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研究生: 曾建豪
Tseng, Chien-Hou
論文名稱: 電鍍鋅10B21低碳鋼螺絲之氫脆破壞特性探討
Studies on Hydrogen Embrittlement of 10B21 Low Carbon Steel Screw Electro-plated with Zinc
指導教授: 呂傳盛
Lui, Truan-Sheng
陳立輝
Chen, Li-Hui
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 氫脆電鍍烘烤淬火回火回火溫度
外文關鍵詞: hydrogen embrittlement, electroplating, baking, quench tempering, tempering temperature
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  • 螺絲經過鍍鋅處理後容易導入氫原子或氫離子,氫原子或氫離子會藉由擴散而從鍍鋅層進入工件內部,並在晶界處生成氫分子聚集,對材料造成脆性破壞,通常會在使用環境中一段時間後才會發生破壞,因此又稱為延遲破壞(delay fracture) 。本研究採用10B21低碳硼鋼進行淬火回火熱處理,探討其熱處理後顯微組織及機械強度,以及將其鍍鋅螺絲成品進行烘烤除氫與改變淬火回火條件探討對於常溫及低溫下抵抗氫脆的能力。
    經過淬火回火後之抗拉強度不論在260°C或320°C回火各30及 60分鐘都能夠高於1200MPa,顯微組織為回火麻田散體及細微雪明碳體中間夾雜再結晶肥粒體,較高溫回火可以觀察到類似塊狀的波來體結構。
    本研究用10B21低碳鋼做成鍍鋅螺絲會發生嚴重氫脆,因此選擇以烘烤除氫及改變微觀組織為主要方法去測試可否有效抵抗,實驗結果顯示於215˚C下烘烤能有助於將氫原子或氫離子排出工件外,烘烤8小時於常溫及低應力雖不會發生氫脆破壞,但卻無法在低溫及高應力下使用;16小時的烘烤在低溫及高應力下使用則有良好效果,但礙於成本考量有執行上的困難。因此又改變熱處理條件,發現如前述所提到的回火麻田散體及細微雪明碳體中間夾雜再結晶肥粒體組織能有效成為捕捉氫原子的氫陷阱(hydrogen trap),縱使QT260-30及QT320-30兩組回火條件的機械性質都是屬於氫脆高危險群(HRC≧32, Tensile strength ≧1250MPa),常溫使用下氫脆現象在回火溫度260˚C持續30分鐘還是會發生但機率很低,而在回火溫度320˚C持續30分鐘則完全沒有破壞現象,推測試前述高溫回火中的組織能有效捕捉氫離子使之不會對螺絲造成脆性破壞;低溫環境下(-15˚C、30 ˚C)改變熱處理條件之螺絲能完全抵抗氫脆。

    In this study, hydrogen was introduced into the screw through the process of electroplating, which made the HE fracture happened. To improve it, we used two methods including baking and increasing tempering temperature. 10B21 zinc-plating screw with quench tempering heat treatment(tempering condition: Austenitizing 950°C for 30minutes then water quenching, tempering 220°C for 60minutes then air cooling. ) was my as-received screws. In the first part, we baked screw at 215°C for 0, 8, 16hours and conducted hydrogen embrittlement test. In second part, we increasing tempering temperature including 260°C and 320°C for 30minutes then conducted hydrogen embrittlement test. The results of experiment of two methods improving the hydrogen embrittlement considerably. Baking efficiently drives out the hydrogen atoms and ions and increasing tempering time changes the microstructure of screws which increasing the hydrogen traps in the screws likes interphase of fine recrystallization ferrite (Sorbite) and lamellar cementite and the tempering carbide.

