development of material technology from past age to present, the requirement for performance of alloy steel has significantly increased. The manganese-aluminum alloy will improve corrosion resistance under high temperature after adding nickel element into the alloy. As a result, the alloy of manganese-aluminum including nickel element is a material with great development potential of commodification. In this study, the five-element alloy (Fe-20Ni-15Mn-3,7Al-1.0C) (wt.%) was used as the research project, and observe the microstructure and phase change process analysis after the material finishing solution treatment (1100℃ for 1 hour, water quench) and after then finishing different temperature heat treatment (1000℃ to 600℃for 20 & 100 hour, water quench) respectively. Finally, observe the microstructure and infer the process of phase transformation.
    The Fe-Ni-Mn-Al alloy performs a single Austenite phase (γ-Fe) in the base composition after solution treatment, and at the same time, a few precipitates can be observed on the base metal and grain boundary. When the alloy was subjected to different temperature heat treatment (600 to 1000℃) and was quench to room temperature by water, γphase were observed in all of the temperature, and BCC (α) grains were precipitated in the γ-based metal and in the grain boundaries. It is inferred by experiments that the B2 grains should be BCC (α) structure when the Temperature above 500°C, and spinodal decomposition and ordering reaction occur during cooling process until reaching room temperature. Nickel-aluminum-deficient BCC1 (α') phase is formed in the BCC grains composition grains with nickel-aluminum-rich BCC2 (α'') phase, in which the BCC2 phase is transformed into the B2 phase through ordering reaction during the cooling process. It has been proved by experiments that the formation temperature of the B2 phase should be lower than 500°C, and its continuous reaction of the formula is BCC (α) → BCC1 (α') + BCC2 (α'') → BCC1 (α') + B2. After the alloy steel finishing heat treatment at temperature 600°C to 800°C, M3C carbides are precipitated at the base and grain boundaries in FCC base metal, and the total reaction formula is γ → γ1 + α + M3C carbides.

    目錄 摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 IV 第一章 前  言 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 鐵鎳錳鋁合金鋼發展與介紹 3 2.2 恆溫處理相變化 3 第三章 實驗方法 17 3.1 實驗流程與步驟 17 3.2 鐵鎳錳鋁合金鋼的鎔鑄與加工 17 3.3 恆溫處理 18 3.4 實驗儀器分析與試片製備 20 第四章 結果與討論 32 4.1 試片經1100℃固溶處理後的組成相 32 4.2 600℃至1000℃低溫恆溫處理後的組成相 33 4.3 高溫BCC相相經由Spinodal相分離與序化反應生成BCC相與B2相的合成晶粒 42 第五章 結 論 87 參考文獻 90   圖目錄 圖2.1 有序鎳鋁(B2)和無序肥粒體(α)的類二元相圖。 10 圖2.2 鎳-鋁相圖。 10 圖2.3 鐵-鎳相圖。 11 圖2.4 鐵-鎳-鋁之三元相圖。 11 圖2.5 二元合金析出型相變化示意圖。 12 圖2.6 Spinodal相分離說明:(a)冷卻過程相圖,於成分S1至S2區間內發生spinodal離相分解,與(b)自由能變化曲線。 