# [工材]第八、九週筆記（期中範圍）

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此為105-1的修改版
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## 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>」(CCT: Continuous Cooling Transformation diagram)。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>」(TTT: Temperature Time Transformation diagram)。

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」(Martensite)。還會有一些可憐來不及變態的沃斯田鐵(R.A., Retained 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(Martensite)。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(CCT)：


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(TTT)：


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Bainite「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（羽）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（音速），而且體積也多了5% (必考)。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。

## 退火(Annealing)
把鋼料加到特定的溫度，慢慢慢慢慢的冷卻。乍看之下會覺得這樣會讓內部應力消失，讓材料變軟，而事實上就是這個樣子，跟之前學的那個什麼再結晶一樣。

* 消除加工硬化，增加加工性。

* 調整結晶構造

* 消除不均勻性，比如說消除冷卻時的偏析(有人會叫均值化處理)。

簡單來說，會用到這種事的場合有兩種。

1. <b>加工加工到一半，希望他變軟，以利加工</b>。這時候不用升到太高的溫度， 比共析溫度略低即可。這種退火叫「<b>製程退火</b>（軟化退火）」。
2. 你就是<b>想要這種性質的金屬</b>~~你咬我啊~~， 這時候會把溫度加熱到比變態溫度略高一些，讓變態較容易發生。這種退火就叫做「<b>完全退火</b>」。

### 製程退火
製程退火比較單純，就是加到那個溫度（$A_1(723)$以下），然後冷卻就好。

### 完全退火(Full annealing)
完全退火比較講究一點。首先是溫度，適合的完全退火的溫度是**非常接近變態時的溫度**， 太高溫的話，以前在學在再結晶的時候都知道這會形成太粗大的晶粒，材料會變太脆弱(According to Hall-Patch Equation)。所以不希望太高。大概像這樣：


通常會放爐冷或灰冷（舊式作法），這樣冷卻速度慢，可以得到軟質組織：消除內部應力，同時鋼質變軟而增加延性。

注意到：
1. 退火溫度通常會比理論最小值再多個30~50度，因為爐子通常不是均勻的加熱，溫度高一點比較保險。
2. 亞共析鋼是加熱到$A_3$以上30~50度；過共析鋼是加熱到$A_1$以上30 ~ 50度。

### 正常化(Normalizing)

是一個跟退火很像的東西，只不過是把它加到一定溫度之後，不是慢慢冷卻，而是把他<b>放空冷</b>。


主要用在鑄造跟焊接的時候。因為這兩個過程會讓鐵保持在高溫很長的時間，這時候晶粒就會變肥，機械性質就不好。 這時候就需要做一些是讓晶粒變「正常」，這時候就是使用正常化的時候～

可以姑且視為是「使晶粒大小變正常」，其實是微細化粗大組織。算是焊接跟鑄造的標準步驟之一。

注意到亞共析鋼是加熱到$A_3$以上30~50度；過共析鋼是加熱到$A_{cm}$以上30 ~ 50度。

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## 淬火(Quenching)
之前說過，沃斯田鐵暴力冷卻會得到很硬的麻田散鐵，這就是淬火。主要目的是得到堅硬的金屬。

淬火是很看~~資質~~材料本質的一件事，不是每一種鋼都適合淬火。**含碳量越多的鐵，硬度越大**。所以如果碳太少，那淬火之後硬度可能不會提升那麼多。

那這表示含碳量越多越好嗎？拍謝，不是滴～～

來看看麻田散鐵變態開始與結束的溫度，與含碳量的關係：


上面這張圖說：「含碳量越多，麻田散鐵變化完成度越低」。比如含碳量0.4時，麻田散鐵在常溫就完成變態了，但是在1.2時，0度都比$M_{f}$高溫，常溫下當然就不可能百分之百完成變態了。如果零度時，還有殘留沃斯田鐵的話，再繼續冷卻，變態就會繼續進行，此種操作叫做「深冷處理(subzero cooling)」

這兩個效應是相反的效應。所以當含碳量增加時，兩者就會互相抵消，最後淬火後硬度與含碳量的關係就大概如下：
補： While quenching, martensite will also produce retained austenite which is softer than martensite. This factor will also cancel out the effect of adding carbon in martensite.


