鋼錠:全靜鋼、靜面鋼
純鐵:A1, A2, A3變態
這四個區段,由低溫到高溫分別標上α到γ:
鋼的分類
純鐵(C 少於 0.02)、鋼(0.02 ~ 2.14)、鑄鐵(2.14 ~ 6.67)
鋼鐵另外也有分低碳鋼(0.02 ~ 0.35)、中碳鋼(0.35 ~ 0.6)、高碳鋼(0.6 ~ 2.14)。
還有「軟鋼」(比低碳鋼軟,含碳量比低碳鋼低)、極軟鋼(C 少於 0.01) 等
可以立刻發現這張圖上有一個共析反應,在723度,這裡剛好是A1變態的溫度。這個反應生出來的東西就是共析鋼
首先是Y,這裡是C = 0.8%的共析鋼。這個反應是:
冷到723度,行共析反應
\[C = 0.8\% \to \alpha - Fe(C = 0.02\%) + Fe_{3}C(C = 6.67\%)\]
其中:
\[\frac {\alpha鐵}{Fe_{3}C} = \frac {6.67 - 0.8}{0.8 - 0.02} = \frac {5.87}{0.78}\]
可以發現這個反應中,變成一個含鐵量極少的物種 + 一個含鐵量極多的物種。其中\(Fe_{3}C(C=6.67)\)又叫作 「雪明碳鐵(Cementite)」。最後共析的結構大概長這個樣子:
其中黑線是雪明碳鐵,白色區域是α鐵。另外,這種層狀Fe3C與波來鐵的混合物又有一種名字, 叫做「波來鐵」(Perlite)。
繼續冷卻:理論上要有二次晶的,但是如果用槓桿定律來看,會發現他的含量實在是少到太少了,所以通常忽略他。
再來看\(X(C = 2.5\%)\)。因為含碳量比共析鋼小,所以就叫「亞共析鋼」(Preeutectoid Steel)。產生的反應是:
冷到\(t_{2}\)溫度:
\[\frac {初析 \alpha鐵}{殘留\gamma 鐵} = \frac {t_{2}\gamma_{2}}{t_{2} \alpha_{2}}\]
冷到723度,尚未行共析反應:
\[\frac {初析 \alpha鐵}{殘留\gamma 鐵} = \frac {t_{3}S}{t_{2}P}\]
冷卻到723度,行共析反應:
\[\frac {初析 \alpha 鐵}{波來鐵} = \frac {t_{3}S}{t_{3}C} = \frac {0.8 - 0.25}{0.25 - 0.02}\]
然後課本的圖至少有兩個錯誤:肥粒鐵跟波來鐵的比例不對(應該要肥粒鐵比較多)、單一肥粒鐵結晶應該會形成 很多個波來鐵晶粒,而不是原地不動。
最後看Z(c = 1.1%),也就是過共析鋼(Posteutectoid)
當冷到723度,未產生共析反應之前
\[\frac {初析 Fe_{3}C}{殘留\gamma 鐵} = \frac {6S}{6K}\]
當冷到723度,產生共析反應:
\[\frac {初析 Fe_{3}C}{殘留波來鐵} = \frac {6S}{6K} =\frac {1.1 - 0.8}{6.67 - 1.1}\]
可以發現幾乎差了19倍。因為\(Fe_{3}C\)實在是太少了,少到沒辦法變一層一層,所以他會變成網狀的。
另外,因為過共析鋼的波來鐵晶粒實在是超大的,所以有的時候雪明碳鐵析出時不會乖乖在晶界析出,而是直接在晶粒裡面析出,所以雪明碳帖就會一片一片卡在波來鐵晶粒中,這種組織叫「費德曼組織」。
不過費德曼組織對強度來說是不好的,所以要想辦法去除。
這裡補充一個小八卦:實際上,可以只看圖就知道亞共析鋼成分,因為波來鐵很黑,肥粒鐵很白。大概的概念像這樣:
最後,我們可以把這些反應的溫度標記到相圖上,像這樣:
另外,你可能會納悶為什麼沒有\(A_{2}\),其實是有的不過是條大約在723度的水平線(沒標出)。 \(A_{cm}\)是指「雪明碳鐵」的意思,因為往下他會產生雪明碳鐵嘛。
有一個小八卦是,其實有\(A_{0}\)變態的,在大約215度時,也是磁性會變化的地方。
目前為止,我們都是假定金屬在很緩慢的狀況下冷卻。接下來要討論如果改變冷卻速度,對產生出來的金屬會有什麼影響。
如果把金屬用不同的速度冷卻,有可能會讓鋼鐵形成不同的組織,鍛刀大賽都有播。
所以就從鍛刀大賽最常看的淬火開始吧~
