第六章~鐵、鋼之組織及相變化

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

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

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

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 A 2 變態, 可用下式代表 : 768 C 為純鐵的居里點 磁性 768 C 無磁性

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 A 3 變態, 亦即由 BCC α- 鐵變成 FCC γ- 鐵之同素異形變態, 可用下式代表 : 無磁性 910 γ- 鐵又稱沃斯田鐵 (austentile) C 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

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 A 4 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 : 1400 C 發生 A 4 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 A 3 變態的情形 溫度再升高, 至 1538 C 熔化, 即 : 1538 CL 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

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/mm 2,20 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

A c3 代表溫度上升時發生 α γ 的變態, A r3 代表由高溫冷卻下來所發生 γ α 的變態

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 A 1 變態, 可用下式代表 : 727 C + Fe 3 C 自沃斯田鐵 (FCC) 同時析出肥粒鐵 (BCC) 及碳化物 (Fe 3 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),Fe 3 C 之鐵碳化物又稱為雪明碳鐵 (cementite) 共同析出之 α 及 Fe 3 C 成交互重疊之層狀 ( 指紋狀 ) 存在

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 )

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 Fe 3 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

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 A 2 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 A 0 變態 鋼之 A 2 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 A 3 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 A 2 變態溫度皆為 727 C

6-4-2 共析鋼之 A 1 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 (A 1 溫度 ) 乃發生共析變態 即為 A 1 變態, 可寫成 : 沃斯田鐵 ( 0.8% C)727 C肥粒鐵 (88%) 雪明碳鐵 (12%) 或沃斯田鐵 波來鐵 A 1 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 (Fe 3 C) 的晶核, 在相鄰 Fe 3 C 晶核間 γ- 鐵內碳原子向兩邊的 Fe 3 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 %

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

6-4-3 亞共析鋼之 A 1 變態及 A 3 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 A 1 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 : 波來鐵 727 C 沃斯田鐵 剩下之肥粒鐵要等溫度升抵同素異形變態 A 3 變態時才會變成沃斯田鐵 但亞共析鋼之 A 3 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

(pp. 148, 圖 6-6: 亞共析鋼之 A 3 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 A 3 溫度隨含碳量之增加而遞減的情形,A c3 及 A r3 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 DB為鋼 (0.5 % C 以下 ) 之磁性變態 (A 2 ) 恆溫線, 含碳量高於 0.5 % 者其 A 2 線與 A 3 線 ( 曲線 BC ) 重合 ; 直線 FC 為 A 1 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 A 3 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 A 1 變態, 波來鐵以 12 % Fe 3 C + 88 % α 之形態出現, 如圖 6-6 內標示為 4 之圖形所示

6-4-4 過共析鋼之 A 1 變態及 A cm 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 A 1 溫度 (727 C) 時, 發生 A 1 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 A cm 變態之溫度時, 才會發生如下之 A cm 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 : 加熱沃斯田鐵 雪明碳鐵 沃斯田鐵 冷卻的過程恰好相反 冷卻

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 A cm 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 A 1 溫度時, 剩下的沃斯田鐵發生 A 1 變態, 變成波來鐵 ( 如圖 6-7 內標示為 4 之圖形所示 ) 故知 A cm 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,A cm 曲線上 下方各有標明 A ccm A rcm 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

6-5 Fe-C 平衡狀態圖 此圖實際係以 Fe-Fe 3 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

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

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 : 冷卻 L 加熱 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 A 1 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 : 冷卻 L Fe3C 加熱 圖之左下方為共析反應區

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 A 3 與 A cm 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 )

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 %

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 A 1 變態 ) 之反應式? 3. 試寫出鋼 A cm 變態之反應式? 4. 試繪出 Fe-Fe 3 C 平衡圖? 並標示出共晶點 包晶點及共析點的位置