12 圖2.7 爬升擴散(uphill diffusion)示意圖 13 圖2.8 合金有序化相變化之示意圖 13 圖2.9 五種常見有序化結構:(a)NiAl之B2結構、(b)Ni3Al之D03結構及(c)Cu3Au之L12結構。 14 圖2.10 雪明碳體的晶體結構示意圖。 14 圖2.11 合金鋼經過750°C 恆溫處理後,Fe-20 Mn-1.6 Al-1 C (wt.%)合金的沃斯田體晶界中析出的低溫相經TEM 分析(a)顯示M3C 碳化物的明視野影像;(b) M3C碳化物[100]M3C 之擇區繞射圖。(c)M23C6碳化物的明視野影像,以及(d)為[ 112 ]M23C6碳化物和[112]FCC沃斯田體基地的擇區繞射圖。 15 圖 2.12 初析雪明碳體 (a)面對面 (b)邊緣對邊緣的激發成核所形成。 16 圖2.13 M23C6碳化物結晶結構。 16 圖3.1 實驗流程與步驟 27 圖3.2 箱型加熱爐 27 圖3.3 輝光放電分光質譜儀 28 圖3.4 X光繞射分析儀 28 圖3.5 光學顯微鏡 29 圖3.6 高解析度場發射掃描式電子顯微鏡 29 圖3.7 穿透式電子顯微鏡 30 圖3.8 光學顯微鏡試片製備流程 30 圖3.9 穿透式電子顯微鏡式片製備沖壓機 31 圖3.10 光學顯微鏡試片製備流程 31 圖4.1 1000℃恆溫處理後高倍率EDS分析:晶界富鎳鋁成分(at.%)約為Fe23Ni39Mn13Al25;基地析出物成分約為Fe34Ni33Mn14Al19。 45 圖4.2 1000℃恆溫處理後低倍率EDS分析:基地析出物成分(at.%)約為:Fe26Ni36Mn13Al25。 45 圖4.3 900℃恆溫處理後高倍率EDS分析:其中晶界富鎳鋁相的成分(at.%)約為:Fe21Ni41Mn13Al25。 46 圖4.4 900℃恆溫處理後低倍率EDS分析:基地析出物其成分(at.%)約為:Fe28Ni37Mn14Al21。 46 圖4.5 800℃恆溫處理後高倍率EDS分析:晶界富鎳鋁成分(at.%)約為:Fe33Ni33Mn14Al20;晶界富鐵錳成分(at.%)約為:Fe59Ni7Mn29Al5。 47 圖4.6 800℃恆溫處理後低倍率EDS分析:基地析出物其成分(at.%)約為:Fe56Ni10Mn29Al5。 47 圖4.7 700℃恆溫處理後高倍率EDS分析:其晶界富鎳鋁成分(at.%)約為:Fe48Ni24Mn15Al13;晶界富錳成分(at.%)約為:Fe59Ni8Mn28Al5。。 48 圖4.8 700℃恆溫處理後低倍率EDS分析:基地析出物其成分(at.%)約為:Fe56Ni11Mn27Al6。 48 圖4.9 600℃恆溫處理後高倍率EDS分析:晶界富鎳鋁成分(at.%)約為:Fe51Ni24Mn8Al17;晶界富錳成分(at.%)約為:Fe55Ni15Mn23Al7。 49 圖4.10 600℃恆溫處理後低倍率EDS分析:基地析出物其成分(at.%)約為:Fe56Ni14Mn23Al7。 49 圖4.11 鎳錳鋁合金鋼在1100℃固溶處理後的(a)與(b)不同倍率金相圖與(c)、(d) SEM-SEI影像的分析:由上述圖片得知晶界與晶粒內皆可初步觀察到析出物形成。 50 圖4.12合金鋼經固溶處理XRD分析,繞射峰群為單一FCC結構。 51 圖4.13 為鎳錳鋁合金鋼經固溶處理後TEM分析: (a)為基地組織擇區繞射圖(FCC,Z = 112),(b) 基地組織明野影像。 52 圖4.14 為合金鋼經固溶處理後,以1000℃恆溫處理持溫100小時的OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下之金相圖。(c)與(d)則為低倍率與高倍率下SEM影像。 53 圖4.15 合金鋼固溶處理後經1000℃恆溫處理試片之XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 54 圖4.16 為鐵鎳錳鋁合金經1000℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為基地B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=011)與基地B2晶粒明視野影像;(c)與(d)為基地B2晶粒低倍率與高倍率下之暗視野影像。 55 圖4.17 為合金鋼經950℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖;(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 56 圖4.18 合金鋼固溶處理後經950℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 57 圖4.19 為合金鋼經900℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖;(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 58 圖4.20 合金鋼固溶處理後經900℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 59 圖4.21為鐵鎳錳鋁合金經900℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為材料基地擇區繞射圖(FCC,Z=001)與基地明視野影像;(c)與(d)為基地B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=001)與B2晶粒明視野影像。 60 圖4.21(續) (e)與(f)為基地析出物B2擇區繞射圖(B2,Z=011)與基地析出物明視野影像。(g)與(h)為基地B2晶粒圈選(100)超晶格點所獲得之低倍率與高倍率下之暗視野影像。 61 圖4.22 為鎳錳鋁合金鋼經900℃恆溫處理後STEM元素分析:(a)為B2晶粒暗視野影像,(b)至(e)分別為(b)鐵、(c)錳、(d)鎳、(e)鋁元素分析。 62 圖4.23 為鎳錳鋁合金鋼經900℃恆溫處理後STEM元素分析:(a)為B2晶粒內部高倍率暗視野影像,(b)至(e)分別為(b)鐵、(c)錳、(d)鎳、(e)鋁元素分析。 63 圖4.24 合金鋼經900℃恆溫處理後STEM元素分析:(a)為B2晶粒高倍率暗視野影像,(b)與(c)為B2晶粒內暗與亮區域之鋁元素分析。 64 圖4.25 為合金鋼經固溶處理後再經850℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖。