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研究生： 許峻維
Hsu, Chun-Wei
論文名稱： 鉍含量對鈦鉬鉍合金熱機性質之影響
Effect of Bi content on properties of Ti-Mo-Bi alloys
指導教授： 陳瑾惠
Chern Lin, Jiin-Huey
朱建平
Ju, Chien-Ping
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 155
中文關鍵詞： 鈦合金 、拉伸性質 、微觀結構
外文關鍵詞： Titanium alloys, Microstructure, Tensile properties
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    • 本實驗以添加1、3、5、7、9wt%Bi於Ti-15Mo中，探討Bi之添加對鑄造Ti-15Mo之機械性質的影響。結果顯示，隨著Bi量的增加，其抗拉強度、降伏強度會大幅上升，延性會下降，其中以Ti-15Mo-3、5、7Bi擁有較佳之機械性質。因此以Ti-15Mo-3、5、7Bi 進行不同之熱機處理，結果顯示Bi的添加(X≧3)對Ti-15Mo-XBi而言，經過不同之熱機處理，會造成材料脆化。
    添加1、3、5wt%Bi於Ti-7.5Mo中，探討Bi之添加對鑄造Ti-7.5Mo合金之機械性質的影響。實驗顯示，隨著Bi量的增加，其抗拉強度、降伏強度會微幅上升，延性會下降。針對Ti-7.5Mo-XBi系統進行熱壓延及熱壓延後固溶之製程，結果顯示，熱壓延之製程會造成Ti-7.5Mo-0、1、3Bi合金抗拉強度、降伏強度上升，延性下降，但添加5wt%鉍時，其抗拉強度和降伏強度下降，但延伸率會上升，而熱壓延後固溶處理製程，隨著鉍含量的增加，其抗拉強度和降伏強度只有微幅的增加之趨勢，而延伸率沒明顯之變化。

    In this study, we investigated the effect of Bi content on the mechanical properties of Ti–15Mo-X Bi and Ti–7.5Mo-X Bi fabricated by arc-melted method. The Bi content ranged from 0% to 9 mass%.
    Experimental results indicated that that Bi content increase can improve tensile strength of Ti-15Mo alloy largely. And Ti-15Mo-3,5,7Bi will have good tensile property. Therefore, Ti-15Mo-3, 5, 7Bi carries on different thermomechanical processing procedures. The result show that Ti-15Mo-XBi (X≧3) through different thermomechanical treatment procedures will let the material embrittlement.
    Experimental results indicated that that Bi content increase can improve tensile strength of Ti-7.5Mo alloy slightly. Then Ti-7.5Mo-XBi alloys are subjected to hot rolling and solid solution after hot rolling. The results show that Ti-7.5Mo-0, 1, 3Bi alloy through hot rolling procedure will increate tensile strength、yield strength and ductility drops, but will decrease tensile strength、yield strength and ductility increase in Ti-7.5Mo-5Bi. Ti-7.5Mo-0, 1, 3Bi alloy through solid solution after hot rolling procedure will increase tensile strength、yield strength slightly but it had no effect on Elongation.

