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§ 6-4 鋼之相變態

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Academic year: 2022

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(1)

機械材料

第 六 章 鐵、鋼之組織及相變化

§ 6-1 鐵、鋼及鑄鐵之定義

§ 6-2 純鐵之組織及相變化

§ 6-3 鋼之相及顯微鏡組織

§ 6-4 鋼之相變態

§ 6-5 Fe-C平衡狀態圖

(2)

§ 6-1 鐵、鋼及鑄鐵之定義

鐵一般係指元素態鐵或工業用純鐵 (ingot iron或 Armco iron)而言,其雜質總量不高於0.08 %,亦即 純度在99.9 %以上。

※ 電解鐵(electrolytic iron):以電解法製造之純鐵。

鋼(steel):含碳量小於2 %的鐵-碳合金,通常含有 少量錳、矽、磷、硫。

將含碳量2 %訂為鋼的界限,是因為含碳量小於2

%的鐵碳合金,在適當高溫下,碳可完全固溶於鐵 內;亦即碳在面心立方鐵內的最高溶解度為2 %。

一般工業用的鋼料,含碳量大都在0.05 ~ 1.5 %之 間。

鑄鐵(cast iron):泛指鑄造用鐵碳合金中,含碳量在 2 ~ 5 %之間(大多為2.5 ~ 4 %)。雜質含量稍多於鋼。

(3)
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鍛鐵(wrought iron):係指含碳量低於0.12 %,但含 1 ~ 3 %呈纖維狀之夾雜物(inclusion,主要為矽酸鐵 渣)的特殊鐵-碳合金,又稱熟鐵或鍊鐵。

 古代歐洲人不會使用鼓風爐,因此其「煉鋼」殆為 煉鍛鐵,再將鍛鐵滲碳成所謂的鋼。

 古中國以鑄鐵為主的鋼鐵發展。

 今日,鍛鐵的地位,已被多采多姿的鋼及延性鑄鐵 (即球墨鑄鐵)所掩蓋。

(5)

§ 6-2 純鐵之組織及相變化

※ 純鐵所含碳量很少,這些極微量的碳完全固溶於鐵 的晶體內;在室溫下,這種固溶體呈BCC組織,即 α-鐵,工程上稱之為肥粒鐵(ferrite),具有鐵磁 性。在溫度升高後,α-鐵會發生一連串的變態,其 中一種屬於磁性變態,二種同素異形變態,一種固-

液相間的變態(液-氣相的變態暫不考慮)。

※ 當溫度由低溫上升時,α-鐵的磁性即逐漸消失,

但起先變化極微,至700 °C以後強磁性喪失極速,達 768 °C時(及以後之溫度),變為無磁性(確切地說,應 屬順磁性)。

此一磁性變態,在冶金的研究上,被命名為A2變 態,可用下式代表:

【768 °C為純鐵的居里點】

磁性

768 C 

無磁性

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溫度續升,在768 °C至910 °C之間,沒有變態發 生,但晶粒生長得很快。在910 °C時,發生所謂A3態,亦即由BCC α-鐵變成FCC γ-鐵之同素異形 變態,可用下式代表:

【γ-鐵又稱沃斯田鐵(austentile)】

如圖6-1(b)所繪示者,在變態之初,γ晶粒重新自 粗大的α晶粒內凝核,亦即發生再結晶的現象,晶粒 又變得很小。

無磁性

9 10 C

(8)

溫度再上升,晶粒又逐漸生長,但在1400 °C以前,

仍無相變態發生,在1400 °C時,發生所謂A4變態,

亦即由FCC γ-鐵變成BCC δ-鐵之同素異形變 態,可用下式代表:

發生A4變態之初,δ晶粒亦自原來之粗大γ晶粒內 再結晶產生,一如A3變態的情形。

※ 溫度再升高,至1538 °C熔化,即:

※ 平衡變態:無論是加熱或冷卻時發生的變態,變態 溫度都是同一溫度。

※ 在實際的操作中,加熱或冷卻都是連續的過程,因 此變態的發生,往往比預期的溫度「落後」,亦即加 熱時,變態常在稍高於上述之溫度發生;冷卻時變態 常在稍低於上述之溫度發生。

 1400 C

L 1538 C

(9)

※ 在冶金學上,為區分每一變態是由低溫加熱上去所 發生的,還是由高溫冷卻下來所發生的,特以小寫字 母c (法文字chauffage之字首,加熱之意)、r (法文字 refroidissment之字首,冷卻之意)代表。

