金屬材料
Metal Materials
學期
112-1
學分
3
學分
當期課號
516312
永久課號
ENMS20008
開課單位
材料科學與工程學系
授課教師
黃爾文、陳溪鎔
校區
光復
類別
選修
上課時間表
| 節 | 週四 |
|---|---|
4 11:10–12:00 | 金屬材料 EF202 |
5 13:20–14:10 | 金屬材料 EF202 2 節連堂 |
6 14:20–15:10 |
* 根據陽明交大上課時間表所列
概述
1. 本課程由兩位老師授課,每週四總計有三節的課程。 2. 每週四上午的第四節(D: 11:10~12:00)為黃爾文老師用『Phase Transformations in Metals and Alloys 課本』,按章節教作為金屬材料課程學習的學理基礎。另會補充高年級的”材料機械性能”課程相關案例作為修課同學們未來學習所需的基礎。 3. 每週四下午的第一、二節(E、F: 13:20~15:10)兩節由陳溪鎔老師(學長)講授中鋼/中鋁的金屬實務,預定的教學目標為 (Intended learning objectives, ILOs): (1) 以陳溪鎔著作《軋延鋁板片的製造原理》為骨幹,闡述鋁片組織、性質與生產製程的因果關係; (2) 藉由實驗數據的剖析,帶入物理冶金的學理; (3) 介紹冷軋退火、熱軋組織與變形阻抗的影響要素、模擬實驗以及數值分析方法。
先修科目
材料導論, 物理冶金
教學方式
助教: 蔡正浩、翁慧慈
評分方式
1. 陳老師授課內容:以Google表單作業評量與練習: 成績佔比 50% 2. 期中考: 課本第三章:成績佔比25 % 3. 期末考: 課本第四章、第五章:成績佔比25 %
週次計畫
| 週次 | 主題 |
|---|---|
| 第 1 週 | 9/14 (四)D 黃爾文老師 1. "Phase Transformations in Metals and Alloys"課本的三個版本的介紹 2. 各章節間的關係、授課考試進度 3. 銜接本課程的系上其他課程與線上資源:例如美國工程學院講座 https://livestream.com/accounts/7036396/events/9376606/videos/213107047 9/14 (四)EF 陳溪鎔老師 陳溪鎔老師自我介紹: 1. 民國67年交大航技系畢業,進中鋼服務40年,先後至大阪大學進修,並於Sheffield Univ.工程材料系完成博士學位,擁有Twin roll casting,高速冷軋與熱軋組織模擬專業,累計榮獲20個獎項。 2. 介紹學位論文:「melt spinning process 研製Fe-Cr-Mn不锈鋼」的成果; 課程導覽: 1. 鋁合金的8大合金系、調質度與生產流程簡介 2. 加工硬化鋁片:H1n、O料、H2n、H3n、H4n 的製造流程分類 3. 熱軋顯微組織:模擬方法、單道軋延與多道次熱連軋解析 1. 4. 熱軋變形阻抗的預測方程式與量測方法 |
| 第 2 週 | 9/21 (四) D 黃爾文老師 1. 從"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本比對陳老師授課 搭配課本第一章的講義01 9/21 (四) EF 陳溪鎔老師 以高強度易開罐蓋鋁片的開發為例,說明「強度由330 MPa提高到 350 MPa、破蓋率必需低於 10ppm」的經緯: 1. 從營業金額、生產量、市場需求、品質特性等角度,介紹罐蓋鋁片。 2. 從熔煉、熱軋、冷軋與烤漆產線,導入固溶強化、細晶強化、加工強化以及烘烤軟化原理,鋁片強度順利達標。 3. 從成品端的烤漆開始,逐步往上游的冷軋、熱軋、鑄造、熔煉...展開追蹤分析,釐清缺陷起源,破蓋率也順利達標。 |
| 第 3 週 | 9/28 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第一章的講義02 9/28 (四) EF 陳溪鎔老師 H1n 鋁片的組織與性質: 1. 鋁合金的成份規格與調質度代碼 2. 冷軋鋁片的強度如何演變?如何預測?鋁片強度受到哪些因素的影響?影響機制為何? 3. H1n 製程:熱軋→ (冷軋→ 退火)→ 冷軋 (最後製程為冷軋) 4. 定義裁減率、裁減應變,推導應力/應變曲線,建立預測冷軋強度的Ludwik 方程式,分析冷軋應變、素材、合金元素的影響; 5. 雙輪連鑄鋁片強度高的成因解析:X-ray繞射、導電率、金相組織與TEM 顯微組織觀測 |
