中興大學先進材料研究群 金屬材料 吳威德 國立中興大學材料工程與科學系. 中興大學先進材料研究群 重量輕（比重約 2.7 g/cm 3 ） 塑性加工性良好（富延展性） 熱傳導度高 極具美觀之條件 添加其他合金元素可有優異的機械性質表現 使用範圍廣泛 鋁合金材料特性簡介.

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1 中興大學先進材料研究群 金屬材料 吳威德 國立中興大學材料工程與科學系

2 中興大學先進材料研究群 重量輕（比重約 2.7 g/cm 3 ） 塑性加工性良好（富延展性） 熱傳導度高 極具美觀之條件 添加其他合金元素可有優異的機械性質表現 使用範圍廣泛 鋁合金材料特性簡介

3 中興大學先進材料研究群 面心立方晶格（ FCC ） 高純度鋁熔點約 660.2 ℃ 導電率高 量輕 富延性 容易製程各種板、管、線、箔等製品 物理性質

4 中興大學先進材料研究群 鋁合金的基礎分類 Al Cord ： (Aluminum Company of America) ， JIS ， DIN ， BS 等 A.A. 代號用四位數字表示 1XXX 純鋁系 99.00% 以上 6XXX Al-Mg-Si 合金 2XXX Al-Cu 合金 7XXX Al-Zn 合金 3XXX Al-Mn 合金 8XXX 前代號以外之系統 4XXX Al-Si 合金 9XXX 備用 5XXX Al-Mg 合金

5 中興大學先進材料研究群 鋁擠型產品熱處理 (I) 基本 符號 定 義說 明 F 製造後之原狀態者未經加工硬化或熱處理等特別調質而僅經由製 造過程所得者。 O 退火後之狀態增加延展性及形狀穩定性而加以退火者。 H 經加工硬化者無論有否另加速熱處理使其得適度之硬度，經 加工硬化而增加強度者。 W 經固溶化熱處理者此調質度僅適用於固溶化熱處理後立即自然時 效者，且僅規定時效之時間，如 W1/2hr T 經熱處理使其成為 F 、 O 、 H 以外之穩 定調質度者 不管有無加工硬化，為使其得穩定調質度而加 以熱處理者。 調質符號基本定義

6 中興大學先進材料研究群 鋁合金熱處理 T 代號可系分類： T 1 從較高溫之成形加鑄造、擠形等過程中冷卻下來並自然時效。 T 2 從較高溫之成形施以冷加工並自然時效。 T 3 固溶體處理後，冷加工並自然時效 。 T 4 固溶體處理後，直接自然時效。 T 5 輕較高溫度成形施以人工時效。 T 6 固溶處理後人工時效。 T 7 固溶處理後人工時效至過時效狀態。 T 8 固溶體處理後，冷加工並人工時效 。 T 9 固溶體處理後人工時效並冷加工。 T 10 較高溫之成形施以冷加工並人工時效。 TX 51 固溶體處理後用伸張的方法消除內部應力。 TX 52 固溶體處理後用壓縮的方法消除內部應力。 TX 53 用伸張及壓縮的方法消除內部應力。

7 中興大學先進材料研究群 鋁擠型工件之陽極處理 一般鋁合金很容易氧化，氧化層雖有一定鈍化作用，但長期曝露 之結果，氧化層仍會剝落，喪失保護作用，因此陽極處理的目的 即利用其易氧化之特性，藉電化學方法控制氧化層之生成，利用 陽極電流強迫其繼續氧化，以增厚此保護膜。以防止鋁材進一步 氧化，同時增加表面的機械性質。此項技術主要應用於鋁合金材 料。

8 中興大學先進材料研究群 陽極處理流程

9 中興大學先進材料研究群 工業純鋁在完全退火的情況下是很軟的（約 50 MPa ）， 但是可通過合金化及其他強化方法，使其強度提高到適合 預定目標的水平。 1. 固溶強化 2. 加工硬化 3. 析出強化 鋁合金的強化

10 中興大學先進材料研究群 鋁合金的時效 若把 A l – C u 合金加熱到高溫 ( 4 5 0 ~ 5 2 0 ℃ ) 使 A l 溶較多量的 C u 後， 從這溫度急冷而得過飽和固溶體的熱處理叫做固溶化處理或溶解處理。 過飽和固溶體在室溫，也會慢慢發 生上述的強化現象。這種自然的強 化現象叫做自然時效。假如把溫度 提高至 1 6 0 ℃左右時，可以促進這 種作用加速進行，這叫做人工時效。 又這種強化 ( 或硬化 ) 現象，通常叫 做時效硬化。

11 中興大學先進材料研究群 鋁合金的析出強化 鋁合金有許多重要的性能，如強度、韌性、潛變和應力腐蝕斷 裂等受第二相析出粒子的影響很大。對一合金而言，析出強化 所需的基本條件是一種或多種合金元素的溶解度隨溫度的降低 而減小。 熱處理順序： 1. 在單相區進行固溶處理 2. 快速冷卻 3. 控制過飽和固溶體的分解從而形成細小合適的析出相。