※ 純鐵之正常顯微組織呈現肥粒鐵之多邊形晶粒。

※ 工業用純鐵退火後的抗拉強度約為28 kgf/mm2,20 cm標距(8吋)時伸長率在22 %以上,斷面縮率在65 % 以上,勃氏硬度BHN 80~100。。

※ 純鐵易行鍛接及熔接,此外導磁率很高。

※ 用途:純鐵很容易鍍鋅,常製成各種形式的鍍鋅鐵 板,用於陰溝、通風口、屋頂、圍牆、鐵絲、爐殼 等。

薄片→變壓器之鐵蕊

(10)

Ac3代表溫度上升時 發生α→γ的變態,

Ar3 代 表 由 高 溫 冷 卻 下來所發生γ→α的 變態。

(11)

§ 6-3 鋼之相及顯微鏡組織

※ 鋼以顯微鏡組織來分,有亞共析鋼、共析鋼及過共 析鋼。

※ 鋼之正常化組織(normalized structure),亦即將鋼料 加熱至完全沃斯田鐵之溫度範圍,維持一段時間使變 態完成(如此可將鑄造、加工的影響或各種異常組織 消滅),然後於靜止空氣中冷卻(正常化熱處理)之組 織。

共析鋼係發生共析變態之鋼,其含碳量恰為0.80

%;鋼之共析變態稱為A1變態,可用下式代表:

+ Fe

3

C

自沃斯田鐵(FCC)同時析出肥粒鐵(BCC)及碳化物 (Fe3 C) 之 變 態 , 變 態 溫 度 727 °C 為 鋼 之 共 析 溫 度 (按:有些資料或書籍訂為723 °C),Fe3 C之鐵碳化物 又稱為雪明碳鐵(cementite)。共同析出之α及Fe3 C成 交互重疊之層狀(指紋狀)存在。

 727 C

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※ 亞共析鋼為組成(含碳量)「亞」於共析鋼者。

 自完全為沃斯田鐵的溫度冷卻下來時,首先析出肥 粒鐵(是為初析物),抵727 °C之共析溫度時,剩下之 沃斯田鐵全部變態為「肥粒鐵 + 雪明碳鐵」之共析 物。

正常化組織為初析肥粒鐵(如圖6-3(a)之白色部份所 示 )及共析之層狀波來鐵(如圖6-3(a)之黑色部份所 示,由於交錯層太微細,500倍放大率無法解析之,

故呈黑色)。

鋼料含碳量愈接近0.8 %,則黑色區域所佔面積愈 大。

由於黑色面積為含碳0.8 %之波來鐵,故有經驗之冶 金工程師即可由黑色區域所佔面積比例計算鋼料之大 略含碳量。如圖6-3(a)之黑色區域約佔全面積之1/5至 1/4【估計】,則該鋼含碳量約為0.80 × (1/5至1/4),

即0.16 ~ 0.20 %,與說明之0.2 %接近(白色區域肥粒 鐵之含碳量極微,可予忽略)。

(14)

※ 過共析鋼為組成(含碳量)「高過」共析鋼者。

 自完全為沃斯田鐵的溫度冷卻下來時,雪明碳鐵首 先沿沃斯田鐵粒界初析出來,待溫度降抵727 °C之共 析溫度時,剩下之沃斯田鐵全部變態為「肥粒鐵 + 雪 明碳鐵」之共析物。

◎正常化組織為初析雪明碳鐵(如圖6-3(c)之白色部 份,注意:這些白色區域可連成一片網狀,約略地描 繪出原沃斯田鐵粒界之輪廓)以及共析之層狀波來鐵 (如圖6-3(c)之層狀區域所示)。

◎由於雪明碳鐵即為鐵-碳化合物Fe3 C,其組成之含 碳量為定值─ 6.67 %,故過共析鋼之大約含碳量可 由白色區域所佔面積比例乘6.67 %加黑色(層狀)區域 所佔面積比例乘0.8 %而得。

(15)

§ 6-4 鋼之相變態

§

6-4-1 概述

鋼內的相,與一般合金系一樣,係隨組成(對鋼而言,主要為 含碳量)及溫度而異。

 同一組成之鋼,在不同溫度下,出現的相也不一樣。

※ 平衡狀態、接近平衡狀態(緩冷)。

鋼有兩個磁性變態點,除了在A2溫度(居里溫度)以上磁性完全 消失之變態外,還有一個較低溫(210 °C)下雪明碳鐵磁性消失 之變態;溫度高過210 °C以後,鋼的磁性繼續漸漸消失,溫 度再升高到組織全變成沃斯田鐵或768 °C以後,磁性才完全 消失。

