# [工材]第九週筆記

>以下為上週上課複習

* 退火(annealing)：

* 完全退火、軟化退火(製程退火、再結晶退火)
* 正常化、均值化處理

* 淬火(為了$\alpha$麻田散鐵)
* 淬火鋼的硬度
* Ms, Mf溫度與含碳量關係
* 淬火溫度----深冷處理(subzero treatment)
* 淬火裂痕：熱應力、變態應力
* 淬火液：水、油、鹽浴等等
* 質量效果

> 以下為這週上課內容

* 回火
* 回火時發生的變態及組織變化
* 第一過程
* 第二過程
* 第三過程
* 回火性能曲線
* 回火抗性

為了一次大量得到麻田散鐵，可以摻入合金，讓TTT圖的鼻部往右移。這可以延後到<b>連空冷都可以得到麻田散鐵</b>(叫做空硬鋼)。

# 回火

## 觀察：長度變化

最一開始淬火得到的麻田散鐵，還有很多殘留沃斯田鐵，這對材料性質會有不良影響，所以要想辦法消除。消除的方法就是回火。首先看一下如果把剛淬火完的共析鋼加熱之後，長度會怎麼變化：


這裡要先知道一個觀念：

「沃斯田鐵是密度最高的相」

所以，當碳鋼由++沃斯田鐵變態成其他相時，體積就會顯著膨脹++。換句話說，如果觀察到體積突然膨脹，而碳鋼中又有沃斯田鐵，那就有可能是沃斯田鐵發生變態。

接著看這張圖，可以注意到：

1. 大概在100~200度會有一個變態，長度突然收縮，因為沃斯田鐵密度是最大的，所以不會是他發生變態，而麻田散鐵密度較小，變成其他東西只會體積變大，所以可以猜++這裡麻田散鐵發生了一些變態++，變成密度比較小的相。

2. 接著230 ~ 270度時，換成體積膨脹了，所以猜換沃斯田鐵出了一些事。
3. 最後在270 ~ 430左右又突然收縮。而在這之後，變得跟普通的共析鋼性質類似了。

## 過程

剛剛講述變成波來鐵的過程，剛好分成3個階段。這3個階段，分別就叫「第一過程」「第二過程」「第三過程」。實際上，這3個階段發生了像下面這個樣子的事：


> tl;dr
> 溫度逐漸升高時，依序發生：
> 第一過程：$\alpha$麻田散鐵$\rightarrow$ $\beta$麻田散鐵 + 碳化物
> 第二過程：殘留沃斯田鐵$\rightarrow$ $\beta$麻田散鐵 + 碳化物
> 第三過程：所有$\beta$麻田散鐵 + 碳化物$\rightarrow$肥粒鐵 + 雪明碳鐵

### 1. 第一過程

生成一些碳化物與低碳麻田散鐵。低碳麻田散鐵的密度在$\alpha$麻田散鐵跟沃斯田鐵之間，所以密度變大，長度收縮。

還記得剛剛淬火下來得到的「$\alpha$-麻田散鐵」嗎？他是個「想從FCC變成BCC，但是面上的C來不及移動，只好卡在邊上的BCT結構」：


在這個階段實際發生的事情就是「卡在邊上的$C$逐漸移動，和其他$Fe$產生$Fe_{2}C$碳化物」。++從$\alpha$-麻田散鐵BCT移走邊上碳原子之後，形成的東西就叫$\beta$-麻田散鐵++。因為碳原子移走了，所以這個東西又叫做「++低碳麻田散鐵++」。

### 2. 第二過程

換沃斯田鐵變成碳化物跟低碳麻田散鐵，所以體積變大(沃斯田鐵密度最大)。

### 3. 第三過程

前兩個階段生成的<b>「低碳麻田散鐵」+「$Fe_{2}C$」一起變成「肥粒鐵」+「雪明碳鐵」</b>。不過實際上不是在第三過程瞬間完成變化的，而是隨著溫度上升，$Fe_{2}C$漸漸聚集成大顆粒，然後再變成$Fe_{3}C$跟肥粒鐵。