12 中興大學先進材料研究群 ( a ) 的狀態是因為 A l 固溶 C u ，所以可以增加強度。 ( b ) 的狀態因為 C u 原子局部集中在 A l 格子內，所以這部份的結晶格子受 到很大的畸變，而產生很大的內部應力。這種格子的畸變會妨害結晶格 子面上的原子之滑動，所以 ( b ) 狀態的強度、硬度會比 ( a ) 狀態的大。 ( c ) 狀態是安定的，所以內部應力比 ( b ) 狀態低，其強度不高。

13 中興大學先進材料研究群 過飽和固溶體的分解是一個複雜的過程，它包括幾個階段， 典型的分解過程是： GP 區 ＝＞ 中間析出相 ＝＞相平衡 GP 區：是共格、有序、富溶質的原子團簇，常常在一個或 幾個原子面上形成。 鋁合金的析出 G P [Ι] 帶：在鋁母相的 { １００ } 面上集合５０個左右的銅原子而形 成板狀薄層者。厚度大約數原子程 度，長１００ Å 左右。 G P [ Π ] 帶：也叫做 θ” 相，厚約 １００ Å ，直徑約１５００ Å 。 Θ 相：最後安定相 C u A l 2 ，形成 Θ 的階段材料會軟化。

14 中興大學先進材料研究群 析出組織和細晶超塑性 超塑性： 晶粒直徑為微米級的細晶材料。 發生超塑性流變（晶界滑動）的溫度範圍內 對晶粒迅速粗化是不敏感的。 通常超塑鋁合金具有共晶或共析成分，因為 細小而又分離的兩相晶粒的存在限制了再結 晶和晶粒長大。

15 中興大學先進材料研究群 圖為 Al–Mg–Sc–Zr 合金 之拉伸試片，在 773K 拉 斷後之外觀：最上層試 片為標準片。

16 中興大學先進材料研究群 鎂及其合金的基本特性 礦石主要有菱鎂礦海中含有 0.13 ％ Mg 鎂及其合金是 HCP 構造，常溫加工非常困難，溫度稍 高就會就容易加工 在空氣中加熱，鎂會快速氧化 ，粉末狀的鎂易自燃

17 中興大學先進材料研究群

18 鎂合金的優點 1. 鎂合金作為一種輕質金屬結構材料, 其比重僅為 1.7, 是 鋁合金的 2/ 3, 鋼的 1/ 4 。 2. 鎂合金具有良好的抗衝擊性, 是塑料的 20 倍 ; 擁有優良 的尺寸穩定性與良好的能量吸震性。 3. 鎂合金的傳熱和熱膨脹係數較大, 彈性模量在常用金 屬中是最低的。 4. 鎂合金具有良好的可回收性能, 鎂合金廢料回收利用 率高達 85 % 以上。

19 中興大學先進材料研究群 鎂合金的優點 鎂合金是常用金屬中容易加工的材料, 具有比鋁合金及 鋼的切削阻力小、機械加工速度快、刀具使用壽命長 等優點。 鎂合金還具有良好的焊接性能, 焊接接頭的強度約為其 自身強度的 95 %, 可以製造複雜結構零件。 良好的耐蝕性在大氣中, 鎂具有很好的耐蝕性, 比鐵的 耐蝕性好。

20 中興大學先進材料研究群 鎂合金代號 鎂合金的代號是採用 2 個字母及 2 個數字的表示法 每個字母係代表一個主要元素，並依含量高低順序 排列先後 數字則對應表示該元素的百分比 數字後再加上 A/B/C/D/E 表示純度 A Z 9 1 D 鋁 Al-9% 鋅 Zn-1% 高純度

21 中興大學先進材料研究群

22 鋁：增加機械強度、抗蝕性和流動性 鋅：增加強度及抗腐蝕性 錳：提高耐蝕性 (0.2wt%) 鋯：晶粒細化 鋰：時具有體心結構轉變 (5.7wt%) 鈹：提高耐燃性 ( 極微量 ) 稀土元素：提高耐熱性 合金元素影響

23 中興大學先進材料研究群

24 鎳和鎳合金 超合金：在高溫能維持很好強度， Fe- 、 Co- 、 Ni- 基。 以 N i 為主要成分的合金有 N i–C u 系， N i-F e 系， N i–M o 系等合金。 N i–C u 合金當中，蒙納合金是重要的一種。呈銀白 色，耐蝕性優良，在常溫、高溫都有很好的機械性 質，質強韌。

25 中興大學先進材料研究群

26 鎳基超合金的晶體結構主要為高溫穩定性之面心立方 體 (FCC) 基地，為了提高其耐熱性質會添加大量的合 金元素，而這些元素會形成各種二次相，也由於大量 的二次相析出，鎳基超合金的強度進而可以加以提升。 其中二次相的種類有 MC 、 M23C6 、 M6C 、 M7C3 析出 物以及在 Ni 基中的 γ’ 析出物。 γ’ 相是一種整合性的析出 物，其化學組成大致是 Ni3(Al,Ti) ， γ’ 相在高溫下非常 穩定，藉由此相的強化，可得到優良的潛變破壞強度。

27 中興大學先進材料研究群 鎳基超合金主要由 γ 相 ( 連續的 FCC 基地 ) 、 γ’ 相 ( 主要 的析出相 ) 、 carbide( 主要為 MC 、 M23C6) 所組成。