    總目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 總目錄 IV 表目錄 VIII 圖目錄 X 第一章 前言 1 1-1研究背景 1 1-2 生醫材料概論 3 1-2-1高分子材料 5 1-2-2 陶瓷材料 6 1-2-3金屬材料 7 1-3 研究目的 8 第二章 文獻回顧 9 2-1 純鈦 10 2-2 鈦合金之簡介 13 2-2-1 鈦合金 14 2-2-2 α型鈦合金 17 2-2-3 α＋β型鈦合金 17 2-2-4 β型鈦合金 18 2-3 純鈦和鈦合金之生醫發展 21 2-4 應力遮蔽效應（stress-shielding effect） 21 第三章 基礎理論 23 3-1 引言 23 3-2 金屬之強化機構 24 3-2-1 冷加工強化(cold work hardening)和退火(Annealing) 24 3-2-2 固溶強化(solid solution) 25 3-2-3 細晶粒強化(Grain size reduction hardening) 27 3-2-4 析出強化和分散強化(Preciptation and dispersion hardening) 27 3-3 鈦合金之析出 30 第四章 實驗步驟 32 4-1 實驗流程 32 4-2 合金材料及配製 33 4-3 合金熔煉及鑄造設備 34 4-4 合金鑄造 36 4-5 滾壓製程 37 4-6 試片製作 38 4-6 固溶處理 39 4-7 時效處理 39 4-8 X光繞射(X-Ray Diffraction，XRD)相分析 40 4-9 金相顯微組織觀察 40 4-10 拉伸測試 41 4-11 硬度測試(Hardness Test) 42 4-12 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察與能量散佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)合金成分分析 43 第五章 實驗結果與討論 44 5-1 添加微量元素於Ti-15Mo合金進行機械性質測試 44 5-1-1 成分分析結果 44 5-1-2 相組成和金相分析 46 5-1-3 鑄造合金拉伸性質 50 5-1-4 拉伸破斷面與 53 5-1-5 微硬度試驗 53 5-2 添加微量元素於Ti-7.5Mo合金進行機械性質測試 63 5-2-1 成分分析結果 63 5-2-2 相組成和金相分析 64 5-2-3 鑄造合金拉伸性質 67 5-2-4 拉伸破斷面 70 5-2-5 硬度試驗 70 5-3 熱機處理製程對Ti-15Mo-7Bi 合金之性質影響 76 5-3-1 固溶處理製程對Ti-15Mo-7Bi合金之性質影響 77 5-3-2 時效處理過程對經A℃固溶5分鐘的Ti-15Mo-7Bi合金之性質研究 85 5-3-3 時效處理製程對經A℃固溶1分鐘的Ti-15Mo-7Bi合金之性質研究 94 5-3-4 進行熱機處理後機械性質之探討 98 5-4 熱機處理製程對Ti-15Mo-5Bi合金之性質影響 100 5-4-1 固溶處理製程對Ti-15Mo-7Bi合金之性質影響 100 5-4-2 時效處理製程對經A℃固溶1、5分鐘的Ti-15Mo-5Bi合金之性質研究 109 5-5 熱機處理製成程對Ti-15Mo-3Bi合金之性質影響 117 5-5-1 固溶處理製程對Ti-15Mo-3Bi合金之性質影響 117 5-5-2 時效處理製程對經A℃固溶1、5分鐘的Ti-15Mo-3Bi合金之性質研究 126 5-6熱機處理製程對Ti-7.5Mo-X Bi合金之性質影響 132 5-6-1 XRD相分析與金相組織觀察 132 5-6-2 拉伸性質與其破斷面觀察 139 第六章 結論 149 第七章 參考文獻 152 4B 5B表目錄 表1-1 中國大陸醫用材料及醫療用品之相關數據統計 2 表1-2 一些生醫材料之產品 4 表2-1 鈦之整體性 11 表 2-2 原子屬性 11 表2-3 物理狀態 12 表2-4 一些鈦合金之應用 16 表4-1 材料成分表 33 表5-1 EDS成份分析結果 45 表5-2 熔練前後重量損失結果 45 表5-3 EDS成份分析結果 63 表5-4 Ti-15Mo-7Bi 冷壓後經A℃固溶不同時間的晶粒大小 81 表5-4 Ti-15Mo-7Bi不同地方之EDS分析表 98 表5-5 Ti-15Mo-5Bi 冷壓後經A℃固溶不同時間的晶粒大小 104 表5-6 Ti-15Mo-3Bi 冷壓後經A℃固溶不同時間的晶粒大小 121 圖目錄 圖2-1 Kroll法的製作流程圖(賴耿陽,1990)。 12 圖2-2 鈦合金之二元相圖之分類 15 圖2-3 α＋β型鈦合金之相圖(Flower, 1990) 19 圖2-4 β型鈦合金之相圖(Bania, Met ,1994) 19 圖2-5 Ti-Mo合金的相圖(Murray,1989) 20 圖3-1 影響材料性質過程圖 23 圖3-2 金屬經冷加工後退火之性質 25 圖3-3 (a)當溶質原子比溶劑原子大時，晶格扭取產生壓縮應變場 26 圖3-4 銅合金中不同溶質原子及其含量對銅合金強度之影響 27 圖3-5 Orowan散佈強化機構(Reed-Hill, 1994) 29 圖3-6 時效過程硬度對時間之作圖 (Reed-Hill, 1994) 29 圖3-7 α’和ω在β形鈦合金中析出區間(Duerig, 1990) 31 圖3-8 β-Ⅲ之TTT圖(Froes, 1980) 31 圖4-1 實驗流程圖 32 圖4-2 CASTMATIC 鑄造機示意圖 35 圖4-3 鑄造用石墨模 36 圖4-4 100頓滾壓機 37 圖4-5 試片形狀與規格 38 圖4-6 拉伸試驗機 41 圖4-7 維克氏微硬度試驗機 42 圖4-8 環境式電子顯微鏡 43 圖5-1 鑄造合金之X-ray分析圖 47 圖5-2 鑄造合金的金相圖(500X)。(a)Ti-6Al-4V、(b)Ti-15Mo (c)Ti-15Mo-1Bi、(d)Ti-15Mo-3Bi、(e) Ti-15Mo-5Bi、(f) Ti-15Mo-7Bi、(g) Ti-15Mo-9Bi 48 圖5-2 鑄造合金的金相圖(500X)。