淬火就是把熔融的鐵丟到液體裡面,鐵就會急速冷卻。像下面這裡就有很多不同的東西可以丟:
可以注意到他們的溫度都是持續遞減的,這種就叫「連續冷卻」。還有一種很奇耙的冷卻方法,就是冷到一定程度時, 把他溫度保持固定一段時間,然後再繼續讓他冷卻(當然,需要相關設備輔助)。這種冷卻就叫做「恆溫冷卻」。
把鐵丟掉這4種東西裡面時,可以順便畫一下他們的變態過程:
這裡先注意一些小細節:
首先看爐冷。爐冷就是放在裡面跟爐子一起變冷,所以想當然他會非常慢,有很充分的時間去結晶,所以晶粒會很粗 ,叫做「Coarse Perlite」。
再來看空冷。冷卻速度中等,形成「中波來鐵」。英國人很堅持他們要取特別的名字, 所以他們的「中波來鐵(medium perlite)」會叫「糙班鐵(sobite)」;
然後跳過油冷,先看最暴力的水冷。因為水的熱容很大,所以鐵會超快速的被冷卻,根本沒有時間慢慢長,溫度就離開共析點了,所以這時候就不會有波來鐵,而是形成一種性質不同的物質,就叫「麻田散鐵」 。還會有一些可憐來不及變態的沃斯田鐵(R.A., Risidual Austenite)留下來。那個Ms溫度是指「麻田散鐵變態開始產生時的溫度」。
最後看油冷。油冷速度很快,所以可以猜她會有一點麻田散鐵。但是他沒有水冷那麼快,所以還是可以產生一些波來鐵,不過因為很快,所以也沒辦法長太大。確實,他的顯微結構是一些「細波來鐵(fine perlite)」,加上少量的麻田散鐵, 及一些殘留的沃斯田鐵。另外,英國人的堅持,細波來鐵他們會叫「吐粒散鐵(troostite)」。
一件要注意的小細節是:殘留沃斯田鐵並不是穩定的東西,而且密度比常溫下的其他形態的鋼都還要高。如果在常溫時, 他變成了其他比較穩定的型態,那麼精密度就可能會受到影響。所以在這種用途,需要多做一些事來消除殘留的沃斯田鐵。
這張圖還可以在注意一些事:Ar會隨著「溫度下降速度不同」,而下降。溫度下降速度越快,Ar就越低(比如說爐冷、空冷)。當冷卻速度快到一定程度時,麻田散鐵變態開始出現(比如說油冷);在持續變快時, 波來鐵變態完全消失,只剩下麻田散鐵變態(水冷)。(課本沒有的那張圖)。
所以總結一下過程,不同的冷速會有不同的產物,而且變態發生的溫度也會不同,所以就可以把不同冷速下,開始變態的點 畫出來,得到以下的圖:
如果是用在連續冷卻的話,這樣就夠用了。不過隋著科技進步,我們可以讓鋼「保持恆溫」,然後逐個溫度量測變態發生的溫度, 得到下面的圖:
鼻部以上的邏輯跟連續冷卻一樣的,而鼻部以下呢? 一個叫Bain的人也想到一樣的問題。照理說,這樣的東西跟油冷得到的東西類似,也就是 波來鐵跟麻田散鐵的混合物。不過,他發現這裡面沒有波來鐵,取而代之的是另外一種組 成與波來鐵一樣,但是構造不一樣的物質,這個東西 就用他的名字命名,叫Benite「變韌鐵」
雖然變韌鐵成分跟波來鐵一樣,但微觀構造跟波來鐵不太一樣。波來鐵的結構是層狀,但是變韌鐵是葉狀分部,葉狀分佈中含有板狀(上變韌)或針狀(下變韌)的雪明碳鐵,而這個雪明碳鐵,其實是過飽和的,因此含碳量會比0.02多,也因此比波來鐵還要硬。如果把它跟其他剛剛得到的鋼比較:
變韌鐵的一般性質還不錯,韌性比麻田散鐵好,硬度又比波來鐵好,幾乎逼近麻田散鐵。 但是問題是,如果要做出來,降溫曲線就要避開鼻部地區,也就是要先急冷,冷到一定溫度之後,突然保持恆溫,直到變態完成為止。但這是一件很困難的事,而且通常工業 都要一次處理很大塊的金屬,所以即使外部可以達成這種目標,內部降溫也不會那麼快,所以還是很難避開。而且這是log scaled之後的曲線,也就是說要恆溫很久,才可以做出變韌鐵,整個很不合成本。還不如用麻田散鐵,瞬間下去就生出來了。
另外值注意的是,波來鐵是隨時間慢慢生出來的,但是麻田散鐵是瞬間生出來的。 所以下面麻田散鐵的變態,根本是一條平的,表示溫度到了之後, 麻田散鐵就瞬間完成變化了。用再久也一樣,不會再多了。
所以要增加麻田散鐵的比例要怎麼做?既然用比較久也沒比較多,那就–沒錯,就是把最終溫度降得很低很低,麻田散鐵比例就會變多了。如下圖:
變韌鐵很難做,但是麻田散鐵可以做很快,這樣聽起來好像麻田散鐵比較好。但是麻田散鐵很脆,所以要想個辦法 讓他韌性變好一點。該怎麼做呢?
答案是:回火。