 210 °C之變態謂鋼之A0變態。

鋼之A2變態溫度在含碳量小於0.5 %時為768 °C,與純鐵者 相同。

含碳量高於0.5 %,則隨含碳量增加而降低,與鋼之A3線重 合。

抵0.8 % C (共析鋼)時為727 °C,含碳量超過0.8 %以後,鐵

-碳合金之A2變態溫度皆為727 °C。

(16)

§ 6-4-2 共析鋼之A1變態

共析鋼自高溫完全沃斯田鐵態,平衡冷卻時,抵727

°C之共析溫度(A1溫度)乃發生共析變態—即為A1變 態,可寫成:

A1變態發生之時,首先在沃斯田鐵的晶粒界面孕育 出無數「桿狀」雪明碳鐵(Fe3 C)的晶核,在相鄰Fe3 C 晶核間γ-鐵內碳原子向兩邊的Fe3 C晶核擴散(見圖 6-4(a)),使雪明碳鐵層及肥粒鐵層繼續生長(見圖6- 4(b))。

 最後遂形成一層雪明碳鐵、一層肥粒鐵、層層相疊 的層狀(指紋狀)組織,即為波來鐵(見圖6-5及圖6- 3(b))。

 共析鋼變態完成後,其組織全為波來鐵,其波來鐵 內肥粒鐵與雪明碳鐵的量維持定值,可由槓桿原理計 算出來,為肥粒鐵佔88 %、雪明碳鐵12 %。

%) 12 (

%) 88 ( C

727 )

% 8 . 0

( 肥粒鐵 雪明碳鐵

沃斯田鐵 C  

波來鐵 沃斯田鐵

(17)

※ 波來鐵組織,隨冷卻速度之不同而有粗、細之分;

一般言之,冷卻速度愈快,波來鐵之層狀組織愈細 緻;反之則愈粗大。

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(19)

§ 6-4-3 亞共析鋼之A1變態及A3變態

※ 亞共析鋼之組織為肥粒鐵 + 波來鐵;當溫度自室溫 升高,抵A1溫度(727 °C)時,這種鋼料內的波來鐵發 生共析反應之逆反應,即:

剩下之肥粒鐵要等溫度升抵同素異形變態—A3變態 時才會變成沃斯田鐵。但亞共析鋼之A3溫度既非純鐵 之910 °C,亦非727 °C,它隨亞共析鋼之組成(含碳 量)而異。

沃斯田鐵

波來鐵 

727

  

C

(20)
(21)

(pp. 148, 圖6-6:亞共析鋼之A3溫度對含碳量之關係 (Fe-C平衡圖之一部份))

曲線ABC顯示鋼之A3溫度隨含碳量之增加而遞減 的情形,Ac3及Ar3兩條虛線則分別指加熱或冷卻時,

不平衡變態之真正變態溫度—組成曲線。

 虛線 為鋼(0.5 % C以下)之磁性變態(A2 )恆溫線,

含碳量高於0.5 %者其A2線與A3線(曲線 )重合;直 線 為A1變態恆溫線。

※ 今考慮0.3 % C之鋼由高溫(如圖6-6內標示為1之圖形 所示)冷卻下來,溫度低於該鋼之A3變態點時,首先 有肥粒鐵於沃斯田鐵粒界析出(初析物,如圖6-6內標 示為2之圖形所示),然後隨著溫度降低、α不斷析出 而增加,沃斯田鐵愈來愈少(如圖6-6內標示為3之圖 形所示),且其組成(含碳量)乃沿ABC曲線向右下變化 (增加),抵727 °C時,含碳量恰為0.8 % C—共析組 成,遂發生共析之A1變態,波來鐵以12 % Fe3 C + 88

% α之形態出現,如圖6-6內標示為4之圖形所示。

DB

BC

FC

(22)

§ 6-4-4 過共析鋼之A1變態及Acm變態

※ 過共析鋼之組織為雪明碳鐵 + 波來鐵;當溫度自室 溫升高,抵A1溫度(727 °C)時,發生A1變態,即共析 反應之逆反應;剩下之雪明碳鐵要等溫度升抵稱為 Acm變態之溫度時,才會發生如下之Acm變態,雪明 碳鐵內的碳溶解進入沃斯田鐵,整體組織遂成為沃斯 田鐵:

 冷卻的過程恰好相反。

沃斯田鐵 雪明碳鐵

沃斯田鐵

冷卻 加熱

 