(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 65 圖4.26 合金鋼固溶處理後經850℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 66 圖4.27 為合金鋼經固溶處理後再經800℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖。(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 67 圖4.28 合金鋼固溶處理後經800℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 68 圖4.29 為鐵鎳錳鋁合金經800℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為材料晶界B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=111)與晶界B2相明視野影像,(c)與(d)為晶界M3C碳化物擇區繞射圖(M3C,Z=100)與M3C碳化物明視野影像。 69 圖4.30 為鎳錳鋁合金鋼經800℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為合金基地B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=001)與基地B2相明視野影像,(c)與(d)為晶界M3C碳化物擇區繞射圖(M3C,Z=111)與M3C碳化物明視野影像。 70 圖4.31 為合金鋼經固溶處理後再經750℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖。(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 71 圖4.32 合金鋼固溶處理後經750℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 72 圖4.33 為合金鋼經固溶處理後再經700℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖,(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 73 圖4.34 合金鋼固溶處理後經700℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 74 圖4.35 為鐵鎳錳鋁合金經700℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為合金基地組織明視野影相與對應擇區繞射圖(γ,Z=011),(c)與(d)為晶界M3C碳化物擇區繞射圖(M3C,Z=100)與M3C碳化物明視野影像。 75 圖4.36 為合金鋼經固溶處理後再經650℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖,(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 76 圖4.37 合金鋼固溶處理後經650℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 77 圖4.38 為合金鋼經固溶處理後再經600℃恆溫處理100小時之OM與SEM-SEI分析:(a)與(b)為低倍率與高倍率下金相圖,(c)與(d)為低倍率及高倍率下SEM影像。 78 圖4.39 合金鋼固溶處理後經600℃恆溫恆溫處理XRD分析,其繞射峰群以FCC結構為主,另探測微量BCC訊號。 79 圖4.40 為鐵鎳錳鋁合金經600℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為材料晶界B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=011)與晶界明視野影像,(c)與(d)為晶界M3C碳化物擇區繞射圖(M3C,Z=010)與M3C碳化物明視野影像。 80 圖4.41 為鎳錳鋁合金鋼經600℃恆溫處理後TEM分析:(a)與(b)為合金基地B2晶粒擇區繞射圖(B2,Z=001)與基地析出物明視野影像,(c)與(d)為基地析出M3C碳化物擇區繞射圖(M3C,Z=110)與M3C碳化物明視野影像。 81 圖4.42為經600℃恆溫處理後TEM分析:圖(a)為基地析出物B2明視野影像,(b)、(c)與(d)為基地B2晶粒低倍率到高倍率下之暗視野影像。 82 圖4.43 為鐵鎳錳鋁合金經600℃恆溫處理後STEM元素掃描分析:(a)為晶界析出物暗視野影像,(b)至(f)分別為晶界(b)鐵、(c)錳、(d)鎳、(e)鋁、(f)碳等元素分析。 83 圖4.44 為鐵鎳錳鋁合金經600℃恆溫處理後STEM元素掃描分析:(a)為基地析出物暗視野影像,(b)至(f)分別為晶界(b)鐵、(c)錳、(d)鎳、(e)鋁、(f)碳等元素分析。 84 圖4.45 為鎳錳鋁合金鋼經恆溫處理後合金組織內BCC晶粒於高溫冷卻過程中經Spinodal Decomposition相分離與Ordering Reaction序化反應生成BCC與B2相組成晶粒示意圖。 85 圖4.46 為鐵鎳錳鋁合金經1000℃-20h、900℃-20h、600℃-20h及900℃-20h+500℃-5h恆溫處理後水淬之TEM暗視野影像對比:(a)為B2晶粒DF-高倍率(1000℃),(b)為B2晶粒DF-高倍率(900℃),(c)為B2晶粒DF-高倍率(600℃),(d)為B2晶粒DF-高倍率(900℃-20h再施以500 ℃-5h)。 86   表目錄 表4-1鐵鎳錳鋁合金鋼於低溫恆溫處理各溫度區間之析出物分析 44

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    無法下載圖示 全文公開日期 2026/02/13 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 2028/02/13 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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