(a)Ti-6Al-4V、(b)Ti-15Mo、(c)Ti-15Mo-1Bi、(d)Ti-15Mo-3Bi、(e) Ti-15Mo-5Bi、(f) Ti-15Mo-7Bi、(g) Ti-15Mo-9Bi (續) 49 圖5-3 鑄造合金的拉伸性質。(a) 鑄造合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 鑄造合金的彈性模數。 52 圖5-4 鑄造Ti-6Al-4V拉伸破斷面 55 圖5-5 鑄造Ti-15Mo拉伸破斷面 56 圖5-6 鑄造Ti-15Mo-1Bi拉伸破斷面 57 圖5-7 鑄造Ti-15Mo-3Bi拉伸破斷面 58 圖5-8 鑄造Ti-15Mo-5Bi拉伸破斷面 59 圖5-9 鑄造Ti-15Mo-7Bi拉伸破斷面 60 圖5-10 鑄造Ti-15Mo-9Bi拉伸破斷面 61 圖5-11 鑄造Ti-15Mo合金系列和Ti-6Al-4V平均微硬度值 62 圖5-12 鑄造合金之XRD繞射圖 65 圖5-13 鑄造合金的金相圖(200X)。(a)Ti-7.5Mo、(b) Ti-7.5Mo-1Bi、(c)Ti-7.5Mo-3Bi、(d)Ti-7.5Mo-5Bi 66 圖5-14 鑄造合金的拉伸性質。(a) 鑄造合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 鑄造合金的彈性模數。 69 圖5-15 鑄造Ti-7.5Mo拉伸破斷面 71 圖5-16 鑄造Ti-7.5Mo-1Bi拉伸破斷面 72 圖5-17 鑄造Ti-7.5Mo-3Bi拉伸破斷面 73 圖5-18 鑄造Ti-7.5Mo-5Bi拉伸破斷面 74 圖5-19 鑄造Ti-7.5Mo合金系列和Ti-6Al-4V平均微硬度值 75 圖5-20 Ti-15Mo-7Bi鑄造、滾壓、A℃固溶不同時間之XRD繞射圖 78 圖5-21 Ti-15Mo-7BiA℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 79 圖5-21 Ti-15Mo-7Bi A℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 (續) 80 圖5-22 Ti-15Mo-7Bi 鑄造後、冷壓後經 A℃固溶不同時間拉伸性質。(a) 合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 合金的彈性模數。 83 圖5-23 Ti-15Mo-7Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 84 圖5-23 Ti-15Mo-7Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 (續) 85 圖5-24 Ti-15Mo-7Bi 經不同熱機處理之XRD繞射圖 87 圖5-25 Ti-15Mo-7Bi A℃固溶5分鐘，不同時效溫度、時間的微觀組織(500X) (A)固溶 (B)a℃，1小時 (C) c℃，1小時 (D) c℃，24小時 (E) d℃，1小時 88 圖5-26 Ti-15Mo-7Bi冷壓後經 A℃固溶不同時間，不同溫度、時間時效之拉伸性質。(a) 合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 合金的彈性模數。 91 圖5-27 Ti-15Mo-7Bi 冷壓後經A℃固溶、經不同溫度、時間時效的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B)a℃時效1小時 (C) c℃時效1小時(D) c℃時效24小時(E) d℃時效1小時 92 圖5-27 Ti-15Mo-7Bi 冷壓後經A℃固溶、經不同溫度、時間時效的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B)a℃時效1小時 (C) c℃時效1小時(D) c℃時效24小時(E) d℃時效1小時 (續) 93 圖5-28 Ti-15Mo-7BiA℃固溶1分鐘，b℃時效不同時間的微觀組織(500X) (A)固溶 (B) 5分鐘 (C) 1小時 (D) 24小時 95 圖5-29 Ti-15Mo-7Bi 冷壓後經A℃固溶1分鐘、經b℃時效不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B)5分鐘 (C) 1小時(D) 24小時 97 圖5-30 Ti-15Mo-7Bi 冷壓後經A℃固溶，c℃時效24小時的SEM觀察(5000X，10000X) (A) 5000X SEM (B) 5000X BSE (C) 10000X SEM (D) 10000X BSE 99 圖5-31 Ti-15Mo-5Bi 鑄造、滾壓、A℃固溶不同時間，不同時效溫度、時間之XRD繞射圖 101 圖5-32 Ti-15Mo-5Bi A℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 102 圖5-32 Ti-15Mo-5Bi A℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 (續) 103 圖5-33 Ti-15Mo-5Bi 鑄造後、冷壓後經 A℃固溶不同時間、不同時效溫度、時間之拉伸性質。