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系統識別號 U0026-0812200914235670
論文名稱(中文) 鈦-鉬-鋁-鉍合金機械性質之研究
論文名稱(英文) Investigation of Mechanical Properties of Ti-Mo-Al-Bi Alloys
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 材料科學及工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Materials Science and Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生(中文) 吳政穎
研究生(英文) Wu Cheng-Ying
學號 N5695111
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 163頁
口試委員 指導教授-陳瑾惠
指導教授-朱建平
口試委員-林家緯
中文關鍵字 高爾夫球頭  鈦合金  微結構  熱壓  包埋鑄造 
英文關鍵字 Titanium alloys  golf club head  investment casting  microstructure  hot rolling 
學科別分類
中文摘要 現今高爾夫球頭設計上之重點,為了增加甜蜜點範圍而使得球頭大體積化。大體積球頭於擊球時,可容易擊中高爾夫球及得到較好的球頭慣性矩。而為了增加甜蜜點範圍,球頭材質設計必須具備輕量及高強度等特性。而大部分的鈦合金跟不鏽鋼相較具有相同強度,但重量卻少了40%。
本實驗研究Ti-Al-Mo三元及Ti-Al-Mo-Bi四元合金經由鑄造和熱壓兩種製程的機械性質,以找出最適合於在工業上使用之高爾夫球頭及打擊面上之新型合金。
實驗結果顯示,當鋁添加量大於6wt%時,拉伸強度有明顯的增幅,但會造成延伸率的下降;鉍的添加使得拉伸強度微量增加,但延伸率微幅下降。而其中Ti-8Al-YMo經由鑄造和熱壓兩種製程,有最佳的拉伸性質。
英文摘要 In golf club head design,it is important to make the head oversize because of ease of hitting and better inertial properties to increase sweet spot size that make the golfer can drive the ball farther and straighter.In order to achieve above all,it is necessary for club head design to be light weight and high strength.Most titanium alloys possess the same strength as common grades of stainless steel, but are 40% less dense (the weight per volume area).
The mechanical properties of Ti-XAl-YMo and Ti-XAl-YMo-ZBi alloys fabricated by investment-casting and three different thickness reductions of hot rolling were investigated individually.The Al content ranged from 5% to 8 mass% and the Mo content was Y mass%.Then Bi content was Z mass%.
Experimental results indicated that the addition of Al content over 6% could improve tensile strength largely but ductility decreased.And the addition of Bi could improve tensile strength and decrease ductility slightly.Ti-8Al-YMo fabricated by investment-casting and hot rolling revealed the best tensile property.
論文目次 總 目 錄
摘 要 I
Abstract II
致 謝 III
總 目 錄 IV
圖 目 錄 VIII
表 目 錄 XVIII

第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 高爾夫球桿頭介紹 2
1-2-1 高爾夫球頭外部名稱 3
1-2-2 高爾夫球幾何專有名詞及其功能性說明 3
1-2-3 高爾夫球頭種類 8
1-3 高爾夫球頭材料概論 11
1-4 研究目的 13
第二章 文獻回顧 14
2-1 國內鈦金屬產業概論 14
2-2 純鈦的性質 15
2-3 純鈦的製造 17
2-4 純鈦及鈦合金的冶金學 17
2-4-1 純鈦 17
2-4-2 鈦合金 20
2-5 鈦高爾夫球頭的製程與產品分類 28
2-6 精密鑄造法 28
2-6-1 包埋鑄造法 32
2-6-2 實體陶模法和陶瓷殼模法製程步驟 34
2-7 市面上鈦合金高爾夫球頭及新開發之材質 37
第三章 基礎理論 40
3-1 金屬之強化機構 40
3-1-1 應變硬化 (Strain Hardening) 40
3-1-2 固溶強化 (Solid Solution Strengthening ) 42
3-1-3 細晶尺寸強化 (Grain Size Strengthening) 44
3-2 拉伸破斷機構 (Tensile Fracture Mechanism) 45
3-2-1 破裂的形式 46
3-2-2 脆性破裂 (brittle fracture) 46
3-2-3 延性破裂 (ductile fracture) 47
3-3 金屬鑄造性 (castability) 50
3-3-1 金屬流動性 (Fluidity) 51
3-3-2 金屬流動性試驗法 52
3-3-3 影響金屬流動性的因子 56
第四章 實驗步驟 61
4-1 實驗流程 61
4-2 合金材料及配置 62
4-3 合金熔煉與鑄造設備 63
4-4 合金鑄造 66
4-5 滾軋製程 66
4-6 試片成型製程 67
4-7 拉伸測試 70
4-8 維氏硬度測試 (Vickers Hardness test,Hv) 71
4-9 金相顯微組織觀察 73
4-10 X光繞射相分析(X-Ray Diffraction,XRD) 73
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 74
第五章 實驗結果與討論 77
5-1 合金成分分析 77
5-2 陶瓷殼模鑄造之合金機械性質比較 77
5-2-1 相結構分析及金相顯微組織分析 78
5-2-2 拉伸性質與拉伸破斷面分析 90
5-3 不同熱滾軋加工厚度縮減率之合金機械性質比較 97
5-3-1 熱滾軋厚度縮減率80%之兩階段熱壓 97
5-3-1-1 相結構分析及金相顯微組織分析 97
5-3-1-2 拉伸性質與拉伸破斷面分析 109
5-3-2 熱滾軋厚度縮減率65%之一階段熱壓 116
5-3-2-1 相結構分析及金相顯微組織分析 116
5-3-2-2 拉伸性質與拉伸破斷面分析 128
5-3-3 熱滾軋厚度縮減率50%之一階段熱壓 136
5-3-3-1 相結構分析及金相顯微組織分析 136
5-3-3-2 拉伸性質與拉伸破斷面分析 148
第六章 結論 156
第七章 參考文獻 157

