# [工材]第十週筆記

合金鋼
* 高強度低合金鋼(HSLA)
* 耐候鋼：加入Cu, Cr
* 低溫用鋼：加入Ni

易切鋼
* S系易切鋼
* Pb系易切鋼
* S - Pb系
* Ca系

熱處理用中合金鋼
* 碳鋼的兩大缺點：
* 質量效果大
* 回火易軟化，硬度與韌性兩者難兼具。
* 改善
* 硬化能
* 影響硬化能的因素：有「內在」與「外在」
* 沃斯田鐵的化學組成
* 沃斯田鐵晶粒度
* 會不會產生carbide ? carbide會不會固溶進沃斯田鐵?
* 鋼的表面、形狀、尺寸，淬火液性能
* 特殊元素對鋼硬化能的影響
* Jominy Hardenability Test
* Grossman's Test
* 化學成份對硬化能的影響

# 合金鋼

因為碳鋼仍然有諸多缺點，這時候就可以合金去改良性質，這就是合金鋼的用處。主要的合金鋼有下面這幾種：


其中比較重要的有：

* 構造用合金鋼：用來承受應力與荷重的鋼
* 工具鋼：硬，高碳

## 構造用合金鋼


是用來承受「荷重」與「應力」的鋼。比如說建築物、船舶等等這種需要一大塊東西在那邊撐著的用途。

### 高強度低合金鋼(HSLA)
HSLA是「High Strength Low Alloy Steel」的意思。

主要手段是透過添加合金來改善肥粒鐵性質，增強強度。常常增加的東西有下面圖裡面的各種元素：



### 耐候鋼：加入Cu, Cr


### 低溫用鋼：加入Ni

一般的高強度鋼焊接時容易殘留應力，在低溫的時候，因為金屬會變得更脆，如果這時有一點點裂縫，這些因素加起來就會讓裂縫擴散的很快。

在低溫時，這種狀況最好不要讓他發生，所以需要有「抵抗裂縫擴散」能力好的材料，也就是有充分「++缺口韌性++」的材料。這個就是低溫用鋼的用途。


## 易切鋼(Free-Cutting Steels)
是希望加工得時後，鐵屑可以很容易切掉。不過，「鐵屑很容易切掉」也表示硬度很低，所以他並不適合做需要承受強大應力的機件。

在一些不在意強度的螺栓可以用他。

### S系易切鋼
加S。之前說過硫是很廢的東西，加了會讓所有性質都變弱，不過這裡就是要故意讓鋼變很廢，所以就加他。其實還有加$Mn$，兩者加工時會形成$MnS$，就會容易被切掉。

### Pb系易切鋼
鉛會在鐵的晶粒中形成獨立的鉛顆粒，加工時切到鉛就會很易斷。

### S - Pb系
就是上面兩個一起來嘛～

### Ca系
加工時會產生$Ca$的氧化物，附著在刀具上，減少刀具切割時的摩擦力。不過加$Ca$並不在易切鋼的通用規格中，只是看自己需求添加。

## 熱處理用中合金鋼(強韌鋼)
回憶一下之前上過機械構造用碳鋼，是用來淬火回火得到性質良好的鋼。但是碳鋼有兩大缺點：

* 質量效果大
* 回火易軟化，硬度與韌性兩者難兼具。

解法(永遠就是那一招)：加入合金。既然是要解決上面兩個問題，加入合金的方向就會是：

* 改善「硬化能」：「硬化能」是淬火之後，金屬可以變多硬的指標。金屬硬化能越大，淬火效果越好。所以加入硬化能更高的金屬，就可以減少質量效果，而達成更深入的淬火，讓淬火的效果變好。

* 加入能夠抵抗回火軟化的合金：

不過這裡要先介紹「硬化能」是什麼。

### 硬化能

>「硬化能」聽起來像是一種能量，但其實英文是"Hardenability", 所以「能」其實是「能力」「性能」的意思，跟能量沒什麼關係。

定義是：++淬火之後，中心得到麻田散鐵的量的多寡++。注意是以「量」作為指標而不是「硬度」。

這個定義其實很好懂，因為淬火的目的就是得到堅硬的麻田散鐵，所以可以說「產生麻田散鐵多寡的能力 = 變硬的能力」。這樣「硬化能」的定義就很清楚了。

然後那個「能」其實是ability得意思，跟energy其實沒什麼關係。

### 影響硬化能的因素
有「內在」與「外在」。大致上有以下這幾點：

* 沃斯田鐵的化學組成：這決定高溫時元素能不能固溶進沃斯田鐵。

* 沃斯田鐵晶粒度：加入合金之後會不會讓沃斯田鐵晶粒變更大(一般來說是不會)