| 第 4 週 | 10/5 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第一章的講義03 10/5 (四) EF 陳溪鎔老師 定量分析步驟:工程應力/應變轉換成真應力/真應變 1. 試驗前,先量取試片的寬度wo、厚度to與計量長度Lo。試驗後,截取時間、負荷P、位移L數據。 2. 工程應力S= 負荷P/(寬度wo x厚度to);工程應變 e= 位移L/計量長度Lo。以 e 為X軸、S為Y軸,可做出工程應力/工程應變曲線,可量取楊氏係數 (E)、降伏強度 (YS)、抗拉強度 (UTS)、延伸率 (EL%)、拉伸速率、拉伸能量。 3. 真應力 = s (1+ 工程應變 e)、真應變 = Ln (1+ 工程應變 e),以 為X軸、為Y軸,可做出真應力/真應變曲線,可量取應變速率、加工硬化率 n。 4. 『鋁片越軋越硬、強度越軋越高』的現象稱為加工硬化,根據 Ford 做法,累積應變εa = εCR +ε/1.15,εCR為起軋厚/完軋厚的對數值。擁有起軋鋁片降伏強度YS0與多組冷軋鋁片強度σCR後,可依Ludwik 方程式(σCR = YS0+ kaεan)求取演算係數ka 與n。 小結: 1. Ludwik方程式分析結果顯示:鋁片強度隨著冷軋裁減率的增加而遞增,也跟著起軋素材強度的增加而水漲船高。 2. 除了冷軋裁減率、起軋強度之外,合金元素、澆鑄製程也是影響H1n 強度的重要因素。 綜合討論: 1. Twin roll cast 鋁片冷軋後,σ=111.2+ 130.4 0.37;R2 = 0.9935;可是先冷軋到1.8mm厚,再經過 500C退火,再冷軋後變成 σ=47.1+ 168 0.26;R2 = 0.9963 |
| 第 5 週 | 10/12(四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第二章的講義01 10/12(四) EF 陳溪鎔老師 O料鋁片的組織與性質:) 1. H1n 鋁片強度高、延伸率低,O料強度低、延伸率高。 2. 實施大裁減輥軋、急速昇溫可細化退火鋁片的晶粒 3. 利用 Hall-Petch方程式分析退火鋁片的細晶強化與合金固溶強化原理 |
| 第 6 週 | 10/19 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第二章的講義02 10/19 (四) EF 陳溪鎔老師 H2n鋁片的組織與性質 1. 認識回復、再結晶與完全退火區、定時/恒溫退火 2. 掌握影響冷軋鋁片退火再結晶行為的要因 3. 運用 Avrami 方程式推導再結晶曲線 4. 理解 H1n/O料/H2n 鋁片機械性質的優缺點 5. 讓同學們擁有閱讀所有冷軋退火論文的能力 |
| 第 7 週 | 10/26 (四) D 黃爾文老師 考前複習課本 10/26 (四) EF 陳溪鎔老師 H3n 鋁片的組織與性質: 1. H1n/O/H2n/H3n 組織與性質的差異 2. 產品厚度、加熱方法與起軋素材對 H3n 的影響 3. 3003熱軋/鑄軋、5 ́ ́ ́ H3n鋁片的特性 4. 製定H3n生產製程的步驟 H4n 鋁片的組織與性質: 1. 如何提高冷軋鋁片的烘烤強度? 2. 烘烤強度的影響要素 3. 如何鑑別市售鋁片的安定化溫度? 4. 瞭解素材與生產參數對冷軋退火鋁片的影響 |
| 第 8 週 | Midterm-term exam (25%):範圍: 1~7週課本授課內容 |
| 第 9 週 | 11/9 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第三章的講義:01 11/9 (四) EF 陳溪鎔老師 冷軋退火總復習: 1. 預測H1n冷軋加工強化的Ludwik 方程式 2. 檢討Hall-Petch方程式細晶強化的應用限制 3. 驗證合金固溶強化的方法與案例 4. 從再結晶曲線推導t0.5、量取退火活化能,再利用Arrhenius 定律,進行退火溫度/時間的等效運算 |