圖 目 錄
圖1-1 球桿桿頭各部位名稱 (Thomas Wishon et al.,2005) 3
圖1-2 高爾夫球頭慣性矩與甜蜜點 (謝文隆,2008) 5
圖1-3 打擊面甜蜜點外的位置 (Thomas Wishon et al.,2005) 5
圖1-4 桿面角示意圖 (Thomas Wishon et al.,2005) 6
圖1-5 桿頸角度示意圖 (Thomas Wishon et al.,2005) 7
圖1-6 球頭重心 (Thomas Wishon et al.,2005) 8
圖1-7 美國Callaway Big Bertha 460 木桿 9
圖1-8 美國Callaway Fujikura 64球道木桿 9
圖1-9 美國Callaway 2006 Big Bertha#3-PW,鐵身鐵桿 10
圖1-10 美國Nike golf IGNITE 002 PUTTER推桿 10
圖2-1 純鈦的同素異構體 18
圖2-2 α鈦的滑移系統和雙晶面 19
圖2-3 bcc-to-hcp 結晶結構變化的Burger,s機構 20
圖2-4 α、β型鈦合金添加合金相圖 21
圖2-5 α穩定元素對相變化溫度效應的示意相圖 23
圖2-6 β型鈦合金的相平衡圖 (a)類質同型系平衡相圖(b)共析系
平衡相圖 25
圖2-7 鈦-鉬二元相圖 26
圖2-8 鈦-鐵二元相圖 26
圖2-9 Ti-6Al-4V相圖及形成微結構的示意圖 27
圖2-10 實體陶模法 35
圖2-11 陶瓷殼模法 36

圖3-1 加工硬化使金屬塑性變形所需之應力,會隨應變之增加而
增大 41
圖3-2 Cu合金固溶不同之溶質原子 43
圖3-3 銅合金中不同溶質原子及其含量對銅合金強度之影響 44
圗3-4 單軸拉伸金屬時發生破壞之示意圖 46
圖3-5 延性破裂中的空孔-薄板機構 48
圗3-6 杯和錐(cup and cone)破裂之示意圖 49
圗3-7 拉伸應力-應變曲線..................................................................49
圖3-8 延性破裂面的韌窩圖 50
圗3-9 楔型流動性試驗砂模 52
圗3-10 螺旋流動性測試 54
圗3-11 真空流動性測試 54
圗3-12 其他流動性測試法 55
圖4-1 實驗流程圖 61
圖4-2 CASTMATIC鑄造機示意圖 64
圖4-3 石墨模具示意圖 68
圖4-4 100噸滾壓機 69
圖4-5 試片形狀與規格 69
圖4-6 日本Shimadzu公司動態疲勞試驗機 71
圖4-7 維氏硬度試驗機 72
圖4-8 X光繞射儀 74
圖4-9 環境式電子顯微鏡 76
圖5-1 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合
金之XRD分析圖 80
圖5-2 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-4V之表面、縱面、橫截面的微觀組
織 81
圖5-3 陶瓷殼模鑄造Ti-5Al-XMo之表面、縱面、橫截面的微觀
組織 .82
圖5-4 陶瓷殼模鑄造Ti-5Al-XMo-YBi之表面、縱面、橫截面的
微觀組織 83
圖5-5 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-XMo之表面、縱面、橫截面的微觀
組織. 84


圖5-6 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-XMo-YBi之表面、縱面、橫截面的
微觀組織 85
圖5-7 陶瓷殼模鑄造Ti-7Al-XMo之表面、縱面、橫截面的微觀
組織. 86
圖5-8 陶瓷殼模鑄造Ti-7Al-XMo-YBi之表面、縱面、橫截面的
微觀組織 87
圖5-9 陶瓷殼模鑄造Ti-8Al-XMo之表面、縱面、橫截面的微觀
組織. 88
圖5-10 陶瓷殼模鑄造Ti-8Al-XMo-YBi之表面、縱面、橫截面的
微觀組織 89
圖5-11 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列
合金之拉伸性質比較圖 92
圖5-12 陶瓷殼模鑄造Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列
合金之彈性模數比較圖 93
圖5-13 陶瓷殼模鑄造之Ti-6Al-4V、Ti-5Al-XMo、Ti-5Al-XMo-
YBi合金之拉伸破斷面SEM分析 94
圖5-14 陶瓷殼模鑄造之Ti-6Al-XMo、Ti-6Al-XMo-YBi、Ti-7Al-
XMo合金之拉伸破斷面SEM分析 95


