# [工材]第七週筆記

## Iron and Steel
* 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：

* ~ 800 ：α鐵, BCC, 叫做「肥粒鐵」
* 800 ~ 910：β鐵, BCC, 沒特別名稱，不過這個溫度較「磁氣變態點」
* 910 ~ 1400：γ鐵, FCC, 叫做「沃斯田鐵」
* 1400 ~ 1536 ：δ鐵, BCC, 沒特別名稱

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

## 鐵碳平衡圖


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：

1. 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 「<b>雪明碳鐵(Cementite)</b>」。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)。

2. 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：


1. 冷到$t_{2}$溫度：

$$\frac {初析 \alpha鐵}{殘留\gamma 鐵} = \frac {t_{2}\gamma_{2}}{t_{2} \alpha_{2}}$$

2. 冷到723度，尚未行共析反應：

$$\frac {初析 \alpha鐵}{殘留\gamma 鐵} = \frac {t_{3}S}{t_{2}P}$$

3. 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)

1. 當冷到723度，未產生共析反應之前
$$\frac {初析 Fe_{3}C}{殘留\gamma 鐵} = \frac {6S}{6K}$$

2. 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。

## 鋼的熱處理

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

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<b>持續遞減</b>的，這種就叫「<b>連續冷卻</b>」。還有一種很奇耙的冷卻方法，就是冷到一定程度時， 把他<b>溫度保持固定一段時間，然後再繼續讓他冷卻</b>（當然，需要相關設備輔助）。這種冷卻就叫做「<b>恆溫冷卻</b>」。

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：

* $A_{1}$是共析變態點
* $Ac_{1}$是加熱時的共析變態點。
* $Ar_{1}$是冷卻時的共析變態點。

#### 爐冷
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」。

#### 空冷
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)」;

#### 水冷(注意是最下面那張圖)
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」。

#### 油冷
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。