鎂鋰(Mg-Li)合金薄板的成形性研究：材料世界網

鎂鋰(Mg-Li)合金在1960年代，美國太空總署NASA即開發應用於航太工業零件上；當時的土星五號(Saturn-V)太空船上之電腦外殼、儀表框架及其外殼等已使用LA141A鎂鋰合金，其他如火箭、武器上也有應用之實例，故早期Mg-Li 合金主要是在航太與軍事方面的應用。然因高Li含量之合金價昂與耐蝕性有待改善之故，使得Mg-Li合金的發展停滯。近年來因為熔煉與表面處理技術之精進，加上3C產品的應用潛力顯現，使得Mg-Li 合金再次受到高度的矚目。

鎂鋰合金的基本結構與性質
在鎂金屬中添加密度僅有0.534g/cm3的鋰元素可形成鎂鋰(Mg-Li)合金，是目前結構金屬材料中密度最低者，其比重介於1.3~1.6，較一般鎂合金的1.8更低，約為鋁合金(比重2.7)之半。因其結構已改變，與習知鎂合金的原子排列方式不同，此一材料除超輕量(低密度)之外，其具有高比剛性、高比強度之特性，而最大的特色為可常溫塑性加工成型，如軋延、沖壓等技術大量生產，不必侷限於現有的鎂合金壓鑄的成型方式。鎂原子序具有六方最密堆積(Hexagonal Close-packed, HCP)晶體結構；而鋰原子為體心立方(Body-centered Cubic, BCC)原子結構。鎂與鋰可形成α相HCP結構)、β相(BCC結構)以及α＋β兩相共存組織(HCP與BCC之双相結構)。鎂中所含鋰之重量百分率小於5.5%時，為單一α相；當鋰含量介於5.5~11.5%時，Mg-Li合金具有α＋β兩相組織；鋰含量大於11.5%時，顯微組織呈現β單相。Li含量小於5.5wt%是富鎂之α固溶體，此α相仍為HCP結構，然因Li原子之加入，替換了部分鎂原子，使得HCP晶格常數之c/a比值下降，原子間距離減少，晶格滑動之活化能降低，除了原有的基面滑移系統外，多了稜柱面滑移系統，而有效增加塑性變形之能力。實際上，只要添加2wt%以上的Li元素，則可使原冷加工性非常差的HCP鎂合金，其塑性加工能力即可獲得改善。

鎂鋰合金薄板片的成形性
所謂成形性(Formability)是指金屬材料以塑性變形(Plastic Deformation)方式製作零件的難易度。金屬材料通常以強度及延展性來評估其成形性；強度代表材料本身抵抗變形的能力，延展性則顯示材料在破裂前可能達到塑性變形的程度。影響材料成形性的因素包括材料特性、變形時所受的應力或應變狀態、溫度、應變速率及板片厚度等。為了評估金屬材料的成形性，可以經由不同的測試方式來建立相關資料，包括拉伸試驗(Tensile Test)、彎曲試驗(Bend Test)、引伸(Deep Drawing)實驗與伸張彎曲實驗(Stretch Bend Test)等成形性測試方法及規範。

鎂鋰合金的拉伸機械性質
拉伸實驗根據ASTM-B 557M及ASTM E 517之規範執行，試片取與軋延方向成0度、45度與90度等三個方向。由ASTM-B 557M之規範可以獲得材料的降伏強度、抗拉強度、延伸率及加工（應變）硬化係數(Work Hardening Exponent, n)，而ASTM E 517之規範則可獲得材料的異向性參數(Anisotropic Parameters)。圖一所示為LZ60及LZ90合金於室溫下，與軋延方向為0°、45°和90°試片之單軸向拉伸試驗結果之真應力-應變曲線，應變速率為1.67-3 s-1，試片厚度為0.6mm。表一及表二為LZ60及LZ90合金在不同方向拉伸試驗之機械性質。LZ60及LZ90合金在90°方向的強度最高，而在45°方向則呈現最大的延展性，應變硬化係數(n)的最大值出現在0°方向。LZ60合金的強度較LZ90合金為高，但是延伸率低於LZ90合金。由於LZ90具有較多的β相，因此呈現較大的延伸率。在形成的過程中，如果主要是伸張(Stretching)的變形；例如沖壓成形，n值是影響伸張性(Stretchability)最重要的因素之ㄧ。雖然LZ60合金的平均n值比LZ90合金為大，但是其0.159的平均n值仍然偏低。由於LZ60合金沒有非常大的延伸率長，而且n值也偏低，因此LZ60合金在室溫下未能呈現良好的伸張性。雖然LZ90合金在室溫下顯示優異的延伸性，但是其平均n值只有0.011；LZ90合金在室溫下，也不具優異的伸張性。

