# [工材]第七週筆記

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此為105-1的修改版
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[105-1 第六週筆記](https://hackmd.io/s/H1qU_MRlx)
[105-1 第七週筆記](https://hackmd.io/s/HkXmAMAgx)
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# 機械性質
## Creep Test濳變測試:高溫材料試驗
我們從拉伸試驗得知若施加外力在彈性限度以下，應變與應力成正比。然而這只有在常溫下才有的情況，隨著環境溫度越來越高，材料就算受同樣的外力，其變形量也非定值。生活中的例子有發電廠和飛機引擎的渦輪機。大概溫度大於熔點的一半時，才會有危險。

試驗時間：非常久（比fatigue test久）
詳細過程可以看課本。

## Metallographic Test晶相測試

白話文：把金屬拋光，然後腐蝕他，再用顯微鏡看紋路。因為不同相之間會有不同程度的腐蝕，所以就形成不同的紋路， 藉此就可以看到金屬的microstructure。常用的腐蝕液有<b>Nital</b>與<b>弗酸</b>。詳細過程可以看課本。

## 非破壞性試驗
- 滲透探傷法
- 染色滲透法
- 螢光滲透法：用紫外光照
- 磁粉探傷法
- 超音波探傷法
- 反射式
- 穿透式
- 放射性探傷法：照x光

# 鋼與鐵(Iron and Steel)
*生鐵(pig iron)* 和*鋼鐵(steel & iron)* 的製法：

一貫作業大鋼廠
* 煉鐵廠：高爐、鼓風爐
* 煉鋼法：
* 平爐(Open hearth furnaces)
* 轉爐(converter)(用氧由上往下吹)
轉爐是用由上往下把雜質吹掉。雖然雜質被除掉了，但是鋼裡面仍然會有很多氧氣。
* 電爐(Electric furnace)
* 電弧爐(Electric arc furnace)

## 鋼錠(steel ingot)

經過精煉的熔鋼，尚有氧氣。如果只把氧氣還原一點點，凝固過程中就會產生劇烈火花，並且凝固時內部會殘留氣泡，這就是「淨面鋼錠」，或叫「未靜鋼錠」。但是表面會是非常光滑，像鏡子一樣(想像一下黑曜石)：


如果把鋼鐵內的氧氣完全還原，凝固時就會很緩和，氣泡也會集中在鋼錠上方，而內部組成大致均勻，就叫「全靜鋼錠」(killed steel)。
補：半靜鋼錠(semi-killed steel)


特徵是氣體會泡泡那樣集中在最上方，所以使用時會先把上面有縮管的部分截掉。

未靜鋼錠因為裡面有泡泡，所以很顯然不是很適合做成零件，但是可以做其他用途(比如說裝飾)。而全靜鋼就比較適合拿來做零件。

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* 連續鑄造法(C.C., continuous casting)
把熔鋼連續地凝固成所需緞面形狀的大鋼片。（非鋼錠）

機械廠：軋鋼條、鋼板、鋼球

## 純鐵的變態
動機：觀察溫度上升時，純鐵長度的變化，可以得到下面這樣的圖：


就發現在約910度時，長度有急遽變化，所以可以猜測有結構轉變。另外，如果繼續往上加溫，可以發現：


大約1400度時，長度變化性質又變回原來的樣子。另外，如果觀察磁化強度隨溫度上升的變化，可以發現：


在大概810度時，磁性完全消失(幾乎為零)，而910度時，經歷了跟長度變化一樣的drop，所以推測這裡真的發生了結構變化。把剛剛的結論整理一下， 性質變化的點大分四個區段：

* ~ 800 ：
* 800 ~ 910：
* 910 ~ 1400：
* 1400 + ：

這四個區段，由低溫到高溫分別標上α
到γ：

* ~ 800 ：α鐵, BCC
* 800 ~ 910：β鐵, BCC
* 910 ~ 1400：γ鐵, FCC
* 1400 + ：δ鐵, BCC

不過因為β鐵機械性質跟α差不多，所以工程上把他們視為同一種東西。

來取個名字好了

* ~ 800 ：α鐵, BCC, 叫做「肥粒鐵」Ferrite
* 800 ~ 910：β鐵, BCC, 沒特別名稱，不過這個溫度叫「磁氣變態點」
* 910 ~ 1400：γ鐵, FCC, 叫做「沃斯田鐵」Austenite
* 1400 ~ 1536 ：δ鐵, BCC, 沒特別名稱
> 對於鋼和純鐵來說，兩者的彈性限、彈性係數相近。

## 鐵碳平衡圖
### 鋼的分類

* 純鐵(C 少於 0.02％)、鋼(0.02％ ~ 2％)、鑄鐵(2％~ 6.67％)

* 鋼鐵另外也有分低碳鋼(0.02％ ~ 0. 25％)、中碳鋼(0.25％ ~ 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 0.1％) 、硬鋼、極硬鋼

| 按照碳的比例高低| 碳的比例（％） | 按照碳的比例高低 ||
| -------- | -------- | -------- |- |
| 低碳鋼 | 0.02~0.25 | 極軟鋼（C<0.1%）;軟鋼|好塑形，例如船板|
| 中碳鋼 | 0.25~0.55 | 硬鋼 ||
| 高碳鋼 | >0.6 | 極硬鋼 |常用於工具、模具等（不能太硬、否則無法鑄造）|
> 中碳鋼跟高碳鋼常用來熱處理（例：淬火、回火）

### 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

- <b>首先是Y，這裡是C = 0.8%的共析鋼。這個反應是：</b>

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)= Cementite+Ferrite。

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。

- <b>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」(Pre-eutectoid Steel; hypo-eutectoid)。產生的反應是：</b>


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：

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

3. 冷卻到723度，行共析反應：

$$\frac {初析 \alpha 鐵(proeutectid~ferrite)}{波來鐵} = \frac {t_{3}S}{t_{3}C} = \frac {0.8 - 0.25}{0.25 - 0.02}=\frac{0.35}{0.23}$$
$$\frac {\alpha 鐵}{Fe_3C} = \frac {t_{3}K}{t_{3}C} = \frac {6.67 - 0.25}{0.25 - 0.02}=\frac{6.42}{0.23}$$

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。

講義裡正確的圖

- <b>最後看Z(c = 1.1%)，也就是過共析鋼(Post-eutectoid; hyper-eutectoid)</b>

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：

$$\frac {初析 Fe_{3}C}{殘留波來鐵} = \frac {6S}{6K} ＝\frac {1.1 - 0.8}{6.67 - 1.1}=\frac{0.3}{5.57}$$

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](https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_8/illustr/s8_4_2.html)」。


不過費德曼組織對強度來說是不好的，所以要想辦法去除。

附上講義裡的圖

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768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。