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研究生： 曾榮堃
論文名稱： 機械燒結製程之簡化電腦數值模擬
指導教授： 蔣長榮
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2003
畢業學年度： 91
語文別： 中文
中文關鍵詞： 曾榮堃 、機械燒結 、數值模擬
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    • 本文主旨在模擬燒結製程內部緻密化，模擬材料為陶瓷材料 ，針對燒結時粉末幾何排列差異造成內部孔穴進行模擬，利用壓力、溫度、及時間的關係來進行分析。
    在燒結時，燒結體在高溫及受壓力下會造成材料內部流動的潛變現象，這種因高溫造成近黏塑性流體所產生的潛變即是本文討論的重點，特別對穩態潛變即線性潛變進行詳細討論。由於在某一特定假設條件下，線彈性變形之位移與潛變行為之速率有一比例關係，此一比例關係即是潛變問題中相對應的潛變率，本文主要的分析方法變基於此一關聯。將時間做適度的離散化後，以時間間隔乘上此潛變速率，可得到材料內部的的形變，藉此來模擬燒結體在燒結時內部狀況，本文利用不同虛擬的線彈性解來模擬具線黏塑性材料在不同溫度下之潛變行為，提供一個簡化數值模擬方法，來描述複雜的材料內部高溫潛變行為，提供了燒結製造設計者一簡便之參考依據。

    摘要 ……………………………………………………………………I 目錄 ……………………………………………………………………II 圖目錄 …………………………………………………………………IV 附圖目錄 ……………………………………………………………VII 第一章 導論 ………………………………………………………1 1-1 前言 ………………………………………………………1 1-2 文獻回顧 …………………………………………………3 1-3 研究動機與目的 …………………………………………… 8 第二章 理論方法 …………………………………………………10 2-1 燒結機構 ……………………………………………10 2-2 潛變 ……………………………………………………10 2-3 高溫潛變機制線性化基本假設 ………………………13 2-3 穩態潛變線性漸近 ……………………………………14 2-4 基本假設 ………………………………………………15 第三章 陶瓷材料Si3N4燒結模擬 …………………………………18 3-1 問題描述 ………………………………………………18 3-2 建立模型 ………………………………………………18 3-3 雙軸均佈壓力模型 ………………………………………19 3-4 壓力模型處理方法 ………………………………………20 3-5 材料係數之選定 …………………………………………22 3-6 模擬的流程 ………………………………………………22 第四章 結果與討論 ………………………………………………24 第五章 結論 ………………………………………………………26 參考文獻 ……………………………………………………………29 圖目錄 圖2.1 燒結機構圖 ……………………………………………………31 圖2.2 潛變三階段圖 …………………………………………………32 圖2.3 步級應力下各種不同性質的應變 ……………………………33 圖2.4 金屬與高分子材料潛變與復合 ………………………………34 圖2.5 定溫下應力對潛變曲線的影響 ………………………………35 圖2.6 定應力下溫度對潛變曲線的影響 ……………………………35 圖2.7 穩態潛變線性逼近圖 …………………………………………36 圖3.1 粉末粒子不同的排列所造成的材料內部缺孔 ………………37 圖3.2 燒結的最初階段頸部成長圖 …………………………………38 圖3.3 (a) 粉末粒子不同的排列所造成的材料內部缺孔 ……38 (b)燒結初期頸部成長現象 圖3.4 case-1模型 ……………………………………………………39 圖3.5 case-2模型 ……………………………………………………39 圖3.6 case-1受均佈壓力模型 ………………………………………40 圖3.7 case-2受均佈壓力模型 ………………………………………40 圖3.8 case-1半對稱模型 ……………………………………………41 圖3.9 case-1半對稱模型 ……………………………………………41 圖3.10 case-2雙軸對稱四分之一模型 ……………………………42 圖3.11 case-1二分之一模型網格示意圖……………………………43 圖3.12 case-2四分之一模型網格示意圖……………………………44 圖3.13 case-1發生最大位移處位移量與Element數目關係圖 ……45 圖3.14 case-2發生最大位移處位移量與Element數目關係圖 ……45 圖3.15 穩態潛變率與應力對數關係圖………………………………46 圖4.1 (case-1)3MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ………47 圖4.2 (case-1)5MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ………47 圖4.3 (case-1)7MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ………48 圖4.4 (case-1)9MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ………48 圖4.5 (case-1)15MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖………49 圖4.6 (case-1)燒結溫度-收斂時間關係圖…………………………49 圖4.7 (case-1)燒結溫度-收斂時間關係圖…………………………50 圖4.8 (case-1)燒結溫度-燒結壓力關係圖…………………………50 圖4.9 (case-2)3MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ………51 圖4.10 (case-2)5MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖………51 圖4.11 (case-2)7MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖………52 圖4.12 (case-2)9MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖………52 圖4.13 (case-2)15MPa孔洞與材料面積比與收斂時間關係圖 ……53 圖4.14 (case-2)燒結溫度-收斂時間關係圖 ………………………53 圖4.15 (case-1)燒結溫度-收斂時間關係圖 ………………………54 圖4.16 (case-2)燒結溫度-燒結壓力關係圖 ………………………54 附圖目錄 附圖1 (case-1)3MPa；T=1435℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………55 附圖2 (case-1)3MPa；T=1475℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………55 附圖3 (case-1)3MPa；T=1500℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………56 附圖4 (case-1)3MPa；T=1515℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………56 附圖5 (case-1)3MPa；T=1530℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………57 附圖6 (case-1)3MPa；T=1550℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………57 附圖7 (case-1)3MPa；T=1580℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………58 附圖8 (case-1)5MPa；T=1365℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………58 附圖9 (case-1)5MPa；T=1405℃燒結時間與孔洞形狀關係圖………59 附圖10 (case-1)5MPa；T=1438℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……59 附圖11 (case-1)5MPa；T=1460℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……60 附圖12 (case-1)5MPa；T=1480℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……60 附圖13 (case-1)5MPa；T=1500℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……61 附圖14 (case-1)7MPa；T=1350℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……61 附圖15 (case-1)7MPa；T=1390℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……62 附圖16 (case-1)7MPa；T=1410℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……62 附圖17 (case-1)7MPa；T=1430℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……63 附圖18 (case-1)7MPa；T=1450℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……63 附圖19 (case-1)7MPa；T=1470℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……64 附圖20 (case-1)7MPa；T=1330℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……64 附圖21 (case-1)7MPa；T=1350℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……65 附圖22 (case-1)7MPa；T=1370℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……65 附圖23 (case-1)7MPa；T=1390℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……66 附圖24 (case-1)7MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……66 附圖25 (case-1)7MPa；T=1420℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……67 附圖26 (case-1)7MPa；T=1440℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……67 附圖27 (case-1)15MPa；T=1280℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……68 附圖28 (case-1)15MPa；T=1300℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……68 附圖29 (case-1)15MPa；T=1320℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……69 附圖30 (case-1)15MPa；T=1340℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……69 附圖31 (case-1)15MPa；T=1355℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……70 附圖32 (case-1)15MPa；T=1380℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……70 附圖33 (case-1)15MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……71 附圖34 (case-2)3MPa；T=1450℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……71 附圖35 (case-2)3MPa；T=1470℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……72 附圖36 (case-2)3MPa；T=1500℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……72 附圖37 (case-2)3MPa；T=1520℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……73 附圖38 (case-2)3MPa；T=1540℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……73 附圖39 (case-2)5MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……74 附圖40 (case-2)5MPa；T=1420℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……74 附圖41 (case-2)5MPa；T=1440℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……75 附圖42 (case-2)5MPa；T=1460℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……75 附圖43 (case-2)5MPa；T=1480℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……76 附圖44 (case-2)5MPa；T=1500℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……76 附圖45 (case-2)7MPa；T=1370℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……77 附圖46 (case-2)7MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……77 附圖47 (case-2)7MPa；T=1420℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……78 附圖48 (case-2)7MPa；T=1450℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……78 附圖49 (case-2)7MPa；T=1460℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……79 附圖50 (case-2)7MPa；T=1480℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……79 附圖51 (case-2)9MPa；T=1340℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……80 附圖52 (case-2)9MPa；T=1360℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……80 附圖53 (case-2)9MPa；T=1380℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……81 附圖54 (case-2)9MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……81 附圖55 (case-2)9MPa；T=1420℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……82 附圖56 (case-2)9MPa；T=1450℃燒結時間與孔洞形狀關係圖 ……82 附圖57 (case-2)15MPa；T=1300℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……83 附圖58 (case-2)15MPa；T=1320℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……83 附圖59 (case-2)15MPa；T=1350℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……84 附圖60 (case-2)15MPa；T=1370℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……84 附圖61 (case-2)15MPa；T=1400℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……85 附圖62 (case-2)15MPa；T=1420℃燒結時間與孔洞形狀關係圖……85

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