| 第 10 週 | 11/16 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第三章的講義:02 11/16 (四) EF 陳溪鎔老師 熱軋的基本原理: 1. 熱軋與冷軋有什麼不同? 2. 熱軋晶粒是怎麼形成的? 3. 熱軋的影響要素有哪些? 4. 熱軋課程會教什麼? 5. 怎麼做出一片好的熱軋素材? |
| 第 11 週 | 11/23 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第四章的講義:01 11/23 (四) EF 陳溪鎔老師 熱軋組織的模擬方法: 1. 介紹國外的熱軋組織預測方程式,瞭解影響要素有哪些?影響權重如何? 2. 運用參數轉換,把軋速、裁減率...生產條件轉換成溫度、裁減率、應變速率...實驗參數,以切合實際需求。 3. 展開熱軋組織的模擬實驗,包含:界定輥軋之前的素材、完軋瞬間急冷的素材,乃至於觀測後續盤捲退火、恒溫退火的金相組織。 |
| 第 12 週 | 11/30 (四) D 黃爾文老師 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第四章的講義:02 11/30 (四) EF 陳溪鎔老師 多道次熱連軋組織模擬: 1. 單道輥軋:利用實驗數據,說明:「幾度軋?軋多少?軋多快?」的影響, 2. 導入兩道連軋:觀測累積應變,「隔多久再軋?」以及改變裁減分配的作用。 3. 比較兩道連軋/單道輥軋的差別、t0.5 預測方程式的優點、缺點; 4. 根據3 道連軋的實驗結果,剖析:「連軋兩道、連軋3道有什麼不同?是不是軋越多道越好?」 |
| 第 13 週 | 12/7 (四) D 黃爾文老師(錄播) 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第四章的講義:03 12/7 (四) EF 陳溪鎔老師 熱軋變形阻抗的計算: 1. 熱軋變形阻抗的影響要素有那些? 2. 國外怎麼建構預測方程式?怎麼驗證? 3. 如何從變形阻抗推算軋延力? 4. Sinh 預測方程式的推導步驟 |
| 第 14 週 | 12/14 (四) D 黃爾文老師(錄播) 搭配"Phase Transformations in Metals and Alloys"課本第五章的講義 12/14 (四) EF 陳溪鎔老師 熱軋變形阻抗的量測: 1. 熱軋變形阻抗的量測方法:高溫拉伸、圓柱壓縮、平面應變壓縮、軋延力逆算 2. 各種量測方法的優缺點:高溫拉伸沒有摩擦力,但受延伸率限制,取不到高應變的數據;圓柱壓縮可取得高應變數據,但變形呈圓周對稱,不能觀測集合組織;平面應變壓縮與輥軋類似,觀測變形阻抗與集合組織;軋延力逆算限於產線數據分析,無法提供材質變化數據。 3. 變形阻抗的量測步驟:採用等應變速率壓縮,分離摩擦力,運用溫度函數求取等溫應力曲線,運用移動平均法修正高速應力共振波。 |
| 第 15 週 | 12/21 (四) DEF 黃爾文老師 考前複習課本相關授課內容 |
| 第 16 週 | Final exam (25%):範圍9~15週授課內容 |
教科書
授課圖文:老師們的授課講義 陳老師的講義從陳老師著作的《軋延鋁板片的製造原理》於109年3月由中鋼公司限量印製。 黃老師講義的主要出處為: "Phase Transformations in Metals and Alloys", (Author: Porter, David A.; Easterling, Kenneth E.; Sherif, Mohamed): https://www.amazon.com/-/zh_TW/David-Porter-ebook-dp-B005H95HOI/dp/B005H95HOI/ref=mt_other?_encoding=UTF8&me=&qid=
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