Transcript 碳鋼之熱處理

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
4-2
4-3
4-4
4-2
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-3
EXIT
4-1 純鐵
1.A2 變態點
純鐵從常溫被加熱至768℃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
4-2
4-3
4-4
4-4
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-5
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-6
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-7
EXIT
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，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
4-2
4-3
4-4
4-8
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-9
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-10
EXIT
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
4-2
4-3
4-4
4-11
EXIT
4-1 純鐵
4-1
4-2
4-3
4-4
4-12
EXIT
4-1 純鐵
4-1
4-2
4-3
4-4
4-13
EXIT
4-1 純鐵
4-1
4-2
4-3
4-4
4-14
EXIT
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。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-15
EXIT
4-2 鋼之組織
4-1
4-2
4-3
4-4
4-16
EXIT
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。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-17
EXIT
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，黑色線條部分為雪明碳
鐵。放大倍率若再加大至1200 倍時，則波來鐵
的層狀組織如圖4-6 所示。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-18
EXIT
4-2 鋼之組織
鋼隨著含碳量增加，波來鐵也增加；當含碳量增
至0.8%C 共析鋼組織時，如圖4-7 所示，鋼的組
織全變成波來鐵。含碳量繼續增加時，波來鐵的
附近會有白色的網狀部分，此網狀部分稱為雪明
碳鐵，如圖4-8 所示。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-19
EXIT
4-2 鋼之組織
4-1
4-2
4-3
4-4
4-20
EXIT
4-2 鋼之組織
4-1
4-2
4-3
4-4
4-21
EXIT
4-2 鋼之組織
上述以低碳鋼為例說明其隨含碳量的增加，材
料組織內之成分亦跟著變化。所以，綜合鋼的
組織變化可依含碳量的不同作一有系統的說明。
1.純鐵：純鐵的含碳量為0.02%以下，其組織絕
大部分都是由肥粒鐵所組成，如果加入些許的
碳元素，則肥粒鐵會減少，而波來鐵開始產生；
隨著含碳量的持續增加，肥粒鐵亦持續的減少，
而波來鐵逐漸增加。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-22
EXIT
4-2 鋼之組織
2.碳鋼：
(1)亞共析鋼：當含碳量超過0.02%以後，到達
0.8%C前，此時的組織稱為亞共析鋼，鋼的組織
是由肥粒鐵與波來鐵之組成；而且含碳量愈多，
波來鐵量就愈多。
(2)共析鋼：當含碳量到達0.8%C時，此時組織稱
為共析鋼。組織全部變成波來鐵。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-23
EXIT
4-2 鋼之組織
(3)過共析鋼：鋼的含碳量在0.8～2%C 間，此時
組織稱為過共析鋼。此時，在波來鐵的晶界處，
隨著含碳量的增加，網狀的雪明碳鐵逐漸聚集
增加，而且晶粒內也會有白線狀的雪明碳鐵出
現；隨著含碳量增加，網狀及線狀的雪明碳鐵
會逐漸變粗，材質更加堅硬。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-24
EXIT
4-2 鋼之組織
關於上述說法，為了方便讀者能了解與記憶上述
各種不同含碳量的分類方式，我們將上述關係繪
成如圖4-9 所示。由圖中可清楚的了解，在不同
含碳量下，各種碳鋼的組織及各種成分的增減關
係，詳細的組織說明，詳見第5-1 節。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-25
EXIT
4-2 鋼之組織
4-1
4-2
4-3
4-4
4-26
EXIT
4-2 鋼之組織
鋼鐵的機械性質大致隨含碳量的改變而變化，
鋼鐵內主要組織的機械性質，茲分析如下：
1.肥粒鐵：又稱為鐵，質地柔軟，延性最好，
抗拉強度中等，為純鐵及低碳鋼的主要組織成
分。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-27
