# [工材] 第十五週筆記
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* 純鋁
* 物理、機械性質
* 耐蝕性
* 陽極處理:人工$Al_{2}O_{3}$
* 用途
* 合金及種類
* 鋁合金及種類
* 鑄造用/鍛造用:
* 非熱處理型
* 熱處理型
* 鋁合金之命名:
* 鍛造用:XXXX四碼
* 鑄造用:XXX三碼
* 鋁合金的熱處理:
* 鋁合金平衡圖之特性
* 固溶化處理(solid solution treatment)
* 時效(aging), 時效硬化(aging hardening)
* 時效硬化的原因
* 過飽和固溶體->GP[I] zone->GP[II] zone->$\theta'$->$\theta$
* 鑄造用鋁合金
* 鍛造用鋁合金
* 不需要熱處理:
* Al-Mn:易開罐,5XXX
* Al-Mg:易開罐,5XXX
* Al-Mg-Si:擠製材(6XXX)
* 需要熱處理:
* Al-Cu:2XXX, $\theta$相時效硬化
* Al-Cu-Mg:2XXX, 杜拉鋁
* 2014(X) $\theta$
* 2017$\theta$, $Mg_{2}Si$
* 2024$Si$低, $\theta$, $Al_{2}CuMg$
* Al-Zn-Mg:7XXX, $MgZn_{2}$
* 耐熱:2XXX, 7XXX
-->
鋁及鋁合金
* 純鋁:alumite(陽極處理)
* 鋁合金的種類:
* 鍛造用、鑄造用
* 非熱處理型、熱處理型
* 鋁合金之命名法
* 鋁合金之熱處理
* 固溶化處理、時效
* 以Al-Cu為例:過飽和$\alpha->GP[I]->GP[II] (\theta'')->\theta'->\theta$
* 時效硬化(應變硬化)
* 鑄造用鋁合金:
* Al-Si合金:Silumin(普通組織、改良合金)
* Al-Si-Mg合金:356、A356之鋁鋼圈
* 鍛造用鋁合金:Al-Mn, Al-Mg等(易開罐)
* AL-Cu-Mg:杜拉鋁(2017)、超級杜拉鋁(2024)($\theta$、$Mg_{2}Si_{}$、$Al_{2}CuMg$)
* Al-Zn-Mg:特超級杜拉鋁(7075)($MgZn_{2}$)
* Al-Mg-Si:擠製材(6XXX)
* 鋁夾板(Alclad)
# 鋁及鋁合金
輕金屬常用的大概有3種:$Ti$(4.7), $Al$(2.7), $Mg$(1.7)。
常常用在輕量化上面,比如說飛機,機翼面積增大有助於升力,但是又不能太重,這時候就會用到鋁了。
![](https://i.imgur.com/4Ortafc.png)
![](https://i.imgur.com/izDtDDB.png)
> 對於一般的酸還行,但是對鹽酸不行。對鹼也不行(高中有背過嘛)。另外,純度越好的,強度會越低,對機械工程越不利。
![](https://i.imgur.com/OZGAITd.png)
> 這就是「陽極處理」。不是只有純鋁,所有的鋁合金都要經過陽極處理再拿來賣。
再來看看物理性質:
![](https://i.imgur.com/JBEu6Mg.png)
![](https://i.imgur.com/kivIuB1.png)
電阻很低。雖然沒有銅那麼低,但是把截面積加大就可以抵消這個壞處。不過抗拉強度很低,所以需要額外的手段強化。
種類:
![](https://i.imgur.com/4RoO1oQ.png)
非熱處理型比如說用來做鋁罐的鋁,做出來之後就是直接拿去沖壓,頂多就是退火一下。
鍛造用都是三碼,鑄造用都是四碼。
鍛造用:2XXX做航太用途、6XXX用來擠製,比如說黑板的把手。
![](https://i.imgur.com/G7MtiOP.png)
