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研究生: 王芳春
Wang, Fang-chuen
論文名稱: 晶種對於錫鉛合金方向性凝固微結構之影響分析
Experimental Analysis of Seed Effect on the Directional Solidification of Sn-Pb Alloy
指導教授: 趙隆山
Chao, Long-Sun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 186
中文關鍵詞: 晶種方向性凝固錫鉛合金金相及顯微結構
外文關鍵詞: seed, directional solidification, Sn-Pb Alloy, microstructure
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  • 鑄造技術已有數千年的歷史,而隨著時代的進步,對於材料的使用環境限制更加是嚴苛,材料之特性與強度的提升需求增加,而在鑄造之凝固過程中,溫度與濃度場的變化會影響材料的顯微結構,而微結構之控制更是改善其機械性質及物理特性的關鍵所在。一般的鑄造過程是不易控制其凝固結構之形態,最多只能改變其晶粒大小,而方向性凝固之方法可使得鑄件之微結構沿著某一固定方向成長,也是單晶成長之基礎。本文以錫鉛合金為測試材料,採五種實驗模式來探討不同形狀結構之晶種對於方向性凝固微結構影響。在凝固成長過程中提供一相同成份的多晶之晶種誘發鑄件底部的枝狀晶發育時可延晶種優選方向成長,消除底部因高冷卻率形成之細小等軸晶,並獲得較佳之方向性凝固之結構。於實驗中探討不同形狀結構的晶種對其枝狀晶之優選方向控制情形、鑄件晶粒尺寸、晶體成長的束縛控制的影響及對其溫度梯度、成長速率、主枝狀晶臂間距及二次枝狀晶臂間距之間的影響。

    The casting skill has been developed for several thousands years. With the progress of time, the environment of material application becomes more severe and hence the promotion requirement of material properties and strength increases. In a casting process, the temperature and concentration fields will affect the microstructures of materials and this influence is the key point of improving their mechanical and physical properties. In a general casting process, it is not easy to control the morphology of solidifying microstructures. The scheme of directional solidification can make the microstructures grow along a fixed direction and it is also the base of single-crystal growth. In this study, five experimental models are utilized to investigate the effects of different-shape seeds on the microstructures of directional solidification and lead-tin alloy is the testing material. In the solidification process, a poly-grain seed with the same initial concentration of the solidifying casting is used to induce the columnar growth at the bottom portion of the casting, which could avoid the equiaxed growth due to the high undercooling or cooling rate there. This is expected to have the better or more complete structure of directional solidification. In the experimental analysis, we studied the influences of different geometry seeds on the constrained growth, the preferential growth direction of dendrite, the grain size, the temperature gradient, the growth rate, the primary arm spacing and the secondary arm spacing.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 第一章 緒論 1 1-1研就動機 1 1-2文獻回顧 2 1-3研究目的與方法 5 第二章凝固理論模式 7 2-1凝固過程與晶體成長 7 2-1-1成核階段(Nucleation) 8 2-1-2成長與侵犯階段(Growth and Impingement) 9 2-1-3金屬之晶粒成長形狀 9 2-2方向性凝固之模式 11 2-3實驗模式 11 第三章實驗設備與方法 13 3-1實驗設備 13 3-1-1熱電偶點焊機與氫氧焰焊接機 13 3-1-2熔解爐 14 3-1-3溫度擷取設備與量測方式 14 3-1-4加熱及溫度控制設備 15 3-1-5升降平台與冷激端設備 16 3-2方向性凝固機構之實驗設計 16 3-2-1實驗模式Case A 17 3-2-2實驗模式Case S 18 3-2-3實驗模式Case B 19 3-2-4實驗模式Case C 19 3-2-5實驗模式Case D 20 3-3觀察金相顯微組織之實驗 20 3-3-1金相觀察之實驗設備 20 3-3-2金相觀察之實驗步驟與方法 22 3-4實驗數據整理與計算 24 第四章 結果與討論 28 4-1金相組織觀察 28 4-1-1鑄件之巨觀金相觀察 28 4-1-2鑄件之微觀金相觀察 32 4-1-2-1橫截面之晶粒數分析 32 4-1-2-2縱截面之成長方向 35 4-2鑄件之暫態溫度量測 37 4-2-1軸向冷卻曲線之分析觀察 38 4-2-2溫度梯度之分析觀察 40 4-2-3鑄件各位置離開加熱區實驗與凝固時間之分析觀察 42 4-2-4以熱阻型式計算各模式之熱傳量 44 第五章結論 46 參考文獻 49 附錄(A) 鑄件試片取樣位置 183 附錄(B) 巨觀金相之鑄件縱切面觀察 184 附錄(C) 晶粒數取樣方式 185 自述 186 表目錄 表3-1實驗模式參數條件表 52 表3-2 AR-25、AR-50直立的冒口材料之保溫模之尺寸與成份 53 