含碳量多的麻田散鐵比較硬，但是形成麻田散鐵的完成度會越低，殘留沃斯田鐵的比率會隨含碳量增加而變多，把硬度拉低，所以彼此之間抵銷。最後含碳量越多的鋼，硬度反而不會增加的那麼顯著。

### 麻田散鐵變態的特性（必考！）

> 直接看下面四點
> 1. 用聲音速度噴出來
> 2. 變態時體積膨脹(約5%)，使得周圍沃斯田鐵周圍壓力更大，形成殘留沃斯田鐵
> 3. 因此內部應力很大，容易產生淬火裂痕
> 4. 是BCT構造

麻田散鐵生成跟一般的鐵不太一樣：他是突然噴出來的，速度跟聲速一樣。而且麻田散鐵密度比沃斯田鐵低，所以瞬間噴出一堆麻田散鐵之後，夾在中間的 沃斯田鐵就需要更多力量才能撐開周圍的麻田散鐵，完成變態。這麼變態的過程當然不可能每個人都做得到啊～所以最後就會有一些沃斯田鐵不能順利變態完成，變成殘留沃斯田鐵。反正周圍壓力很大，常溫可以讓沃斯田鐵存在也是正常的。

這麼變態的過程，那如果應力太大會不會不小心裂開啊？當然會啊～這就是淬火裂痕。淬火裂痕的成因有兩個。 一個是熱脹冷縮，外面剛冷卻時，是熱脹時的半徑。等裡面冷縮時，就會把外殼往裡面拉，在表面形成壓力（熱應力）。不過因為鐵抗壓很好，所以這個危害還好。另外一個是變態時的的密度變化，這個比較危險，因為裡面體積變大，想要把外殼撐開，所以對外殼來說是形成張力（變態應力），如果太快，這個就對鐵不太好了。真正的危害是密度變化的影響。

「熱應力」與「變態應力」兩者抵銷後剩下的是「殘留應力」。如果殘留應力大於降伏強度的話，就會產生distortion。再更大的話，超過抗拉強度，就會產生裂痕。

要避免這件事的方法，就是小心選擇淬火液：


影響淬火液的淬火效果的因素有：
1. 比熱
2. 導熱度
3. 黏性
4. 揮發性

比熱和導熱度大，黏性小而難於揮發者，淬火效果大。

可以注意到的是，**鹽水在nose區域的冷卻是最快的**。 因為加熱時，鐵附近的水會瞬間被蒸發，鹽會析出來，並且在水蒸氣泡泡附近跳動，這樣就可以把附近的小泡泡排開，新的冷水就可以進到鐵的表面，這樣就增加淬火的效率了。不過這個方法的缺點（？）就是淬火完要用鉛水洗過，避免殘留鹽分腐蝕。

微觀構造來說，麻田散鐵是個想變成BCC的FCC，但是因為太快了，C沒辦法順利卡進面上，只好卡在邊上，形成BCT構造，這個就叫「α麻田散鐵」。 如果把他稍微回火一些，那麼C就可以離開本來的晶格，跟其他鐵形成鐵碳化合物， 這種就叫「β麻田散鐵」。

有關於這兩個晶格的構造可以看[這裡](http://www.aem.umn.edu/~shield/hane/tet.html)

再來看溫度：


亞共析鋼很明顯把它提升到沃斯田鐵就可以了。那為什麼過共析鋼不是提升到Acm ? 注意淬火的<b>要求是硬度</b>。麻田散鐵的硬度是68，但是雪明碳鐵是800~1100。 如果要提升硬度，最直接的方法就是產生盡可能多的雪明碳鐵。Level Rule一下去就發現越靠近共析溫度，產生的雪明碳鐵越多。這就是高碳鋼是在共析溫度淬火的理由。

不過，高碳鋼淬火會有一個bug：產生的雪明碳鐵是網狀的，這是很不好的結構。所以淬火完之後還要做一些處理，把他變成球狀雪明碳鐵。

### 質量效果

這裡先講一個小常識：如果你把東西等比例放大兩倍，表面積-體積比會變小。 但是淬火時，熱是從表面積散出的，所以比例放大時，冷卻效率反而會下降，造成中間部分硬化程度最低。這就是質量效果。如果把它畫出來會長這樣：


因為這根本是常識，所以沒有直接的方法可以避免他。那要怎麼辦？

答：用<b>合金</b>

## 機械性質
- 肥粒鐵：強度最低、硬度最低、延性最好。
- 雪明炭鐵：最硬、很脆
- 麻田散鐵：次硬、很脆
- 回火麻田散鐵：硬、脆
- 變韌鐵、波來鐵的比較
觀察上圖可知：
- 抗拉強度、降伏點、硬度：
- $下變韌鐵>細波來鐵\geqslant上變韌鐵>粗波來鐵$
- 斷面縮率：
- $下變韌鐵\geqslant上變韌鐵>細波來鐵\geqslant粗波來鐵$
- 伸長率：
- 主要是呈m狀
- 韌性：$\underbrace{下變韌鐵\geqslant回火麻田散鐵>細波來鐵>上變韌鐵}_{相同硬度}>粗波來鐵$

最後再看看表格吧～