報告人:謝岳宏 課堂教授:戴子堯 報告日期:2015/12/29 銅金合金冷加工退火硬化的研究 報告人:謝岳宏 課堂教授:戴子堯 報告日期:2015/12/29

目錄 1.前言 2.材料與方法 3.結果與討論 4.結論 3.1不同階段下熱機械處理的性質 3.2等時退火 3.3等溫退火 3.4退火硬化的機制 4.結論

1.前言 當某些銅基合金經過低溫退火(再結晶溫度之下)產生變形之後 將會硬化，這種硬化影響稱之為退火硬化。 當某些銅基合金經過低溫退火(再結晶溫度之下)產生變形之後 將會硬化，這種硬化影響稱之為退火硬化。 在過去1970年代起，主要針對二元銅基合金與鋁或鋅，進行 退火硬化的機制影響的研究。 根據許多其它實驗報告中顯示，溶質原子和晶格，以及差排 移動對退火硬化強度影響的相互作用，都已經得出了一些結 論。 本篇研究主要針對純銅與銅金合金進行各個階段的熱機械處 理期間的性質變化的比較並且觀察其硬度、微硬度、導電率 等性質討論。

2.材料與方法(1/2) 實驗步驟 試件分別為純銅與銅金合金(金含量12.7%) 純銅試件和銅金合金試件在電阻爐中800℃均質化維持兩天。 均質化後將試件切割成尺寸 30mm x 12mm x5mm。 試件隨後於500℃的管型爐中在高純度H2­環境中0.75小時。 隨後在冰水中淬火並於室溫下以滾軋機將淬火後的試件冷軋 60%。 冷軋後的試件進一步在電阻爐內進行退火處理(等時與等溫) 等時階段退火執行在溫度60℃至700℃持續30分鐘 等溫退火在250℃執行並且持續100小時。

2.材料與方法(2/2) 實驗量測 硬度與微硬度值根據ASTM E384的標準來進行測量。 硬度與微硬度分別使用維克式硬度計與微硬度計來量測。 導電率以Sigmatest 2.063 導電率測試儀來進行量測。 以XRD光譜鑑定與判定銅金合金前退火前後的晶格常數與相結 構。 使用TEM進行對試件的奈米結構分析。

3.結果與討論 3.1不同階段下熱機械處理的性質(1/3) 銅金合金的硬度和微硬度值比純銅的值高，這是由於固融的強化機制。 均質化 淬火 冷軋 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 銅金合金的硬度和微硬度值比純銅的值高，這是由於固融的強化機制。 金原子佔據了銅基質晶格的位置導致了母材的硬度以及微硬度值增加， 由於金的溶質原子的是導電載子的雜質，從而導致導電性的下降。

3.結果與討論 3.1不同階段下熱機械處理的性質(2/3) 純銅與銅金合金淬火後，機械性質與導電性均降低。 均質化 淬火 冷軋 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 純銅與銅金合金淬火後，機械性質與導電性均降低。 主因為淬火後，材料內部出現缺陷，因而產生內應力與畸變，導致機械 性質與導電率的降低。

3.結果與討論 3.1不同階段下熱機械處理的性質(3/3) 冷軋60%後產生了塑性變形促使了機械性質的增加。 均質化 淬火 冷軋 冷軋60%後產生了塑性變形促使了機械性質的增加。 主要原因是冷軋之後由於差排的形成，使得局部受到應變的影響，差排之間的相互作用形成了障礙並且導致了應變強化。 冷作會減少材料的導電性，但由於塑性變形時材料的密度增加了，以至於導電性的提升。

3.結果與討論 3.2等時退火(1/3) 圖1顯示出銅與銅合金的退火之硬度 162 153 圖1顯示出銅與銅合金的退火之硬度 再結晶400℃ 當冷加工銅金合金在範圍60℃至 400℃之間進行等時退火時，由 於退火硬化的關西，產生顯卓硬 化。 一次硬化在約60~150℃時發生。 二次硬化約為260℃時發生，達 到最大硬度值162。 退火硬化分為一次硬化與二次硬化。 一次硬化在低溫退火達200℃時發生，二次硬化約為200~400時發生。\ 銅基12.7金的合金化與退火硬化的影響使得銅金合金的再結晶溫度到達了400℃ 硬度 再結晶200℃ 60℃~700℃