## 鋁合金的熱處理
### 鋁合金平衡圖之特性
![](https://i.imgur.com/wFBLoaa.png)
### 固溶化處理
把銅含量 < 5.7%的合金加熱至500多度左右,然後冷卻。這時候會有兩種狀況:
* 在慢冷之下,會得到$\theta$(就是$CuAl_{2}$)相跟$\alpha相$
* 如果是直接淬火,這樣就不會有時間給二次晶出現,而是變成過飽和的固溶體。
第一個過程出來的東西是這樣:
![](https://i.imgur.com/KJeWNtM.png)
是個「正方晶」。可以發現這裡面的$\theta$相根本就像雜質,所以他的強度很低一點也不EY。
第二個過程出來的東西長這樣:
![](https://i.imgur.com/iluuySj.png)
如果把上面兩種方法的強度畫出來,會得到這樣的結果:
![](https://i.imgur.com/I1Seb0P.png)
> 然後就發現明明只要畫兩條,為什麼上面會有第三條,而且硬度還更高?那一條其實是接下來要講的時效硬化,不過我懶得把他去掉,所以只好讓他破梗吧~
可以知道「固溶」確實會讓東西變硬:
![](https://i.imgur.com/XvY4ac9.png)
### 時效(aging), 時效硬化(aging hardening)
可是剛剛都破梗知道有更硬的東西了,所以就知道固溶之外,應該還會有更優化的做法。答案也確實是這樣。
稍微想一下,從第一個變成第二個的過程中,會經過這個狀態:
![](https://i.imgur.com/dwY7v3U.png)
其實這個就是要成為第一條曲線的中間狀態,跟第一條曲線不一樣的是他的原子中到處都是扭曲,所以能夠有效阻擋插排,強度就變高了。
另外可以發現,這個東西因為晶格中間應該會有很大的硬力,因為扭曲的很厲害;但是又不像第一種狀態,完全分離成兩相。所以這個東西的硬度應該會比上面兩個都高。這就是第三條曲線的由來:
![](https://i.imgur.com/bDy5DrQ.png)
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雖然固溶化處理硬度使合金顯著的提升,但「過飽和」並不是一個穩定的相。所以就要一些特殊的處理來讓他比較安定,於是就想到可以用類似退火的過程。不過,如果退火時間太長,就會完全變成$\alpha$與$\theta$相,硬度就不會提升了。所以要在完全分離成$\theta$跟$\alpha$之前就停止。
-->
所以要得到最優硬度的方法既不是完全讓他分離成兩相,也不是完全產生過飽和固溶,而是要++得到兩個極端中間的狀態,然後讓他保持在這個狀態++。這就是++時效硬化++的精神!
### 時效硬化的原因
要知道怎麼讓這件事發生,先要知道過飽和固溶體完全析出,變成$\alpha + \theta$態的過程是怎樣,這樣才知道要在那個階段叫他停嘛。
整個過程如下:
$$過飽和固溶體->GP[I] zone->GP[II] zone->\theta'->\theta$$
而每個階段相關的說明在下面:
![](https://i.imgur.com/AYlkUY7.png)
![](https://i.imgur.com/Zw71Emc.png)
![](https://i.imgur.com/tagSvOI.png)
![](https://i.imgur.com/b8Toe3a.png)
![](https://i.imgur.com/14NrUcu.png)
![](https://i.imgur.com/2Ybq5v6.png)
(恭喜看完。我好懶得打)
剛剛說過:從過飽和固溶體到完全分離兩項的過程中,會產生硬度比較高的中間狀態。如果讓合金保持在這種硬度比較高的狀態,就可以讓硬度提升。
至於那個「中間狀態」到底是上面哪一個階段呢?答案是++GP[II]++。那為什麼GP[II]可以有這種效果?這就跟++晶格尺寸++有關係了:
![](https://i.imgur.com/NDrDBX2.png)
在GP[II]的時候,兩個相的晶格尺寸分別是:
* $\theta''$相:4X4X7.8
* $\alpha$相:4X4X4,
這++兩者在彼此稍微變形一點點的狀況下,剛好可以對齊(叫做「整合性(coherence)」)++。在這個過程中,晶格就會產生很大的應力,所以就會變硬(就是剛剛的(b)圖)。
一直到了$\theta'$相時,就在就只有底面可以對齊,所以就失去了部分的應變硬化能力,所以就變軟了。
所以現在我們知道要怎麼得到最優的硬度了:++在過飽和鋁完全析出之前,經過GP[II] zone的時候,把他冷卻下去,讓鋁合金保留在GP[II]狀態,這樣因為「整合性」產生的「應變硬化」就會讓硬度最高++。
這個就是鋁合金的「時效硬化」。接下來各種合金大多都是用這個原理去強化。
## 鑄造用鋁合金
![](https://i.imgur.com/1oIyxJE.png)
![](https://i.imgur.com/BMm7O3v.png)
![](https://i.imgur.com/kIu2zL3.png)
大部分是T6, T7。這邊吳有特別提到:
* $Al-Si-Mg$合金:356、A356之鋁鋼圈
### Al-Si合金:Silumin
![](https://i.imgur.com/DIKkHtW.png)
因為++矽的固溶量很小,所以Al-Si系的不會做時效硬化++。因為都不會固溶,所以出來之後的組織像這樣:
![](https://i.imgur.com/YRGro8S.png)
所以這個東西很脆。所以需要一些改良(就像球狀石墨那樣):
![](https://i.imgur.com/pyCQqX9.png)
最後就會得到如下的結構:
![](https://i.imgur.com/fw5IHIi.png)
彼此之間物理性質的比較:
![](https://i.imgur.com/GPkHiI8.png)
### 壓鑄用鋁合金
![](https://i.imgur.com/zMKMHB7.png)
## 鍛造用鋁合金
### 不需要熱處理
比如說像易開罐這種用途,打一下就成形,頂多拿去做個退火。常用的有:
* Al-Mn:易開罐,5XXX
* Al-Mg:易開罐,5XXX
* Al-Mg-Si:擠製材(6XXX)
### 需要熱處理
代表性就是杜拉鋁、超級杜拉鋁、特超級杜拉鋁等等
* Al-Cu-Mg:杜拉鋁(2017)/超級杜拉鋁(2024)
![](https://i.imgur.com/VCLhyCl.png)
![](https://i.imgur.com/U8Anz7Y.png)
* Al-Zn-Mg:特超級杜拉鋁(7075)
![](https://i.imgur.com/3ht459G.png)
> 以下是上堂複習
鋁及鋁合金
* 純鋁:alumite(陽極處理)
* 鋁合金的種類:
* 鍛造用、鑄造用
* 非熱處理型、熱處理型
* 鋁合金之命名法
* 鋁合金之熱處理
* 固溶化處理、時效
* 以Al-Cu為例:過飽和$\alpha->GP[I]->GP[II] (\theta'')->\theta'->\theta$
* 時效硬化(應變硬化)
* 鑄造用鋁合金:
* Al-Si合金:Silumin(普通組織、改良合金)
* Al-SI-Mg合音:356、A356之鋁鋼圈
* 鍛造用鋁合金:Al-Mn, Al-Mg等(易開罐)
* AL-Cu-Mg:杜拉鋁(2017)、超級杜拉鋁(2024)($\theta$、$Mg_{2}Si_{}$、$Al_{2}CuMg$)
* Al-Zn-Mg:特超級杜拉鋁(7075)($MgZn_{2}$)
* Al-Mg-Si:擠製材(6XXX)
* 鋁夾板(Alclad)