> 吳：這個不是突然變成的，要經過一段時間。我覺得這個應該要叫「第四過程」。

變成$Fe_{3}C$跟肥粒鐵?那不就跟波來鐵一樣了嗎？沒錯，**回火過後，組織就會從麻田散鐵變成組織像波來鐵那樣的組織了，也就是「回火吐粒散鐵」跟「回火糙斑鐵」了**。不過這兩個東西，美國統稱叫「回火麻田散鐵」。

啊最後都變成波來鐵類的組織，那幹嘛不一開始就把直接把它做成波來鐵就好？這就要看「回火性能曲線」來看看回火過後機械性質的變化了。

## 回火性能曲線

就是在各種溫度下回火，再把回火過的金屬做各種測試得到的曲線：


有一點要補充的是：經過。++<b>淬火再回火的材料，$\frac {降伏點}{抗拉強度}$的比值會變高</b>++，如果只用正常化、均值化大概只有0.7，但是淬火回火過的可以到0.9(!)。因為機械設計都是用降伏點作為可靠使用的依據，所以這非常有利。

## 回火脆性

回火的目的是要取得**回火麻田散鐵**。**回火麻田散鐵韌性比麻田散鐵好**。但是注意一下剛剛的衝擊值：


本來期待火溫度越高，材料韌性越好，也就是衝擊值越高。但是衝擊值並不是隨著回火溫度一路上升，而是有一些波動。像這裡就有兩個低谷。他們分別是「低溫回火脆性」及「高溫回火脆性」。

由高溫往低溫冷卻時，大概400 ~ 500度有個最低點，這叫「高溫回火脆性」。大約100~200度又會有一個低點，叫「低溫回火脆性」：

* 低溫回火脆性：成因是第二過程中，++殘留的沃斯田鐵變成更多的麻田散鐵，所以變得更脆++。這個是無可避免的，因為就是想要他得到回火麻田散鐵嘛～

* 高溫回火脆性：如果再500度左右回火太久，韌性會下降。是++因為Sb, Pb, Sn這些不純物會在500度左右析出，凝固時集中在晶界，讓晶界處變的脆弱++，所以就變脆了。而在更高溫的時候，他們又會固溶回去，所以就又不會在晶界堆積了。改善的方法是++不要讓鐵在500度回火太久++。

但是還有一個問題：++如果回火完之後，冷卻的速度超級慢，那根本跟回火有87%像++，所以到500度左右，還是發生了一樣的事。所以仔細看一下回火時放「爐冷」的衝擊值曲線：


可以發現不管怎樣，他的衝擊值都不怎麼好看，而其他方法冷卻就不會有這種狀況。就是因為爐冷太慢了，經過500度左右的時候太慢，就讓不純物有時間析出了。

除了避開500度以外，另外一個大家都猜得到的方法就是(again)加合金，比如說$Mo$與$W$，調整性質，就可減少這種狀況。

## 恆溫熱處理

因為現在科技很發達，所以自己愛用什麼冷卻曲線，就可以用什麼冷卻曲線。其中有幾個很特別的可以用：


>以下是上一堂複習

* 退火
* 淬火
* 回火
* 回火時的性質變化
* 第一過程
* 第二過程
* 第三過程
* 回火麻田散鐵
* 回火性能曲線
* 回火脆性
* 低溫回火脆性：500度左右
* 高溫回火脆性：$Cr, Mn$合金
* 低溫回火和高溫回火

> 以下為這次上課內容

## 應用TTT曲線的熱處理

* 恆溫回火(沃斯回火)(Austempering)：變韌鐵
* 麻回火(Martempering)：沒人用
* 麻淬火(Martempering)：中斷淬火


* 恆溫回火：是為了得到++變韌鐵++，和之前一樣，不適合大量製造，所以通常是用在比較小的零件(比如說割草機葉片)。

* 麻回火：會得到「回火麻田散鐵」+「下變韌鐵」。聽起來很猛，不過因為要維持的時間超久(不要忘記下面是log-scaled)，所以只是理論上的東西。

* 麻淬火：這個比較常用，是在淬火過程中，++快到麻田散鐵變態溫度之前先停下來，保持恆溫，確定整塊鋼鐵溫度都均勻，再去淬火++（當然之後會再做回火）。

## 熱機處理

「塑性加工和熱處理適當配合，以便改善機械性質者稱之。」

白話文就是++一邊加工一邊熱處理++。


* 沃斯成型波來鐵(Ausformed Perlite)：

通常是用來做++鋼琴線++(高強度的鋼索的通稱)或鋼索。

圖中的曲線3。先加工，「加工後再做熱處理」。這個好處是++加工量有利再結晶++，所以加工之後再做熱處理，機械性質就可以提升很多(還記得加工量越大，再結晶的晶粒越小嗎？)。