3.結果與討論 3.2等時退火(2/3) 圖2顯示出銅與銅合金的退火之微硬度 兩個階段的冷加工銅金合金微硬度增加，近似於圖1中的硬度變化。 198 圖2顯示出銅與銅合金的退火之微硬度 192 兩個階段的冷加工銅金合金微硬度增加，近似於圖1中的硬度變化。 二次退火硬化後微硬度到達198 再結晶溫度也與圖1相同 再結晶400℃ 微硬度 再結晶200℃ 60℃~700℃

3.結果與討論 3.2等時退火(3/3) 圖3顯示了純銅與銅金合金的導電率。 量測顯示，與等時退火過程中兩階段相同，導電率也是如此。 銅金合金導電率由23.66增加至24.29。 在再結晶溫度過後，銅金合金的導電率持續上升。 主因為在結晶溫度之後的退火使材料內部缺陷減少了。 24.29 23.9 導電率 60℃~700℃

3.結果與討論 3.3等溫退火(1/3) 圖4為等溫退火於250℃執行1分鐘至100小時之硬度曲線 一次硬化156 二次硬化151(軟化) 透過長時間的退火以建立出退火時 軟化和再結晶所需要的時間。 當退火時間的增加，銅金合金的硬 度值也跟著增加了，發生了退火硬 化。 再退火100小時之後，銅金合金的硬度值仍然高於冷加工階段的硬度。 再結晶 硬度

3.結果與討論 3.3等溫退火(2/3) 圖4為等溫退火於250℃執行1分鐘至100小時之微硬度曲線 微硬度的時間曲線圖與圖4有相同的趨勢，具有兩個階段的硬化過程。 並且第一階段的硬化也高於第二階段。 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 微硬度

3.結果與討論 3.3等溫退火(3/3) 導電性增加的趨勢與退火時間增加有相同趨勢。 冷變形材料再退火過程中產生收縮，使材料的密度上升，如此一來便有助於導電性的增加。 由於再結晶與差排的消除，導電率於退火20分鐘後明顯增加。 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 導電率

3.結果與討論 3.4退火硬化的機制(1/3) 圖8:在260℃退火前後為30分鐘後冷加工的銅金合金的XRD圖。 兩個XRD圖的分析表明了: 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 兩個XRD圖的分析表明了: 退火前後的峰值一致，並沒有產生其他新的峰值，這表示退火過程中沒有發生相變化。

3.結果與討論 3.4退火硬化的機制(2/3) 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結 表2表明，銅金合金的晶格參數在260℃退火後下降是由於金原子從銅基中被釋出，從而導致在晶格參數的降低。

3.結果與討論 3.4退火硬化的機制(3/3) 從圖9b可以看出他的TEM圖出現了變形而在260℃退火之後恢復了原始排序(圖10b)。 圖9:銅金合金冷軋60% 圖10:銅金合金冷軋60%+260℃退火30min 從圖9b可以看出他的TEM圖出現了變形而在260℃退火之後恢復了原始排序(圖10b)。 證明材料於冷加工之後內部產生了差排或者內應力使結構產生改變。 粗糙表面和適當的孔洞經常被認為是有助於骨科植入材在人體內與骨組織的連結

4.結論(1/2) 根據冷加工退火硬化銅金合金的結果，得出了以下的結論。 在冷軋60%後，銅和銅金合金的硬化值,微硬度,導電性增加。 銅金合金冷軋60%後，顯示了明顯的硬化和導電性的增加， 這是由於在溫度在60℃和400℃的期間產生退火硬化的結果。 性能改善，等時退火期間實踐於兩個階段，並且在260度 ~280度產生二次硬化，實現性質的最佳結合點。 透過冷加工銅金合金250℃的等時退火進一步實現，兩階段的 硬化並使導電性增加。

4.結論(2/2) 從XRD表2得知冷加工銅金合金的晶格常數在260℃退火之後明 顯的減少，確定了金原子從銅基質退火期間解離。 在TEM微結構中，冷加工銅金合金在260度C退火之後，沒有 觀察到析出物。 大量的性質在冷軋60%後改善，如硬度、微硬度與導電性等 都有很大的改善。

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