    總目錄 中文摘要……………………………………………………………….Ⅰ 英文延伸摘要………………………………………………..…………Ⅲ 致謝…………………………………………………………………… Ⅷ 總目錄……………………………………………………………….….Ⅹ 表目錄…………………………………………………………………XII 圖目錄………………………………………………………...…..….XIII 第一章 前言……………………………………………………………..1 第二章 文獻回顧………………………………………………………..3 2-1 螺絲產業及製程…………………………………………………...3 2-2 低碳鋼螺絲之淬火回火處理……………………………………...4 2-3 氫致破壞現象……………………………….…………...…….…..6 2-4 低溫對碳鋼材料及其發生氫脆破壞之影響….………….……….9 第三章 實驗方法與步驟………………………………………………19 3-1 研究方向及實驗流程………………………………………….…19 3-2 材料成份與試棒製備……………………………….……………19 3-3 A部分實驗……………….………………………………………19 3-3-1 熱處理………………………………………………………...19 3-3-2 OM、SEM金相及破斷面觀察……………………………...…20 3-3-3 XRD分析…………………………………………….………..20 3-3-4 SIMS分析……………………………………………….…….20 3-3-5 拉伸性質…………………………………………...…............20 3-4 B部分實驗……………………………………………….…….…21 3-4-1 As-received螺絲基本性質….…………………..…….……....21 3-4-2 SIMS……………..……………………………………..….......21 3-4-3 扭斷強度測試…………………………………….………......21 3-4-4 氫脆破壞測試.………………………………………….…….22 第四章 實驗結果與討論………………………………………………30 4-1 A部分實驗……….………………………………………………30 4-1-1 A材不同熱處理條件試片之微觀組織………………..……..30 4-1-2 A材不同熱處理條件試片之硬度及拉伸性質……………….31 4-2 B部分實驗……………..…………………………………………33 4-2-1 電鍍鋅螺絲基本性質………………………………...............33 4-2-2 烘烤時間及預先扭力對電鍍鋅螺絲氫脆及扭斷強度之影 響….………………………………………………….………..33 4-2-3 改變微觀組織對電鍍鋅螺絲氫脆及扭斷強度之影響……....35 第五章 結論…………………………………………………………....62 第六章 參考文獻…………………………………………………...….64 表目錄 表2-1 螺栓強度等級、適用鋼種及其製程(a)、(b)……………….....11 表3-1 本研究10B21低碳硼鋼之化學組成(wt. %)………………..…23 圖目錄 圖2-1 螺絲製作流程圖………………………………………………..12 圖2-2 碳鋼之降伏、抗拉強度及硬度隨碳含量不同而改變[2]…….13 圖2-3 碳鋼之延性及衝擊韌性隨碳含量不同而改變[2]…………….14 圖2-4 與10B21成份相近之1019等溫變態曲線[4]…………...…...15 圖2-5 鋼鐵材料添加錳、鉻、鎳及硼對硬度的影響[6]…………….16 圖2-6 氫脆發生示意圖[13]…………………………………………...17 圖2-7 Ⅰ與Ⅱ兩種型態之延脆轉換圖[19]…………………………...18 圖3-1 實驗流程圖A…………………………………………………..24 圖3-2 實驗流程圖B…………………………………………………..25 圖3-3 A材拉伸試棒尺寸示意圖……..………………………….…...26 圖3-4 B材螺絲成品尺寸示意圖……………………………………..27 圖3-5 中空套管示意圖……………….……………………………….27 圖3-6 扭斷及氫脆實驗模具組裝示意圖……………………….…….28 圖3-7 低溫氫脆實驗示意圖…………………………………….…….29 圖4-1 10B21低碳硼鋼經球化退火處理A材之OM金相圖……….37 圖4-2 Q950之(a) OM及(b) SEM微觀組織..………………………..38 圖4-3 A材經淬火及各種淬火回火熱處理後之XRD偵測結果…...39 圖4-4 QT260-30及QT260-60之(a)(b)OM照片及(c)(d)SEM照片 (下頁續)………………………………………………………...40 圖4-4 QT260-30及QT260-60之(a)(b)OM照片及(c)(d)SEM照片 (續前頁)…………………………………………………………41 圖4-5 QT320-30及QT320-60之(a)(b)OM照片及(c)(d)SEM照片 (下頁續)……………………………………………………...…42 圖4-5 QT320-30及QT320-60之(a)(b)OM照片及(c)(d)SEM照片 (續前頁)……………...……………………………….….…….43 圖4-6 A材淬火及不同淬火回火條件之硬度………………….…….44 圖4-7 A材、淬火及不同淬火回火條件之拉伸性質(a)(b)………….45 圖4-8 QT260-30於低溫時的延性表現……...……………………….46 圖4-9 As-received螺絲之OM金相:(a)螺桿,(b)螺牙……………..47 圖4-10 As-received螺絲硬度…………………………………………48 圖4-11 不同烘烤時間之螺絲扭斷強度(加號:平均扭斷強度;x2: 兩根螺絲,餘類推)...………………...………………………49 圖4-12 烘烤及預先扭力之氫脆測試(放置一天)………………........50 圖4-13 SIMS分析圖:(a)氫原子縱深分布,(b)高解析分析圖…..…51 圖4-14 氫脆破裂面及巨觀特徵:(a)SEM,(b)微觀SEM,(c)巨觀 圖………...…….………………………………………………52 圖4-15 延性破壞表貌特徵:(a)巨觀SEM,(b)微觀SEM,(c)巨觀 圖…….…………………………...……………………………53 圖4-16 螺絲表面受力示意圖…………………………………………54 圖4-17 烘烤時間對低溫(-15°C)環境氫脆測試結果(放置一天)..…...55 圖4-18 改變熱處理條件之扭斷強度………………………………....56 圖4-19 改變熱處理條件之氫脆測試(烘烤8小時且放置一天)….…57 圖4-20 QT260-30氫脆破壞表貌特徵(a)巨觀SEM,(b)沿晶破壞SEM,(c)延性破壞SEM,(d)巨觀圖(下頁續)…………...…58 圖4-20 QT260-30氫脆破壞表貌特徵(a)巨觀SEM,(b)沿晶破壞SEM,(c)延性破壞SEM,(d)巨觀圖(續前頁)…...…………59 圖4-21 改變熱處理條件對低溫(-15°C)環境氫脆測試結果(烘烤8 小時且放置一天)…………………………………………..….60 圖4-22 改變熱處理條件對低溫(-30°C)環境氫脆測試結果(烘烤8 小時且放置一天)…..………………………………………….61

    第六章 參考文獻

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