> 以下是本節內容
# 鎂及鎂合金
![](https://i.imgur.com/uDl6x3Q.png)
![](https://i.imgur.com/EpfqM5n.png)
是HCP構造,整體來說是個不好加工的材料,所以鎂鍛造材比較貴,鑄造才比較便宜。抗拉強度8.4,比鋁還高,強度算是不錯。
常溫加工比較困難,但是提高到溫度時(350~450)便容易加工(但是成本就相對增加)。
![](https://i.imgur.com/2wOug2M.png)
![](https://i.imgur.com/PYZtyq1.png)
通常都是$Mg-Al$ + 其他元素。
![](https://i.imgur.com/2H3G7JS.png)
![](https://i.imgur.com/aJwYteK.png)
> 規格看法是AZXX, 第一個X是鋁的%數,第二個%數是Sn的%數。0.5%會直接變成1。
相圖上來說,不動點反應一下去就沒有其他成分了,所以得到的鎂晶粒很大,所以需要一些方法讓晶粒微小化。
相圖可以發現$\alpha + \beta$處可以用時效硬化,產生$Al_{17}Mg_{2}$。但是時效硬化出來的東西是滿滿的大~平~板~,沒有Coherence的效應,所以時效硬化的能力很差。通常都是用固溶強化,或是直接把晶粒微細化,而不是用時效。
> 白話文:可以時效硬化,但是效果很差。
### 鑄造用鎂合金
$Mg-Zn-Zr$系。這裡加Zr可以微化晶粒,讓強度變高。注意Al系的鎂合金不能用Zr,因為Zr會優先與Al化合,結果兩個的效果都不見。
![](https://i.imgur.com/4QIHQc4.png)
![](https://i.imgur.com/SZgQCpT.png)
> 吳:他的強度居然可以超過32啊~~
相關的型號有:
![](https://i.imgur.com/3MsWGyx.png)
命名方法就是剛剛哪裡講到的。AZMK RE等等。另外那裡Q是銀的意思。
> ASTM是美規,JIS是日規。
> 鋁跟鋅加起來的比例建議不要超過10%
> ZK多用在高溫
> AZ31主要是考量加工容易
### 鍛造用鎂合金
![](https://i.imgur.com/d0I8lf1.png)
![](https://i.imgur.com/J5ayj9S.png)
![](https://i.imgur.com/zbpGK4l.png)
(這張圖的AZ80要改成AM80)
> AZ AM的差別是AZ得Zn比Mn稍多,AM的Mn比Zn稍多
鍛造要加到比較高的溫度才比較容易加工。
> 日本人很愛喝清酒,聽(conference的人)說喝酒的時候用這個杯子,鎂離子會跑進去,酒會變好喝。
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期末考複習~~~
回火:有3個過程~分別發生什麼事,還有microstructure
* 回火性能曲線
* 高溫回火脆性(&強韌鋼原理)
熱機處理:鋼琴線(cf:彈簧鋼) vs. Hadfied Steel
碳鋼:
* P造成的常溫脆性,S造成的高溫脆性,原因為何?
* 碳鋼的符號:最好被一下
* 鑄鋼要做正常化,為什麼?
* 固溶強化的原理
耐候鋼:添加成分?
低溫用鋼:添加成分?
易切鋼
熱處理用中合金鋼:全部都是重點
工具鋼:球化處理,為什麼,還有方法。要怎樣淬火得到最大的硬度
合金工具鋼:超級複雜又超級多。考過「SK2」是什麼東西。
SKD的D代表的意涵是什麼
高速鋼:全部都是重點
工具用硬質合金:什麼事stellite ? 什麼是燒結用硬質合金?
軸承用鋼:沒考過。不過吳覺得滿有趣的。
彈簧鋼:要跟前面的東西做比較
不鏽鋼:18-8鋼得粒間腐蝕,以及怎麼避免
析出硬化型不鏽鋼:原理是什麼?
201系高錳不鏽鋼
耐熱鋼:考過矽鋼片