* 會不會產生carbide ? carbide會不會固溶進沃斯田鐵?：比如說加入$Mo$與$Ni$容易形成碳化物，但是如果這些碳化物形成大顆粒而沒有固溶進去，那這些碳化物就只是比較大的雜質而已。

* 鋼的表面、形狀、尺寸，淬火液性能

### 特殊元素對鋼硬化能的影響

一般來說，加入的合金要能「固溶」進沃斯田鐵，才可以帶來好處。如果沒辦法，就會在降到常溫之後，形成獨立的顆粒，反而沒辦法影響淬火之後麻田散鐵的性質，而且還會降低機械強度。

### Jominy Hardenability Test

是一種用來鑑定「硬化能」的測試。過程如下：

{%youtube qMMV0QkiWxc%}

白話文就是先準備以下的裝置：


然後把加熱到淬火溫度的圓棒用水柱往其中一端噴，然後觀察硬度與端面距離的關係。

這裡有完整的過程：

{%youtube qjsZVivfzcg%}

做完之後去測「離水柱距離」跟「那個距離的硬度」(上面影片最後面有)，畫成曲線之後會得到傳說中的++Jominy Curve++：
可以知道曲線1性質比2好，因為淬火的效力更深入。大致上來說，
++Jominy Curve越往右上，表示硬化能是越好的++。如果對含碳量相同，但是加入不同合金的鋼做Jominy Test，可以得到：
這樣就可以知道添加不同金屬之後，哪些金屬對淬火的性能提升最多。
但是Jominy Test的缺點是他++只是定性的++，只能比較出「哪些元素影響比較大」，至於「影響多少」「含量與硬度的關係」，這些量化的指標是測不出來的。所以就有了Grossman的測試

### Grossman's Test

> 「化學成份對硬化能的影響」主要是在講Jominy Test跟Grossman Test。為了方便這裡分成兩個部分寫。

在介紹Grossman做了什麼之前，先介紹兩個名詞：

* 「理想淬火」：這是一種「假設」，假定把鋼放入淬火液的瞬間，表面溫度會立刻與淬火液相同。雖然說是假設，但是理論上與實際上這都是可以做到的(雖然我不知道唸熱力的那群是怎麼推出來的)。

* 「理想臨界淬火直徑」：把不同半直的試片，分別進行「理想淬火」，並觀察在哪個直徑時，淬火後中心恰好產生50%的麻田散鐵 + 50%的吐粒散鐵。這個直徑就叫做「理想臨界淬火直徑」

然後就是Grossman Test的~~本體~~內容了：

$$「計算添加合金前與添加合金後，『理想淬火直徑』與『添加量』的關係」$$

好了，這就是Grossman Test的內容了。如果把「理想淬火直徑」跟「添加量」的實驗結果做出來，會得到：


如果加了很多不同合金，就連乘起來：


八卦是分散之後再連乘起來，效果會比集中在單一元素來的好。跟算幾不等式有87%像。

雖然Grossman's Test給出了量化的指標，但是因為是是在很理想的狀況下做出來，而實際上煉鋼會有很多雜質，所以很難確定小試片的狀況可以類推到大量煉鋼，所以現在還不是規範。

### 沃斯田鐵晶粒度與理想臨界淬火直徑關係


一般來說，錳跟鉬是公認效果最好的，鉻、鎳也不錯。

另外，晶粒度號碼是用ASTM標準算出來，也就是作業二的算法算出。規定是100X下，計算每平方英吋中有的晶粒數目N，並令：
$$N = 2 ^{(n - 1)}$$

這時n就稱為該$\gamma - Fe$的晶粒度。

++<b>晶粒越大，沃斯田鐵硬化能越好</b>++。因為所有變態都是從晶界開始，這表示晶界越多，產生麻田散鐵前產生的波來鐵就越多，而這剛好是不想要的。

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(壓力很大 決定開始在我筆記裡發廢文)
(乾 剛剛那人放的好難聽 我要聽Ultra)
{%youtube 8AGMT5glde8%}