本來的製程是曲線3，把他順序對調一下，改成「先變態再加工」，這個過程叫patening(韌化處理)。

> 助教：「有人問甚麼是靭化處理:就是將鋼線加熱到約950度而得沃斯田鐵組織，再立刻丟到鉛浴裡淬火(約500度)，會形成結晶細小的糙斑鐵(sorbite)，具有高強度及延性。」

* 沃斯田鐵變態途中的加工

做Hadfied鋼(含Mn 12%, C 1.2%)。

Hadfied鋼的特色是因為加了很多的錳，++所以$A_{1}$變態溫度被壓在常溫以下，常溫結構還是沃斯田鐵++。特色是常溫時不會變態，但是會++一邊加工會一邊變態成麻田散鐵++。好處是可以做成防彈鋼盔或防彈相關用途(因為子彈射過來打到會硬化)。不過要加工一定要一次到位(因為打下去就變硬了嘛)。

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# 碳鋼

碳鋼跟他的名字一樣，就是鐵跟碳的合金。碳是影響鋼鐵最重要的因素。

碳鋼含碳量對機械性質的影響，大家國中都學過：碳越多越脆


因為含碳量對機械性質非常重要，所以大概每0.05就會分一種規格（現在更細，0.025一種）。

鋼鐵中可以加一些金屬

> tl;dr
> $Mn$：好的。鼻部右移，減緩變態、抑制晶粒
> $Si$：好的。表現類似碳，越多越硬脆
> $P$：不好的。讓晶粒變粗，並形成$Fe_{3}P$顆粒
> $S$：超超超超超不好。所有性質變差，並形成$FeS$與$\gamma-Fe$共晶顆粒。

* $Mn$：好東西。可以把$S$除掉變成$MnS$，其他的錳可以混入合金，++<b>使變態變慢，TTT鼻部往右移</b>++，質量效果影響就變小。另外，還可以 ++<b>抑制晶粒生長</b>++，使晶粒變小，機械性質變強。是還不錯的金屬。不過太多有可能會讓淬火裂痕變得更容易出現。

* $Si$：也算好東西。大致上跟$C$一樣(同一族嘛～)，越多$Si$會越硬，但是相對的也會越脆。

* $P$：最好除掉他。他會++固溶在肥粒鐵中，變成$Fe_{3}P$，會讓晶粒變粗++，而且會 ++<b>讓常溫下衝擊值變低</b>++，叫做 ++<b>常溫脆性</b>++。而且磷就算到高溫也很難擴散，所以含磷太多，加工時就會看出磷在那裡的痕跡(魔線)。

* $S$：無論如何都要除掉他！！他會++讓所有性質變差++，不管硬度還韌性通通都會變差。因為++$FeS$跟$\gamma$鐵會共晶++，而且共晶點在998度左右，所以在碳鋼變態前，就會先有一堆$FeS$跟$\gamma$鐵共晶的<s>晶粒</s>超級巨大不純物出現在鐵水中，最後這些超級大粒的不純物很理所當然的就會卡在晶界，讓材料性質變差。

### 一般結構用碳鋼

「一般構造用碳鋼」就是你只是想要一根很長很硬的東西(但是不會拿他來做奇怪的事)(比如說高頻率的震盪)，除此之外沒什麼特別要求，就會用到它。比如說鋼筋，就是把一塊硬硬的東西放在那裡然後就不理他了。

所以一般結構用碳鋼只對強度有要求。除了這個之外就沒什麼要求了。

### 機械構造用碳鋼

如果是用在機械的話，那就需要根據使用的時機來決定該用什麼性質的鋼了。詳見課本。


> 可以發現SXXC(或是AISI中的10XX), 中間XX數字+-3大約就是該型號碳鋼大約的含碳量