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
2.波來鐵：為肥粒鐵與雪明碳鐵之混合層狀組織。
波來鐵可使碳鋼的組織細化與均質化，因此，在
碳鋼的所有組織中，抗拉強度最大，硬度及伸長
率中等，亦為共析鋼的標準組織。
3.雪明碳鐵：硬度最大可達820 HB，是所有的組
成物中最硬者；伸長率為0。
4.石墨碳：為碳與鐵成游離狀態存在，色黑成片
狀結晶。碳鋼中含有石墨將會降低其硬度且增加
切削性，石墨碳最常於鑄鐵中出現。
5.麻田散鐵：請詳見5-2 節內容。
6.變韌鐵：請詳見5-2 節內容。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-28
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
含碳量對鋼的機械性質影響可由圖4-10 的曲線
中歸納出以下幾點：
1.亞共析鋼（含碳量＜ 0.8%C），隨含碳量的增
加，肥粒鐵量漸減且波來鐵量漸增，碳鋼的硬
度、抗拉強度、降伏強度等性質將隨含碳量的
增高而增加。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-29
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
2.過共析鋼（含碳量＞ 0.8%C），隨含碳量的增
加，雪明碳鐵開始產生游離現象，且數量愈來愈
多，所以材料的強度增加速度變緩；抗拉強度與
降伏強度曲線在含碳量1.2%C達最大值；而硬度
則繼續直線上升。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-30
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
3.斷面縮率、伸長率則隨含碳量的增加而逐漸降
低。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-31
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
1.低溫脆性：如圖4-11 所示，低碳鋼降溫至15℃
時，衝擊值仍相當大。但當溫度降至20～40℃
（轉脆溫度）之間時，衝擊值突然大幅降低，
表示脆性突然大幅增加，此種現象稱為低溫脆
性。一般而言，低碳鋼較容易發生低溫脆性的
現象，而含碳量較高之碳鋼其衝擊值不會降太
快，所以，比較不會發生低溫脆性或冷脆性現
象。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-32
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
4-1
4-2
4-3
4-4
4-33
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
2.高溫脆性：由圖4-11 可以看出碳鋼轉脆溫度大
致隨含碳量的增加而升高，溫度由常溫緩慢升高
時，碳鋼的機械性質變化如圖4-12 所示。其
中之抗拉強度、硬度等起初隨溫度的升高而增加，
而在200～300℃間為最大值，伸長率與斷面縮率
則變小，故材料性質由軟變硬且脆，此
時鋼的顏色為藍色，稱為藍脆性或高溫脆性。此
時若對材料作任何的加工，會有破裂之危險，當
溫度超過300℃以上時，抗拉強度與硬度快速減
低，而斷面縮率與伸長率則大幅增高。當溫度超
過700℃後，抗拉強度降至只有少數個N/mm2。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-34
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
4-1
4-2
4-3
4-4
4-35
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
鋼的用途極廣，主要是因為鋼與鑄鐵均適合鑄
造，且與熟鐵一樣均可鍛造，鋼的強度又比兩
者大的許多。所以，鋼是目前所有材料中最重
要的材料之一，其分類及用途可概說如下：
1.依鋼的硬度及用途可分為：
(1)極軟鋼：含碳量在0.1%以下，可作為鉚釘材
料、金屬線材、銲條芯線、鍍鋅鋼管、鍍錫馬
口鐵、鋼軌等。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-36
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
(2)軟鋼：含碳量在0.1～0.25%之間，適作鉚釘、
橋樑、鋼板、鋼管、螺絲、螺栓、鐵條、鍋爐鐵
桶等。
(3)半軟鋼：含碳量在0.25～0.55%之間，適合製
作建材、造船材、齒輪、旋轉軸、起重機鋼板等。
(4)半硬鋼：含碳量約於0.55～0.65%之間，適合
製作傳動軸、曲柄、齒輪、連桿、凸輪軸、鍵、
活塞閥及軸類製品等。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-37
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
(5)硬鋼：含碳量約於0.65～0.8%之間，適作各種
軸類、鍵類、滾筒、壓縮氣體容器、曲柄軸及土
木工具如鋸子、鎚子、衝頭、鑿子等。
(6)最硬鋼：含碳量約於0.8%以上，適合各類的
工具製造，諸如鑽頭、刀具、模具、機件、車軸
等。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-38
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