圖5-15 陶瓷模鑄造之Ti-7Al-XMo-YBi、Ti-8Al-XM、
Ti-8Al-XMo-YBi合金之拉伸破斷面SEM分析 96
圖5-16 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過兩階
段熱滾軋之XRD分析圖 99
圖5-17 Ti-6Al-4V經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、橫截
面的微觀組織 100
圖5-18 Ti-5Al-XMo經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、橫
截面的微觀組織 101
圖5-19 Ti-5Al-XMo-YBi經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、
橫截面的微觀組織 102
圖5-20 Ti-6Al-XMo經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、橫
截面的微觀組織 103
圖5-21 Ti-6Al-XMo-YBi經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、
橫截面的微觀組織 104
圖5-22 Ti-7Al-XMo經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、橫
截面的微觀組織 105
圖5-23 Ti-7Al-XMo-YBi經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、
橫截面的微觀組織 106


圖5-24 Ti-8Al-XMo經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、橫
截面的微觀組織 107
圖5-25 Ti-8Al-XMo-YBi經過兩階段熱滾軋加工之表面、縱面、
橫截面的微觀組織 108
圖5-26 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過兩階
段熱滾軋加工之拉伸性質比較圖 111
圖5-27 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過兩階
段熱滾軋加工之彈性模數比較圖 112
圖5-28 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-XMo、Ti-5Al-XMo-YBi合金經兩階
段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM分析 113
圖5-29 Ti-6Al-XMo、Ti-6Al-XMo-YBi、Ti-7Al-XMo合金經兩
階段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM分析 114
圖5-30 Ti-7Al-XMo-YBi、Ti-8Al-XMo、Ti-8Al-XMo-YBi合金
經兩階段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM分析 115
圖5-31 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率65%之一階段熱滾軋加工的XRD分析圖 118
圖5-32 Ti-6Al-4V經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工之
表面、縱面、橫截面的微觀組織 119


圖5-33 Ti-5Al-XMo經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 120
圖5-34 Ti-5Al-XMo-YBi經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 121
圖5-35 Ti-6Al-XMo經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 122
圖5-36 Ti-6Al-XMo-YBi經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 123
圖5-37 Ti-7Al-XMo經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 124
圖5-38 Ti-7Al-XMo-YBi經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 125
圖5-39 Ti-8Al-XMo經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 126
圖5-40 Ti-8Al-XMo-YBi經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 127
圖5-41 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率65%之一階段熱滾軋加工之拉伸性質比較圖 131


圖5-42 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率65%之一階段熱滾軋加工之彈性模數比較圖 132
圖5-43 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-XMo、Ti-5Al-XMo-YBi合金經過厚
度縮減率65%之一階段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM
分析 133
圖5-44 Ti-6Al-XMo、Ti-6Al-XMo-YBi、Ti-7Al-XMo合金經過
厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工之拉伸破斷面
SEM分析 134
圖5-45 Ti-7Al-1Mo-0.5Bi、Ti-8Al-1Mo、Ti-8Al-1Mo-0.5Bi合
金經過厚度縮減率65%之一階段熱滾軋加工之拉伸破
斷面SEM分析 135
圖5-46 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率50%之一階段熱滾軋加工的XRD分析圖 138
圖5-47 Ti-6Al-4V經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工之
表面、縱面、橫截面的微觀組織 139
圖5-48 Ti-5Al-XMo經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 140
圖5-49 Ti-5Al-XMo-YBi經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 141
圖5-50 Ti-6Al-XMo經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 142
圖5-51 Ti-6Al-XMo-YBi經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 143
圖5-52 Ti-7Al-XMo經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 144
圖5-53 Ti-7Al-XMo-YBi經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 145
圖5-54 Ti-8Al-XMo經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工
之表面、縱面、橫截面的微觀組織 146
圖5-55 Ti-8Al-XMo-YBi經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋
加工之表面、縱面、橫截面的微觀組織 147
圖5-56 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率50%之一階段熱滾軋加工之拉伸性質比較圖 151
圖5-57 Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo、Ti-Al-Mo-Bi系列合金經過厚度
縮減率50%之一階段熱滾軋加工之彈性模數比較圖 152
圖5-58 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-XMo、Ti-5Al-XMo-YBi合金經過厚
度縮減率50%之一階段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM
分析 153
圖5-59 Ti-6Al-XMo、Ti-6Al-XMo-YBi、Ti-7Al-XMo合金經過
厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工之拉伸破斷面
SEM分析 154
圖5-60 Ti-7Al-XMo-YBi、Ti-8Al-XMo、Ti-8Al-XMo-YBi合金
經過厚度縮減率50%之一階段熱滾軋加工之拉伸破斷面SEM分析 155
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