麻時效鋼合金元素及特性

η-Ni₃Ti[33-36]、Ni₃Al[37]及(Fe,Ni)₂(Mo,Ti) [15,38]。由於 Ni 是沃斯田鐵穩定元素(Austenite stabilizer)，易形成沃斯田鐵組

圖2-3 Fe-Ni 二元系統準安定(Metastable)相圖[2]。

2. Co：為麻時效鋼主要強化元素之一。Co 不會形成析出物[2]，但可使 基地形成短程序化(Short-range ordering )，而有硬化效果。其主 要功能在降低 Mo 在麻田散鐵基地內的溶解度及避免生成 Fe-Mo 相[41]，使更多的 Mo 參與時效反應，以增加時效期更多 細微且分佈均勻的 Ni₃Mo 析出粒子。析出物大都析出於差排或 麻田散鐵板條晶界，使材質強度更佳。其Co 與 Mo 對麻時效鋼 的硬度影響，隨含量增加成線性上升，如圖2-4、2-5、2-6 所示 [27,42]。Co 能抑制橫向滑移，而大幅的提昇轉脆溫度。另一作 用是Co 可升高麻田散鐵 Ms 的轉換溫度範圍( 1 wt.%的 Co 會使 Ms 升高約 10℉ ) [2]，使麻時效鋼之合金含量提高，當冷卻至室 溫前完全轉變為麻田散鐵，但會有材料脆化的缺點[43]。

圖2-4 Co 與 Mo 的含量對麻時效鋼硬度之影響[27]

圖2-5 Co與Mo對Fe-18Ni-Co-4Mo系統之Ms溫度之影響[42]

(a) (b)

圖2-6 Co對Fe-18Ni-Co-4Mo系統的影響：(a)時效對硬度的影響；(b)Co含 量對抗拉強度的影響[42]

3. Mo：為主要硬化元素。形成 Fe-Ni-Mo 合金過渡相，其結構與 Fe₂Mo 相似。此過渡相為準安定狀態，時效進行時形成 Fe₂Mo，還促 使Ni₃Ti 析出。Mo 另一功能是減少晶界析出之趨勢，而在板條 狀麻田散鐵晶粒內析出 Ni₃Mo 而達到強化的效果( 20 Ksi/1 wt.% )。而不含 Mo 之麻時效鋼，析出物會析出於晶界而使韌性 大降。反之，可阻止晶界析出而改善韌性[2]。Mo 為裂縫抑制劑，

可抑制裂縫成長速率。並與 Ni 一樣隨著 Mo 含量增加，使 Ms 溫度降低(每增加 1 wt.%的 Mo 會使 Ms 降低約 40℉)。所以當 Mo 的加入量超過 10%時，將產生殘餘沃斯田鐵，從而對機械性 能造成不良影響。

4. Ti：在 Co 強化之麻時效鋼中，Ti 為強化之補助元素，主要是在麻田 散鐵內析出Ni₃Ti 而達到強化的效果，每增加約 1 wt.%的 Ti，則 可使麻時效鋼降伏強度提升100 Ksi(如圖 2-7 所示)[18]。Ti 亦可 降低麻田散鐵轉換溫度範圍，減少沃斯田鐵的形成，當每增加1 wt.%的 Ti 可使 Ms 降低 70℉左右。Ti 也可以中和、消解殘留的 碳、氮，避免雜質形成而減低韌性。Ti 的含量通常低於 0.6 wt.%，

含量大於 1.6%(Wt%)時易產生偏析以導致韌性大幅下降，且在 900℃～1100℃長時間保溫時易在沃斯田鐵晶界生成一層 TiC 薄 膜。因此，麻時效鋼必須避免長時間退火於此溫度區間，以防止 TiC 薄膜之生成而導致脆性[2]。

研究學者[18]以主要合金元素 Co、Mo 及 Ti 歸類出一個方程式(1) 來推估麻時效鋼之降伏強度，並經實驗驗證結果顯示，在材料長軸向 (Longitudinal)的誤差值較另一軸向為小，如圖2-8 所示。

降伏強度(Ksi)=15.1＋9.1(%Co)＋28.3(%Mo)＋80.1(%Ti) (1)

圖 2-7 Ti 含量對麻時效鋼(C-300)降伏強度之影響。(1500℉之固溶處理 1 小時，900℉時效 3 小時)[18]

圖 2-8 Ti、Co 及 Mo 總含量對麻時效鋼(C-300)降伏強度之影響。(1500℉

之固溶處理1 小時，900℉時效 3 小時)[18]

5. Al：Al 是增加降伏及抗拉強度的有力強化元素及去氧化劑，但也是 降低衝擊值最大的脆化元素。就韌性而言 Al 比 Ti 有利，因 Ti 所引起的脆化現象達 Al 的二倍以上[11]，當麻時效鋼含微量的 Al 時之 Ni₃Al 析出均勻地分佈在基地內[44]，可產生甚大的強化

效果，一般含量在0.05～0.12 wt.%的範圍內，含量增多，則衝 擊韌性越好，如圖2-9 所示。但 Al 添加至 0.2 wt.%，雖仍會造 成強化效果，但將導致韌性降低。

圖2-9 Al 含量對麻時效鋼(C-250)衝擊韌性性質之影響[8]

6. Si 和 Mn：Si＋Mn 含量超過 0.25 wt.%時，會降低麻時效鋼之韌性，

如圖2-10 所示。所以，Si 和 Mn 含量均須小於 0.12 wt.%。

圖2-10 Si 和 Mn 含量對麻時效鋼(C-250)衝擊韌性性質之影響[8]

由於易形成TiC、Mo₂C，而減少 Ti 與 Mo 的析出，導致強度降 低，如圖2-11 所示。

真空冶煉時，N 含量要低，否則將會與 Ti 形成 TiN，導致 因減少 Ni₃Ti 相的析出，使降伏強度降低。Fe₃C、TiN、TiC 及 TiCN 會使材料變脆。當 C、N 含量很小時，可增加麻時效鋼之 塑性變形抵抗能力。

圖2-11 C 含量對麻時效鋼(C-250)機械性質之影響[8]

8. S： S 對麻時效鋼而言為有害雜質，其含量須控制在 0.01 wt.%以內，

愈少愈好，此元素對強度及韌性均為負面的影響[2,14]。如圖 2-12 所示。

圖2-12 S 含量對麻時效鋼(C-250)衝擊韌性性質之影響[8]