碳钢之热处理课件.ppt

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1、第4章碳鋼之熱處理4-1純鐵4-2鋼之組織4-3鋼之性質及其用途4-4五大元素對碳鋼之影響4-1純鐵純鐵的含碳量在0.02%以下，工業用的純鐵其化學成分如表4-1所示。純鐵所含的碳元素量極少，這些碳元素完全固溶於鐵的晶格中。常溫時，純鐵呈BCC體心立方格子組織，而在鐵碳平衡圖上是屬於-鐵，工程上稱為肥粒鐵，雖具有很強的磁性，但質地甚軟，強度極差。純鐵在工業上的用途有限，常用於電機工業上，如將純鐵製成薄片並疊成堆做為電機的變壓器鐵芯。4-1純鐵4-1純鐵純鐵在常溫時具有強磁性，隨加熱溫度的提升，磁化強度漸減，組織與性質亦發生改變敘述如下：4-1純鐵4-1純鐵1.A2變態點純鐵從常溫被加熱至768

2、℃時磁性幾乎為零而成為順磁性。在768℃前的結晶格子為鐵狀態，當溫度繼續加溫至768℃時，其結晶格子仍為鐵狀態，而內部原子之能量發生變化以致肥粒鐵瞬間磁性完全消失，此種現象稱之為磁性變態。其磁性變態點為768℃，又稱為居里溫度，在冶金學上稱為A2變態點。4-1純鐵4-1純鐵A2變態點是加熱時的磁性變態終點，也是冷卻變態的開始點。至於純鐵的磁化強度與溫度的變化關係，如圖4-1所示。其中，A2變態線又稱為純鐵的同素變態溫度線，A2變態點的變態為可逆變化，加熱溫度愈高，磁化強度愈低。4-1純鐵4-1純鐵2.A3變態點當純鐵的加熱溫度持續上升至910℃前，如圖4-2所示，試片長度持續被拉長，而結晶組織

3、仍為BCC未有改變；當超過910℃時，結晶組織會由BCC變成FCC，FCC的原子堆積密度比BCC為大，所以，試片長度未再被拉長反而發生異常的收縮現象。由X光繞射法觀察其原子排列已發生明顯變化，其結晶組織已由BCC（-鐵）改變成FCC結構（-鐵又稱為沃斯田鐵），此一異常收縮現象稱為A3變態，變態點溫度為910℃。4-1純鐵4-1純鐵若由高溫冷卻至910℃時，試片長度忽由收縮變成異常的成長，所以，A3變態為一可逆反應。A3變態線亦為純鐵的同素變態溫度線，通過910℃後，隨溫度繼續升高，試片長度又呈直線的增加，如圖4-2所示。4-1純鐵4-1純鐵3.A4變態點隨溫度繼續上升，試片長度又恢復直線成長，

4、直到1400℃時，晶粒突然發生大幅成長現（BCC結晶組織密度較小所致），由X光繞射法觀察其原子排列發現又恢復為BCC的鐵結構。為了與先前的鐵結構有所區分，特將1400℃高溫後的鐵稱為鐵。此種變態稱為A4變態，其變態點溫度為1400℃。A4變態點亦為可逆反應，亦為純鐵的同素變態點。4-1純鐵4-1純鐵有關A3變態及A4變態的變態溫度與晶粒成長關係可由圖4-2充分表示。由圖4-2中可知，當溫度繼續升高至1539℃時，純鐵完全熔化，已無任何的變態發生。所以，A2、A3、A4為純鐵的同素變態點；而鐵、鐵、鐵為純鐵的同素異形體。在實際的加熱或冷卻的過程中，由於溫度的上升或下降都是連續的，所以，往往溫度已

5、到達變態溫度了，而還沒有發生變態，必須加熱至高一點的溫度或冷卻至低一點的溫度才會發生變態，其中以A3及A4變態點的變態具有此一現象。4-1純鐵4-1純鐵純鐵富延展性，質軟強度差，無法作為結構用材；一般工業上均將純鐵鍍上鋅或錫製成白鐵皮或馬口鐵。純鐵也用於電機工業上，可作為發電機與變電器的鐵芯材料且用量極大。工業用純鐵其機械性質可如表4-2所示。4-1純鐵4-1純鐵截取一段純鐵並以拋光技術處理成鏡面狀態後，再以極薄的酸溶液腐蝕拋光面，置於顯微鏡下可得如圖4-3所示之組織示意圖。由圖中可清楚看出純鐵質地全為肥粒鐵（Ferrite）基地，暗線部分稱為晶界，在晶界處凝聚大量的不純物（碳、矽、錳、硫、磷

6、等）。因晶界的能量較大且容易被腐蝕，所以在顯像時可非常清晰的看見晶界的分布情形。4-1純鐵4-1純鐵4-1純鐵4-1純鐵4-1純鐵4-1純鐵4-1純鐵4-2鋼之組織4-2鋼之組織鋼的加熱或冷卻的過程若稍有不同，其組織會不相同。為了要分析鋼的組織，現在我們使用熱處理中的一種方法稱為正常化來處理低碳鋼為例，用以說明鋼在不同的含碳量時，正常化過程中其顯微組織。所謂的正常化處理是材料加熱至高溫的沃斯田鐵狀態時，在空氣中緩慢冷卻所得的組織，如圖4-4所示。4-2鋼之組織4-2鋼之組織4-2鋼之組織圖4-4所示為低碳鋼（含碳量0.18%，放大倍率為200）的正常化組織示意圖，其中，線條狀部分為晶界，存有許

7、多的雜質；白色部分為鐵，在冶金學上稱為肥粒鐵；黑色部分為雪明碳鐵與肥粒鐵的稠密層狀混合物稱為波來鐵，波來鐵的區域是相當容易被腐蝕的。其中雪明碳鐵隨著鋼的含碳量增加而增加，亦即圖4-4中的黑色部分面積亦將會增加。4-2鋼之組織4-2鋼之組織若把放大倍率加大至300～600倍後，則波來鐵的形狀如圖4-5中的斜線部分呈現更清晰的層狀組織，此種層狀組織在冶金學上稱為波來鐵；波來鐵圖白色部分為肥粒鐵，黑色線