(a) 合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 合金的彈性模數。 106 圖5-34 Ti-15Mo-5Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 107 圖5-34 Ti-15Mo-5Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 (續) 108 圖5-35 Ti-15Mo-5Bi A℃固溶1分鐘，b℃時效不同時間的微觀組織(500X) (A)固溶 (B) 5分鐘 (C) 1小時 (D) 24小時 111 圖5-36 Ti-15Mo-5Bi A℃固溶5分鐘，c℃時效24小時的微觀組織 112 圖5-37 Ti-15Mo-5Bi 冷壓後經A℃固溶1分鐘、經b℃時效不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B)5分鐘 (C) 1小時(D) 24小時 115 圖5-38 Ti-15Mo-5Bi 冷壓後經A℃固溶5分鐘、經c℃時效24小時 116 圖5-39 Ti-15Mo-3Bi 鑄造、滾壓、經不同熱機處理之XRD繞射圖 118 圖5-40 Ti-15Mo-3Bi A℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 119 圖5-40 Ti-15Mo-3Bi A℃固溶不同時間的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為冷壓過後、(D)(E)(F)為固溶1分鐘、(G)(H)(I)為固溶5分鐘、(J)(K)(L)為固溶10分鐘 (續) 120 圖5-41 Ti-15Mo-3Bi 鑄造後、冷壓後經 A℃固溶不同時間、不同時效溫度、時間之拉伸性質。(a) 合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 合金的彈性模數。 123 圖5-42 Ti-15Mo-3Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 124 圖5-42 Ti-15Mo-3Bi 鑄造、冷壓後經A℃固溶不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)滾壓後 (C)1分鐘 (D)5分鐘 (E)10分鐘 (續) 125 圖5-43 Ti-15Mo-3Bi A℃固溶1分鐘，b℃時效不同時間的微觀組織(500X) (A)固溶 (B) 5分鐘 (C) 1小時 127 圖5-44 Ti-15Mo-3Bi A℃固溶5分鐘，c℃時效24小時的微觀組織(500X) 128 圖5-45 Ti-15Mo-3Bi 冷壓後經A℃固溶1分鐘、經b℃時效不同時間的拉伸破斷面(1000X) (A)固溶處理後 (B)5分鐘 (C) 1小時 130 圖5-46 Ti-15Mo-3Bi 冷壓後經A℃固溶5分鐘、經c℃時效24小時的拉伸破斷面(1000X) 131 圖5-47 Ti-7.5Mo系列鑄造後及經不同熱機處理之XRD繞射圖 134 圖5-48 Ti-7.5Mo經熱壓延及熱壓延後經固溶處理的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為熱壓延過後、(D)(E)(F)為固溶後 135 圖5-49 Ti-7.5Mo-1Bi 經熱壓延及熱壓延後經固溶處理的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為熱壓延過後、(D)(E)(F)為固溶後 136 圖5-50 Ti-7.5Mo-3Bi 經熱壓延及熱壓延後經固溶處理的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為熱壓延過後、(D)(E)(F)為固溶後 137 圖5-51 Ti-7.5Mo-5Bi 經熱壓延及熱壓延後經固溶處理的表面、縱面、橫截面的微觀組織(200X)，(A)(B)(C)為熱壓延過後、(D)(E)(F)為固溶後 138 圖5-52 Ti-7.5Mo系列，鑄造後、經熱壓延、熱壓延後經固溶處理之拉伸性質。(a) 合金的抗拉強度、降伏強度、延展性，(b) 合金的彈性模數。 144 圖5-53 Ti-7.5Mo 鑄造、經熱壓延及熱壓延後固溶之拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)熱壓後 (C)熱壓後固溶 145 圖5-54 Ti-7.5Mo-1Bi 鑄造、經熱壓延及熱壓延後固溶之拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造 (B)熱壓後 (C)熱壓後固溶 146 圖5-55 Ti-7.5Mo-3Bi 鑄造、經熱壓延及熱壓延後固溶之拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造 (B)熱壓後 (C)熱壓後固溶 147 圖5-56 Ti-7.5Mo-5Bi 鑄造、經熱壓延及熱壓延後固溶之拉伸破斷面(1000X) (A)鑄造後 (B)熱壓後 (C)熱壓後固溶 148

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