圖一、鎂鋰合金拉伸實驗之真應力-應變曲線圖
(a) LZ60合金，(b)LZ90合金
資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期

表一、LZ60合金室溫拉伸機械性質

資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期

表二、LZ90合金室溫拉伸機械性質

資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期

鎂鋰合金的成形性參數
表三所列為LZ60及LZ90合金室溫之成形性參數。LZ60合金中具有較多的HCP相，所以LZ60合金具有較大的平均塑性應變比值()。一般而言，金屬板料若具有較大的值，通常會具有較佳的引伸性(Drawability)，極限引伸比(LDR)隨著值得增加而增加。LZ60板料在室溫下所呈現的LDR值大約為1.8，雖然LZ60合金的值為1.585，由於其僅具有中等的延伸率，所以並未顯現優異的引伸性。LZ60合金的平面異向性( )約為-0.57，大的值表示在引伸製程中會有較嚴重的皺耳現象出現。LZ90板料在室溫下顯示較大的LDR值；約為2.0。雖然LZ90合金具有較小的1.075的值，但是LZ90合金室溫下呈現優異的延伸率，所以其引伸性較佳。LZ90合金的高達-0.69，表示在引伸製程中，LZ90合金會有較嚴重的皺耳現象。

表三、鎂鋰合金室溫成形性參數

資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期

鎂鋰合金的成形極限圖
板材成形極限是根據實驗之結果作定量之分析，成形極限會受到應力的狀態(Stress State)、溫度及應變速率等因素的影響。一般而言，在塑性成形的過程中，拉應力所造成的影響較壓應力為嚴重，如果應力狀態能夠維持為壓應力，則可增加其成形極限；較高之溫度應有利於成形極限，但是，必需考慮到晶粒成長所可能造成之負面效果；較高之成形速率通常是會降低成形極限。成形極限圖中共分為兩個區域，極限圖中是以局部頸縮或是材料破裂做為分界點，當板片成形過程之應變狀態位於曲線之下半部時，表示為可允許的成形條件。當應變狀態位於曲線之上部時，表示為無法成形的條件。

圖二所示為LZ60及LZ90合金的成形極限圖(FLD)。LZ60合金在拉伸-拉伸(Tension-Tension)區域(FLD右方的區域)，亦即雙軸拉伸的區域，破裂極限的最大主軸應變(Major Strain)大約為14.5%，而極限次應變(Minor Strain)大約為15.7%。FLD右方拉伸-拉伸區域主要顯示金屬板料的伸張性，FLD表示LZ60板料呈現有限的伸張性，這項結果與拉伸實驗的低n值及適度的延伸率相吻合。在拉伸-壓縮(Tension-Compression)區域(FLD左方的區域)，最大主軸應變大約為22.4%，最大次應變大約為14.3%。FLD左方拉伸-壓縮區域主要呈現的是金屬板料的引伸性，所以，LZ60合金並未具有優良的引伸性。

圖二同時顯示，LZ90合金在拉伸-拉伸區域，其極限破裂應變值較LZ60合金為大；最大主軸應變約為20.2%，而極限次應變約為17.2%。雖然LZ90合金的平均n值比LZ60合金小，但是LZ90合金具有較大的延伸率，因此LZ90合金具有較佳的伸張性。在拉伸-壓縮區域，LZ90合金的最大主軸應變約為42.2%，最大次應變大約為20.4%。此項結果顯示，LZ90合金具有較佳的引伸性。

圖二、鎂鋰合金成形極限圖
資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期

LZ90合金在室溫具有優異的延展性，但是強度則較LZ60合金為低。鋰元素的含量會影響鎂鋰合金的成形性；LZ90具有較多的鋰含量，其室溫的成形性較LZ60合金為佳。LZ90合金呈現較佳的伸張性。LZ60及LZ90合金的平面異向性值都很大，在引伸製程中容易造成皺耳的現象。由拉伸實驗所獲得的機械性質及成形性參數，可以評估材料的成形性；拉伸實驗的結果與成形極限圖之間具有相當的關連性。圖三(a)及(b)所示為國內工研院材化所自行研發之鎂鋰合金3C零件。

圖三 (a)國內自行研發之鎂鋰合金筆記型電腦外殼；(b)國內自行研發之鎂鋰合金PDA外殼
資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第253期