Try   HackMD

[工材]第五週筆記

Plastic Deformation

這裡是上週複習

  • slip and twin
  • Dislocation Theory
    types:
    • edge dislocation : b 垂直 t
    • screw dislocation : b 平行 t
      mixed dislocation

Dialocation的來源至少有二:首先,結晶時就有可能會產生有洞的晶者是晶界間本身就很格;另外,晶界之間本來就很難形成完整的密合,也會形成插排。

  • Burges Vector

  • dislocation source and its multiplication: Frank-Read Source

  • Frank Read Source

這裡開是本週上課內容

Work Hardening(加工硬化)

  • 與Dislocation的pile up有關
  • 多晶體之晶粒對變形影響
  • Hole-Petch Equation

可以想想材料力學影片那邊,拉伸試驗的曲線。拉到一定程度的時候就會進入塑性變形,材質就會變得比較脆。金屬的加工不外乎拉、擠、壓,所以加工的過程中,變形越多,金屬越脆,這就是所謂的「加工硬化」。

Dislocation Pileup

在「插排理論」的解釋之中,成因為因為不同方向的插排在滑動時,如果接觸到方向不同的插排,就會「卡在一起」,然後彼此動彈不得,只好堆在撞車的地方就像連環車禍一樣。

金屬的滑動通常會在晶界卡住(一般的用語是「晶界能量比較高」,因為需要比較多能量去穿越他)。卡住還不說,晶界彼此之間的滑動方向也可能不同,如果相鄰的晶粒滑動方向不同,那也沒辦法順利滑過去,插排也會堆積。

Hall-Petch Equation

所以說,如果要讓金屬變硬,也就是要減少滑動的順暢程度,也就是要讓晶粒盡可能小,這樣一來原子面的滑動就很容易受到阻礙,而很難形變。因此有了Hall-Petch Equation:

\[σ_{y}=σ_{0}+kd^{−\frac{1}{2}}\]
其中\(σ_{y}\)是降伏強度,d是晶粒大小。也就是經驗上來說,晶粒越少,材料強度就越高。

不過沒圖沒真相,所以下面就附個圖。單晶與多晶的強度比較:

單晶如下:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

多晶如下:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

可以發現多晶的應力,最低也有10左右,但是單晶拉到最大的硬度連5都不到。這就是晶粒大小對強度的影響。

回到正題,加工硬化的微觀過程大致上是像下面這樣:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

拉到一定程的的時後,開始出現滑動(b),接著連比較不容易滑動的滑動面也因為受力開始滑動©,晶粒開始變型(或說「轉向」),最後全部成為纖維化組織。

退火及再結晶

加工之後,晶格形狀被扭曲的很嚴重,所以除非整個破壞,不然很難再移動原子,巨觀來說就是材料在加工過程容易變脆。這時突然想到一件事:那可不可以把它加熱,讓原子間稍微可以自由活動,然後他們就會自動往應力比較小的地方跑,最後金屬內部的應力就可以消除了?

答案是肯定的,這個過程就叫「退火」

退火的意思是,把加工硬化的金屬加熱,讓金屬原子可以自由移動,本來內很緊繃的原子,可以自由活動後,就不會那麼緊繃了。退火大概分成兩個階段:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

  1. Recovery

    這時候溫度高到使原子可以往鄰近的地方排好,因此插排與空洞就有機會消失,位置很奇怪的原子也可以順離回到該去的地方。 另外,插排的行為其實很像泡泡,所以一旦讓金屬變得稍微鬆軟,泡泡就容易聚在一起,也就是插排會有再排列的現象。

    因為這時原子只是移動到鄰近處,所以位能釋放幅度較小。由上圖可以觀察得到。

  2. Recrystalizatopn

    當能量繼續變高,原子就可以做更大幅度的擴散。既然都可以跑這麼遠了去擴散,那幹嘛不直接形成新的結晶呢?嗯然後他就乖乖聽妳的話跑去結晶了。

    再結晶顧名思義,就是原子重新結晶。因為溫度夠高,可以讓原子更自由地移動,因此重新形成結晶也不是什麼問題了。這時候是工程師很重要的一環,還記得「晶粒越小,材料越強」嗎? 這時候就是控制晶粒大小、材料強度的好時機。

    再結晶開始發生的溫度叫再結晶溫度。再結晶溫度會受到一些變數影響,比如說:

    1. 加工量:加工量越大,需要的再結晶溫度越低,產生再結晶的晶粒越小。這其實很好懂,想像一下你把一個彈簧拉越緊,那他應該越容易彈回去。

      Image Not Showing Possible Reasons
      • The image file may be corrupted
      • The server hosting the image is unavailable
      • The image path is incorrect
      • The image format is not supported
      Learn More →

    所以其實加工量也不能太小。因為加工量太小,就沒辦法形成小的再結晶。材料性質就變弱了。

    1. 時間、溫度
      有一個經驗法則是:再結晶溫度大約是熔點的0.3 ~ 0.6:

\[Tr=0.3Tm - 0.6Tm\]
以鐵為例,綜合來說,可以用下圖表示:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

註:再結晶大致上依照某種擴散定律。作業有相關的練習。不過大致來說:

\[ln(t)=C+B/T\]
其中t是時間,T是溫度,V, B是常數。

Mechanical Properties of Materials

先看看金屬的一些常見性質:

物理性質:

  1. 比重:比如說想要把東西做得很輕量,就需要用到比重。

  2. 比熱

  3. 膨脹係數:比如說要做模具,就很要注意熱膨脹。不然上模對不起下模就尷尬惹。

  4. 導熱度、電倒

化學性質:

  1. 金屬離子化、腐蝕:比較少見。可能防鏽會需要吧?

  2. 高溫氧化:很重要,比如說做熱處理的時候。

但是,最重要的,是材料的機械性質:強度、韌性、剛性等等。因為來設計不同用途的機械時,就需要針對不同狀況,選擇合適的材料。

不過俗話說的好,量出來的東西才有意義。所以就要先看一下各種機械性質是怎麼量測的。他們分別有:

拉伸試驗(Tensile Test)

試用一種叫「萬能試驗機」的東西來測一個標準試片。以前是用機械連動指針,現在都是數位化的東西了。可以去看Coursera台大材料力學的影片,裡面有很詳細的說明!

Tensile Test最白話的講法就是拉一塊特定規格的試片,然後冷血地記下把它拉斷的過程:

Image Not Showing Possible Reasons
  • The image file may be corrupted
  • The server hosting the image is unavailable
  • The image path is incorrect
  • The image format is not supported
Learn More →

這整個試驗自己去看Coursera影片~~裡面講得超級超級清楚。

硬度測試(Hardeness Test)

  1. Brinell Hardness:\(HB\),\(H_{b}\)
    用一個標準鋼球(通常是3,000公斤或500公斤),去壓試片。壓完之後會留下一個凹痕,像這樣:

    Image Not Showing Possible Reasons
    • The image file may be corrupted
    • The server hosting the image is unavailable
    • The image path is incorrect
    • The image format is not supported
    Learn More →

    算完之後,帶入公式:
    \[\frac {2P}{πD(D−\sqrt{D^2−d^2})}\]
    就可以求得。不過這個計算很麻煩,所以通常會建好表。壓完之後直接查表,就可以了。

    測試過程有不同的規格,通常用「鋼球直徑mm/重量/秒」來簡記。比如說10/3000/30表示鋼球直徑10mm, 荷重3,000公斤, 壓30秒。荷重越重一般來說會越準,但是有的材料比如說薄板不適合用太重的荷重。

    Brinell是很暴力的測法,會把東西壓爛才測得出數據。好處是像鑄鐵這種很不均勻的東西,他也可以給出合理的值,不會因為外硬內軟就誤判。不過,壞處就是他會把東西留下陰影凹痕。

  2. Rockwell Hardness:\(HRC\), \(HR_{c}\)

    Brinell硬度雖然好,但是每次測試都需要大費周章。在以前美國汽車業剛開始發達的時代,為了在生產線上做品管,不可能使用Brinell測試。於是Rockwell Hardeness就被發明了~

    Rockwell 測試過程如下:

    因為表面不純,所以先用一個小荷重預壓,得到深度\(t_{1}\)
    接著才是真正的開始。在小荷重上加一個大荷重一段時間,再把大荷重移開。看看大荷重留下的深度h為多少(單位是用0.002mm)。
    得到h之後,依照頭是鑽石或鋼球,硬度分別規定為:

    \[HRC=100−500h\]
    \[HRB=130−500h\]
    不過有很多種荷重跟不同的標準。用來壓試片的頭,也可以是金剛石,或是 1″16\(ϕ\)鋼珠等等規格。

    幾乎是使用最廣泛的測試,而且可以針對不同需求調整不同荷重。

  3. Vickers Hardness:\(HV\), \(H_{V}\)

  4. Shore Hardness:\(HS\), \(H_{S}\)