2.1 Fe-Ni麻時效鋼
2.1.2 麻時效鋼合金元素的作用
麻時效鋼的合金元素主要有三類，一類是形成析出硬化相的強化 元素，如 Mo、Ti 等；一類是平衡組織可以控制或不出現肥粒鐵，如 Ni、Co、Mn 等；一類是與抗腐蝕性有關的元素，如 Cr 等。其各種添 加元素對其機械性質及熱處理等特性說明如下[14-21]：
1. Ni：Ni 的多寡影響麻田散鐵起始溫度（Maraging start，Ms），每 增加1wt.% Ni 會使 Ms 降低約 40℉（如圖 2-3 所示）。Ni 是沃斯 田鐵穩定元素（Austenite stabilizer），易形成沃斯田鐵組織，當時 效析出過程中首先發生Ni 偏析，由於 Ni 偏析導致富鎳區出現逆 變態沃斯田鐵（Reverted austenite）相，此現象為麻時效鋼高溫或 長時間時效軟化原因之ㄧ。由於材料的韌性取決於塑性變形時差 排滑移的難易度。Ni 能使材料差排滑移易發生，提高鋼的韌性，
因此，Ni 的多寡將影響材料強度、延性及韌性[6,17,21]。
圖 2-3 鐵-鎳二元系統準安定（Metastable）相圖[2]
2. Co：Co為麻時效鋼強化主要合金元素之ㄧ。Co固溶於基體中，不 會 形 成 金 屬 間 析 出 物[2,22] ， 但 可 使 基 地 形 成 短 程 序 化
（Shortrange ordering），而有硬化效果。其作用在減少Mo在麻田 散鐵中的溶解度，使更多Mo參與時效反應，促使含鉬金屬化合物
（Ni3Mo、Fe2Mo）的析出，提高材料強度。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 所示[9]。Co可 抑制橫向滑移，使析出相提供更多的形核位置，使析出相的粒子
更為細小且均勻分佈，減少析出相粒子間距。另外，Co可以提高 麻田散鐵Ms溫度（約 1wt.%的鈷提高 10℉），保證固溶冷卻後完 全轉換為麻田散鐵組織，這是其他元素所無法取代的。
圖 2-4 Co與Mo的含量對麻時效鋼硬度之影響[9]
3. Mo：對麻時效鋼而言，Mo對強度和韌性皆是有利的。在時效初 期易在板條狀的麻田散鐵晶粒內析出含鉬的析出物（如：Ni3Mo）
而達到強化的效果。另一作用，Mo的存在，也可以阻止析出相延 沃斯田鐵晶界析出，避免了延晶斷裂的產生，提高斷裂韌性，使 在強化同時仍保持鋼的韌性[2]。Mo為裂縫抑制劑，可抑制裂縫成 長速率。但過量的Mo（超過 10%）如同過量的Ni一樣，也會生成 逆變態沃斯田鐵。在無鈷的麻時效鋼中，當其含量超過3%時，每 添加1%的鉬，強度將會增加 56MPa[23]。
4. Ti：無論在含鈷或無鈷的麻時效鋼中，Ti為強化強度的元素之ㄧ，
主要是在麻田散鐵內析出Ni3Ti而達到強化的效果，每增加 1wt.%
的Ti，可使降伏強度提升 100ksi（如圖 2-5 所示）[24]。也可降低 麻田散鐵轉換溫度範圍，減少沃斯田鐵的形成。但是Ti含量也不 可過高，易在900℃～1100℃長時間保溫下形成一層TiC薄膜。因 此，必須避免長時間退火於此溫度區間而導致脆性[2]。
圖2-5 鈦含量對麻時效鋼（C-300）降伏強度之影響[24]
有學者以其主要強化強度合金元素歸類出一方程式（1）來推估 麻時效鋼之降伏強度，試驗結果顯示在材料長軸（Longitudinal）的 誤差值較為另一軸向小，如圖2-6 所示[3,4,24]。
降伏強度(ksi)=15.1＋9.1(%Co)＋28.3(%Mo)＋80.1(%Ti) (1)
圖2-6 鈦、鈷及鉬總含量對麻時效鋼（C-300）降伏強度之影響[24]
5. Cr：在Fe-Cr-Ni中，Cr是促進沃斯田鐵相形成的重要元素之ㄧ，
因此，在無鈷麻時效鋼中，Cr可以代替部份的Ni[23]。在文獻記 載中，要得到良好的韌性及獲得最佳強度，17～21%（Ni＋Cr）
的比例是最佳的，可以減少Ni3Ti析出，引起基體因為Ni的析出造 成韌性的損失。而且Cr也可降低Ms點，對韌性也是有極大之幫助。
6. Al：鋁通常是作為脫氧劑而加入至鋼中，一般而言，在 0.05～
0.15wt.%即已足夠，含量越多，則衝擊韌性越好，如圖 2-7 所示。
但添加至0.2wt.%，雖會有強化的效果，但將導致韌性大幅降低。
圖 2-7 鋁含量對麻時效鋼（C-250）衝擊韌性性質之影響
7. Si 和 Mn：在麻時效鋼中，Mn 被認為是雜質元素，其含量受到嚴 格控制（≦0.1%）。不過，由於在 Fe-Mn 系合金中，可以在較寬 的冷卻速度範圍內形成板條狀或塊狀的麻田散鐵組織，對強度提 升上也是有所貢獻。在 18% Ni 麻時效鋼中，Mn 可部份取代 Ni 和Co。1%的 Mn 可以取代 3%的 Ni，但若太缺乏 Ni 元素將使合 金韌性下降，故其取代的量不能超過6%[25,26]。文獻中表示，Si
＋Mn 含量超過 0.25wt.%，將降低麻時效鋼之韌性，如圖 2-8 所示。
圖 2-8 矽和錳含量對麻時效鋼（C-250）衝擊韌性性質之影響
8. C、N 及 O：在麻時效鋼中為插入型雜質，因此含量越低越好，
否則會因晶格變形，導致材料變脆。碳之含量在0.03wt.%以下時，
對麻時效鋼沒有強化作用。但當含量超過0.05wt.%以上時，則易 形成 TiC，而減少 Ti 與 Mo 的析出，導致強度降低，如圖 2-9 所 示。且碳對Ms 的影響最為顯著，約增加 1% C，鋼的 Ms 點降低 330℃[27]。
圖 2-9 碳含量對麻時效鋼（C-250）機械性質之影響
9. S：對麻時效鋼而言為有害雜質，其含量需控制在 0.01wt.%以內，
越少越好，此元素對強度及韌性均有不好的影響[2,10]。