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[工材]第八週筆記

退火(Annealing)

把鋼料加到特定的溫度,慢慢慢慢慢的冷卻。乍看之下會覺得這樣會讓內部應力消失 ,讓材料變軟,而事實上就是這個樣子,跟之前學的那個什麼再結晶一樣。

  • 消除加工硬化,增加加工性。

  • 調整結晶構造

  • 消除不均勻性,比如說消除冷卻時的偏析(有人會叫均化處理)。

簡單來說,會用到這種事的場合有兩種。

  1. 加工加工到一半,希望他變軟,以利加工。這時候不用升到太高的溫度, 比共析溫度略低即可。這種退火叫「製程退火」。
  2. 你就是想要這種性質的金屬你咬我啊, 這時候會把溫度加熱到比變態溫度略高一些, 讓變態較容易發生。 這種退火就叫做「完全退火」。

加工退火比較單純,就是加到那個溫度,然後冷卻就好。

完全退火比較講究一點。首先是溫度, 適合的完全退火的溫度是非常接近變態時的溫度, 太高溫的話,以前學在在再結晶的時候都知道這會形成太粗大的晶粒, 材料會變太脆弱。所以不希望太高。大概像這樣:

注意到退火溫度通常會比理論最小值再多個30~50度,因為爐子通常不是均勻的加熱,溫度高一點比較保險。

正常化(Normalizing)

是一個跟退火很像的東西,只不過是把它加到一定溫度之後,不是慢慢冷卻,而是 把他放空冷

主要用在鑄造跟焊接的時後。因為這兩個過程會讓鐵保持在高溫很長的時間,這時候晶粒就會變肥,機械性質就不好。 這時候就需要做一些是讓晶粒變「正常」,這時候就是使用正常化的時候~

可以姑且視為是「使晶粒大小變正常」。算是焊接跟鑄造的標準步驟之一。

淬火(Quenching)

之前說過,沃斯田鐵暴力冷卻會得到很硬的麻田散鐵,這就是淬火。主要目的是得到堅硬的金屬。

淬火是很看資質材料本質的一件事,不是每一種鋼都適合淬火。含碳量越多的鐵,硬度越大。所以如果碳太少,那淬火之後硬度可能不會提升那麼多。

那這表示含碳量越多越好嗎?拍謝,不是滴~~

來看看麻田散鐵變態開始與結束的溫度,與含碳量的關係:

上面這張圖說:「含碳量越多,麻田散鐵變化完成度越低」。比如含碳量0.4時,麻田散鐵在常溫就完成變態了,但是在1.2時,0度都比

Mf高溫,常溫下當然就不可能百分之百完成變態了。

這兩個效應是相反的效應。所以當含碳量增加時,兩者就會互相抵消,最後淬火後硬度與含碳量的關係就大概如下:

含碳量多的麻田散鐵比較硬,但是形成麻田散鐵的完成度會越低,殘留沃斯田鐵的比率會隨含碳量增加而變多,把硬度拉低,所以彼此之間抵銷。最後含碳量越多的鋼,硬度反而不會增加的那麼顯著。

麻田散鐵變態的特性

tl;dr. 直接看下面四點

  1. 用聲音速度噴出來
  2. 變態時體積膨脹,使得周圍沃斯田鐵周圍壓力更大,形成殘留沃斯田鐵
  3. 因此內部應力很大,容易產生淬火裂痕
  4. 是BCT構造

麻田散鐵生成跟一般的鐵不太一樣:他是突然噴出來的,速度跟聲速一樣。而且麻田散鐵密度比沃斯田鐵低,所以瞬間噴出一堆麻田散鐵之後,夾在中間的 沃斯田鐵就需要更多力量才能撐開周圍的麻田散鐵,完成變態。這麼變態的過程當然不可能每個人都做得到啊~所以最後就會有一些沃斯田鐵不能順利變態完成, 變成殘留沃斯田鐵。反正周圍壓力很大,常溫可以讓沃斯田鐵存在也是正常的。

這麼變態的過程,那如果應力太大會不會不小心裂開啊?當然會啊~這就是 淬火裂痕。淬火裂痕的成因有兩個。 一個是熱脹冷縮,外面剛冷卻時,是熱脹時的半徑。等裡面冷縮時,就會把外殼往裡面拉,在表面形成壓力。不過因為鐵抗壓很好,所以這個危害還好。 另外一個是變態時的的密度變化,這個比較危險,因為裡面體積變大, 想要把外殼撐開,所以對外殼來說是形成張力,如果太快,這個就對鐵不太好了。 真正的危害是密度變化的影響。

要避免這件事的方法,就是小心選擇淬火液:

可以注意到的是,鹽水在nose區域的冷卻是最快的。 因為加熱時,鐵附近的水會瞬間被蒸發,鹽會析出來,並且在水蒸氣泡泡附近跳動, 這樣就可以把附近的小泡泡排開,新的冷水就可以進到鐵的表面, 這樣就增加淬火的效率了。

微觀構造來說,麻田散鐵是個想變成BCC的FCC,但是因為太快了,C沒辦法 順利卡進面上,只好卡在邊上,形成BCT構造,這個就叫「α麻田散鐵」。 如果把他稍微回火一些,那麼C就可以離開本來的晶格,跟其他鐵形成鐵碳化合物, 這種就叫「β麻田散鐵」。

有關於這兩個晶格的構造可以看這裡

再來看溫度:

亞共析鋼很明顯把它提升到沃斯田鐵就可以了。那為什麼過共析鋼不是提升到Acm ? 注意淬火的要求是硬度。麻田散鐵的硬度是68,但是雪明碳鐵是800~1100。 如果要提升硬度,最直接的方法就是產生盡可能多的雪明碳鐵。 Level Rule一下去就發現越靠近共析溫度,產生的雪明碳鐵越多。這就是 高碳鋼是在共析溫度淬火的理由。

不過,高碳鋼淬火會有一個bug:產生的雪明碳鐵是網狀的,這是很不好的結構。 所以淬火完之後還要做一些處理,把他變成球狀雪明碳鐵。

質量效果

這裡先講一個小常識:如果你把東西等比例放大兩倍,表面積-體積比會變小。 但是淬火時,熱是從表面積散出的,所以比例放大時,冷卻效率反而會下降。 這就是質量效果。如果把它畫出來會長這樣:

因為這根本是常識,所以沒有直接的方法可以避免他。那要怎麼辦?

答:用合金