2.依照含碳量的多寡分類
(1)高碳鋼：含碳量在0.6%以上，專門用於製造
各種工具，如鑽、鑿、鍛壓、剪斷、鎚、鋸切
等場合之工具。
(2)中碳鋼：含碳量介於0.3～0.6%之間，適合製
造配合件，如齒輪組、傳動軸等。
(3)低碳鋼：含碳量介於0.02～0.3%之間，適宜
各式鋼板及螺絲等之製造。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-39
EXIT
4-3 鋼之性質及其用途
3.依照鋼的用途可分為
(1)構造用鋼：供機械及土木構造用的碳鋼及合
金鋼，其含碳量約為0.15～0.4%。
(2)特殊用鋼：用途極廣如工具鋼、不鏽鋼、彈
簧鋼、耐熱鋼、磁性鋼及其它特殊合金鋼等。
碳鋼的含碳量介於0.02～2.0%之間，但真正用於
工業界的含碳量則介於0.05～1.5%之間。當鋼加
入合金元素之後，其性質即隨所加入元素的特性
而發生改變，由此即可推想鋼為何最受材料界所
使用的原因了。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-40
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
存在鋼中的雜質中，主要合金元素有碳、矽、錳、
硫、磷、鉻、鉬、鎳、鎢、氫等，這些元素有的
對鋼的機械性質將造成不利影響，有的對鋼的機
械性質幫助頗大；其中，尤以碳、矽、錳、硫、
磷等五大元素影響最大。
1.碳(C)：碳對鋼的影響是所有元素中最重要者，
含碳量的多寡將直接影響到鋼的強度、硬度…等，
請參詳4-3 節內容。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-41
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
2.矽(Si)
優點：
(1)增加鋼液的流動性。
(2)防止鋼液內氣孔生成。
(3)增進鋼的收縮作用。
(4)作為煉鋼的還原劑。
(5)使鋼易於鑄造。
(6)含矽量在0.3%以下，矽會固溶於肥粒鐵中，
會使鋼的抗拉強度、硬度、彈性增加；但是伸長
率及衝擊值則降低。
(7)增加電阻，減少磁滯損失。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-42
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
缺點：
(1)減低碳在鋼中的溶解。
(2)使鋼中之雪明碳鐵（Fe3C）分解，形成石墨
化。
3.錳(Mn)
優點：
(1)錳易與硫結合成硫化錳，可消除硫的有害影
響； 錳能去除鋼中的氧化物。
(2)錳可抑制鋼中晶粒之成長，增加鋼的硬度、
強度、韌性等。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-43
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
4.硫(S)：硫主要來自於生鐵與焦碳的煉製過程中
所產生，其對鋼的優缺點如下：
優點：
(1)增加鋼的切削性。
缺點：
(1)含量超過0.02%時就會降低鋼的強度、伸長率
及衝擊值等。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-44
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
(2)硫易與鐵結合成硫化鐵（FeS）的共晶組織，
會把肥粒鐵包圍起來，在晶界處形成網狀的薄膜，
此等薄膜的熔點低，若加熱至鍛造溫度時，會先
行產生熔解。所以，若實行鍛造會從此處產生裂
縫，此種現象稱為熱脆性（Hot shortness）。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-45
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
5.磷(P)：磷為生鐵本身所蘊含的元素，生鐵煉製
時會殘留於其中，其對鋼的為害僅次於硫。
優點：
(1)磷多固溶於肥粒鐵內，使晶粒變粗，使鋼的
強度、硬度等略增，但會減少延性，尤其減少常
溫時的衝擊值，有利於金屬表面防蝕處理。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-46
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
缺點：
(1)由於磷會降低常溫時鋼的衝擊值，致使材料
於常溫加工時，亦因此而產生脆性，此種現象稱
為冷脆性（Cold shortness）。
(2)磷易使鋼產生偏析（材料內成分的不均勻），
即使把鋼加熱至高溫時，亦難擴散而仍停留於原
處。若施以軋延或鍛造時，偏析部分會
形成細而長的帶狀組織，此種現象稱為魔線
（Ghost line），此為鋼加工破壞的起因之一。
4-1
4-2
4-3
4-4
4-47
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
4-1
4-2
4-3
4-4
4-48
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
4-1
4-2
4-3
4-4
4-49
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
4-1
4-2
4-3
4-4
4-50
EXIT
4-4 五大元素對碳鋼之影響
教材
1-1
1-2
相關影片展示
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
1-51
EXIT