表4-1中心處晶粒數目 54 表4-2邊緣處晶粒數目 55 表4-3主枝狀晶臂間距 56 表4-4二次枝狀晶臂間距 57 表4-5潛熱釋放點時間 58 表4-6以熱阻型式計算各模式之熱傳量 59 表4-7各模式之晶粒數與結構參數的關係 60 圖目錄 圖1-1三種不同組織的渦輪葉片 (a)細晶組織(b)柱狀晶組織(c)單晶組織 61 圖1-2 Fujiwara等人的實驗示意圖 62 圖2-1液固共存區示意圖 63 圖2-2微觀凝固過程示意圖 63 圖2-3自由能對於胚或核之半徑之變化示意圖 64 圖2-4與成核媒介物之異質成核 64 圖2-5合金中的組成過冷 65 圖2-6液固介面型態示意圖 65 圖2-7在液固介面形成組成過冷的條件及所對應的微結構型態 66 圖2-8單相凝固顯微結構隨溫度梯度與成長速率之變化圖 67 圖3-1OMEGATL-WELD之點焊機 68 圖3-2氫氧焊接機 68 圖3-3 Nabertherm K2熔解爐 69 圖3-4 Agilent-34970A 溫度擷取儀器 69 圖3-5電熱管ㄧ 70 圖3-6 電熱管二 70 圖3-7電磁式溫度控制器 71 圖3-8微電腦溫度控制器 71 圖3-9直立的冒口材料之保溫模(AR-25) 72 圖3-10直立的冒口材料之保溫模(AR-50) 72 圖3-11石墨模 73 圖3-12方向性凝固設備 74 圖3-13冷激銅盒 74 圖3-14恆溫循環水槽 75 圖3-15方向性凝固機構之鑄件熱電偶安置圖 76 圖3-16晶種製作與選取範圍 77 圖3-17平坦塊狀之基本型晶種 78 圖3-18 Case C直徑25 mm的凸型晶種 78 圖3-19 Case D邊長10 mm x 10 mm x 4 mm的方型晶種 78 圖3-20 Case E直徑10 mm的凸型晶種 79 圖3-21石墨模不同模壁內錐角示意圖 79 圖3-22砂輪切割機 80 圖3-23研磨拋光機 80 圖3-24金相顯微鏡 81 圖3-25以熱阻型式計算熱傳量之物理模型 82 圖4-1 Case A-1巨觀金相圖 83 圖4-2 Case A-2巨觀金相圖 83 圖4-3 Case B-1巨觀金相圖 84 圖4-4 Case B-2巨觀金相圖 84 圖4-5 Case C-1巨觀金相圖 85 圖4-6 Case C-2巨觀金相圖 85 圖4-7 Case C-3巨觀金相圖 85 圖4-8 Case D-1巨觀金相圖 86 圖4-9 Case D-2巨觀金相圖 86 圖4-10 Case E-1巨觀金相圖 87 圖4-11 Case E-2巨觀金相圖 87 圖4-12 Case E-3巨觀金相圖 87 圖4-13 Case A-1鑄件橫截面金相圖 88 圖4-14 Case A-2鑄件橫截面金相圖 90 圖4-15 Case B-1鑄件橫截面金相圖 92 圖4-16 Case B-2鑄件橫截面金相圖 94 圖4-17 Case C-1鑄件橫截面金相圖 96 圖4-18 Case C-2鑄件橫截面金相圖 98 圖4-19 Case C-3鑄件橫截面金相圖 100 圖4-20 Case D-1鑄件橫截面金相圖 102 圖4-21 Case D-2鑄件橫截面金相圖 104 圖4-22 Case E-1鑄件橫截面金相圖 106 圖4-23 Case E-2鑄件橫截面金相圖 108 圖4-24 Case E-3鑄件橫截面金相圖 110 圖4-25 Case C-3之共晶結構 112 圖4-26 Case A-1鑄件縱截面金相圖 116 圖4-27 Case A-2鑄件縱截面金相圖 120 圖4-28 Case B-1鑄件縱截面金相圖 124 圖4-29 Case B-2鑄件縱截面金相圖 128 圖4-30 Case C-1鑄件縱截面金相圖 132 圖4-31 Case C-2鑄件縱截面金相圖 136 圖4-32 Case C-3鑄件縱截面金相圖 140 圖4-33 Case D-1鑄件縱截面金相圖 144 圖4-34 Case D-2鑄件縱截面金相圖 148 圖4-35 Case E-1鑄件縱截面金相圖 152 圖4-36 Case E-2鑄件縱截面金相圖 156 圖4-37 Case E-3鑄件縱截面金相圖 160 圖4-38 Case A-1冷卻曲線 164 圖4-39 Case A-2冷卻曲線 164 圖4-40 Case B-1冷卻曲線 165 圖4-41 Case B-2冷卻曲線 165 圖4-42 Case C-1冷卻曲線 166 圖4-43 Case C-2冷卻曲線 166 圖4-44 Case C-3冷卻曲線 167 圖4-45 Case D-1冷卻曲線 167 圖4-46 Case D-2冷卻曲線 168 圖4-47 Case E-2冷卻曲線 168 圖4-48 Case E-3冷卻曲線 169 圖4-49 Case A-1溫度梯度 170 圖4-50 Case A-2溫度梯度 170 圖4-51 Case B-1溫度梯度 171 圖4-52 Case B-2溫度梯度 171 圖4-53 Case C-1溫度梯度 172 圖4-54 Case C-2溫度梯度 172 圖4-55 Case C-3溫度梯度 173 圖4-56 Case D-1溫度梯度 173 圖4-57 Case D-2溫度梯度 174 圖4-58 Case E-2溫度梯度 174 圖4-59 Case E-3溫度梯度 175 圖4-60 Case A-1鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 176 圖4-61 Case A-2鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 176 圖4-62 Case B-1鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 177 圖4-63 Case B-2鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 177 圖4-64 Case C-1鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 178 圖4-65 Case C-2鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 178 圖4-66 Case C-3鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 179 圖4-67 Case D-1鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 179 圖4-68 Case D-2鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 180 圖4-69 Case E-2鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 180 圖4-70 Case E-3鑄件之離開加熱區與凝固時間關係 181 圖4-71 溫度梯度與成長速率關係圖 182

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    下載圖示 校內:2011-08-27公開
    校外:2013-08-27公開
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