 

(23)
(24)

今考慮含碳1.1 %之沃斯田鐵於高溫(如圖6-7內標示 為1之圖形示)冷卻下來時,在Acm溫度處發生上式的 逆反應,有雪明碳鐵在沃斯田鐵粒界上析出(是為初 析物,如圖6-7內標示為2之圖形所示),溫度繼續降 低、雪明碳鐵析出量愈多(如圖6-7內標示為3之圖形 所示),待降抵727 °C之A1溫度時,剩下的沃斯田鐵 發生A1變態,變成波來鐵(如圖6-7內標示為4之圖形 所示)。

※ 故知Acm變態即為沃斯田鐵析出雪明碳鐵(冷卻時)或 雪明碳鐵溶入沃斯田鐵(加熱時)之變態;其變態溫度 亦隨組成而異,如圖6-7所示。

圖6-7內,Acm曲線上、下方各有標明Accm、Arcm之兩 條虛線,係指加熱或冷卻時,不平衡變態之真正變態 溫度-組成曲線。

(25)

§ 6-5 Fe-C平衡狀態圖

此圖實際係

以 Fe - Fe3 C 為 基 準 繪 出 者 , 圖 最 右 邊 之 含 碳 量 6.67 %處,

即 為 100 % 雪 明 碳 鐵 處 ; 亦 即 橫 軸 所 顯 示 之 含 碳 量 , 其 實 為 由 鋼 內 雪 明 碳 鐵 量 換 算 而 得 者。

(26)

 為熱處理 工 程 師 用 , 僅 限 於 鋼 部 份 之 Fe - C 相 圖 , 顯 示 碳 鋼 各 種 熱 處 理 之 溫 度 範 圍 、 代 表 性 金 相 、 變 態 組 織 以 及 鋼 材 於 各 種 溫 度 下 呈 現 之顏色。

(27)

※ Fe-C平衡圖具有三種平衡圖的特徵:

 在含碳量較低、高溫下有一包晶反應區,即圖形左 上角所示者,包晶點為P,包晶組成為0.18 % C,包 晶溫度為1492 °C,包晶反應可表示如下:

圖之右方,有一共晶反應區,共晶點為C,共晶溫度 為1130 °C,共晶組成為4.3 % C,共晶反應之產物為 沃斯田鐵與雪明碳鐵之共晶混合物;冷卻至A1溫度 以下,沃斯田鐵共析變態為波來鐵,整體組織為小群 的波來鐵分散在雪明碳鐵基地內,呈現班點狀外觀,

稱為粒滴斑鐵(Ledeburite),如圖6-10所示。共晶反 應可用下式代表:

 圖之左下方為共析反應區。

 

 

   

加熱 冷卻

L

C Fe L         

3

加熱 冷卻

(28)
(29)
(30)

727 °C以下黑色部份代表波來鐵,白色部份在亞共析鋼為肥 粒鐵,在過共析鋼為雪明碳鐵。

727 °C以上黑或灰色部份代表沃斯田鐵,白色部份之意義與 前述727 °C以下者相同。

 圖上亦顯示A3與Acm溫度與含碳量之關係。

圖形中央上方鑲有一沃斯田鐵之金相組織,有許多退火雙晶 於晶粒內產生,此為FCC結晶之特徵(此金相攝自沃斯田型不 銹鋼,原倍率為250倍)。

(31)

梭巴圖(Sauveurs diagram)的組織含量狀態圖,顯示平衡狀態 顯微鏡內所見黑色區域(代表波來鐵)及白色區域(肥粒鐵或雪 明碳鐵)所佔比例,與含碳量之關係。

 含碳0.4 %之鋼,肥粒鐵佔50 %、波來鐵佔50 %。

 含碳2.0 %之鋼,雪明碳鐵佔20 %、波來鐵佔80 %。

這種關係亦可由槓桿原理計算出來,例如:含碳0.4 %之鋼,

其波來鐵含量為(0.40.008) / (0.80.008) = 50 %。含碳2.0 %之 鋼,其雪明碳鐵含量為(2.00.8) / (6.670.8) = 20 %。

(32)

§§ 作業:

1. (a)、(b)、(d)、(e)、(j)、(k)、(l)、(m)

2. 試寫出鋼之共析溫度及共析變態(即A1變態)之反應 式?

3. 試寫出鋼Acm變態之反應式?

4.試繪出Fe-Fe3 C平衡圖?並標示出共晶點、包晶點及 共析點的位置。

參考文獻

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