零讀雜談（熱處理二）

bkljp02

其實(shí),，說雜談,，目的無外有二。其一為筆記,，不僅記錄書中所述,，亦加入筆者之所想,。其二為討論,，如諸君有問，實(shí)可討論,，共同學(xué)習(xí),。又則，名為讀一本書,，實(shí)則在添加個(gè)人理解中又會(huì)涉及相關(guān)書籍的內(nèi)容,。于是，本文的進(jìn)度會(huì)越來越慢,，擴(kuò)展越來越大,。因此，更希望廣大社友的參與討論,。在此萬分感謝
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讀書：《金屬材料及熱處理》　陸大纮　許晉堃　合編
　　　人民鐵道出版社
額外材料： 《熱處理工程基礎(chǔ)》
, a& @9 e0 _2 u  G( j% G' \                    機(jī)械工業(yè)出版社
　　　雜談二

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碳鋼

說起碳鋼,，就一定要先說純鐵。說純鐵的組織和性能,。
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, V, ?7 S, X2 L. N% S3 g$ F( D將純鐵的表面磨光,、拋光，并用硝酸酒精溶液腐蝕,，再置于顯微鏡下觀察,，就可以發(fā)現(xiàn)它是由許多外形不規(guī)則的小晶體構(gòu)成。這些晶體稱為晶粒,，晶粒間的交界稱為晶界,。在每一個(gè)純鐵晶粒內(nèi)部,，鐵原子按一定方向整齊一致地、有規(guī)則的排列,。而無數(shù)的晶粒組成純鐵,。因此我們稱純鐵這樣的組成物質(zhì)為多晶體。一般的金屬都是多晶體,。而像單晶硅,，其整體是由一個(gè)晶粒組成，這種物質(zhì)為單晶體,。這里值得一提的是,，單晶硅作為現(xiàn)在科技發(fā)展的基礎(chǔ)，作為大規(guī)模集成電路發(fā)展的基石,，制備單晶硅是一個(gè)國(guó)家科技能力的象征,。單晶硅圓片的直徑直接決定了一個(gè)國(guó)家的技術(shù)能力。如日美可以制造6寸,，8寸,，12寸，18寸的單晶硅圓片,。而我國(guó)只能達(dá)到12寸的制備技術(shù),。這就是差距。另外,，還值得一提的是,，硅，在港澳臺(tái)地區(qū),，也稱矽,。玩過星際的人對(duì)此應(yīng)該會(huì)有印象。

% v. A+ n* w" t3 t* ]: jOK,，跳過扯淡的部分,。純鐵的性能與其組織有關(guān)。工業(yè)純鐵的機(jī)械性能平均為 250MPa抗拉強(qiáng)度,，120MPa屈服強(qiáng)度,，50%的延伸率，85%的斷面收縮率,， 30焦/平方厘米的沖擊韌性,， HB80的硬度。而受組成晶粒的大小,、形狀和分布影響,，都會(huì)影響上述數(shù)據(jù)。比如,，晶粒越細(xì),，晶界增加,，增大塑性變形阻力，因此屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限就會(huì)增加,。而這個(gè)規(guī)律,，不僅適用于純鐵，也適用于其他金屬和金屬合金,。另外,，對(duì)于晶粒的形狀也應(yīng)注意，當(dāng)晶粒被拉長(zhǎng)時(shí),，其拉長(zhǎng)方向同垂直拉長(zhǎng)方向的機(jī)械性能就形成差異,，即有了“各向異性”。

; h0 t6 u0 T2 f9 G) N說到這里,，要放慢下速度,，說說晶界的問題。晶界按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為三類,。共格界面,，半共格界面和非共格界面。如下面的示意圖,。共格界面是指界面兩側(cè)的相鄰原子一一對(duì)應(yīng),，相互保持匹配。半共格是指兩側(cè)原子間距不同,，在界面上只有部分原子能夠依靠彈性畸變保持匹配,，不能匹配的位置將形成刃形錯(cuò)位,。非共格是指兩相原子間距差別太大,，界面兩側(cè)不能保持匹配。界面上原子排列的不規(guī)則性,，會(huì)導(dǎo)致界面能的升高,。故，共格最低,，非共格最高,。另外，這里我們先記住一個(gè)結(jié)論,，到后面關(guān)于珠光體形成的時(shí)候再回頭看這個(gè)結(jié)論,，加深印象。這個(gè)結(jié)論就是,，當(dāng)金屬組織形態(tài)變化時(shí),，如果新相具有和母相相同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和近似的點(diǎn)陣常數(shù)，則新相可以與母相形成共格界面,，新相將成針狀,。如果晶體結(jié)構(gòu)不同,，新相與母相之間可能存在一個(gè)共格或半共格界面，而其他面則是非共格界面,，新相將成為片狀,。如果完全不存在共格、半共格界面,，則新相成球形,。
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3 U5 L- M, }2 S4 R關(guān)于晶界問題先說這些。我們?cè)倩氐郊冭F的問題上,，學(xué)習(xí)純鐵的結(jié)晶過程,。
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純鐵在1534攝氏度以上為液態(tài)，因此,，1534度是純鐵的熔點(diǎn),。實(shí)驗(yàn)指出，通過緩慢冷卻過程時(shí),，純鐵會(huì)在熔點(diǎn)完成凝固,，并釋放結(jié)晶潛熱（凝固熱），然后溫度才繼續(xù)下降,；但當(dāng)通過快速冷卻時(shí),，凝固卻是在低于熔點(diǎn)的某一溫度進(jìn)行的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中,，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差叫做過冷度,。DT=te-tn。金屬結(jié)晶都有一定的過冷度,，冷卻越快,，過冷度越大。

! w+ v: q$ @0 H6 Z9 {* |9 R( a金屬的結(jié)晶過程由核心形成和核心長(zhǎng)大兩個(gè)過程組成,。晶體形成從核心形成開始,，呈樹枝狀長(zhǎng)大（見下圖），直至與其他晶體相遇,，并形成晶界,。因此，晶體的大小有核心形成速度（單位時(shí)間單位體積內(nèi)核心的數(shù)量）與核心長(zhǎng)大速度,。而熱處理中所謂的細(xì)化晶粒就是通過增加核心形成速度和減緩核心長(zhǎng)大速度來實(shí)現(xiàn)的,。正如前面說過的，晶粒越細(xì),，機(jī)械性能越好,。

控制晶粒大小的兩個(gè)方法：
& v8 Y& W4 W' I$ {, o  t1。控制冷卻速度
2,。人工加入結(jié)晶核心,。比如加入硅鐵等。
8 O9 d  ]1 M% ^" q2 [; w; S另外,，比如要說的,。形核不僅是凝固中存在，在金屬固態(tài)的不同階段也存在形核問題,。如果控制這一部分的形成和長(zhǎng)大,，可以通過形核理論進(jìn)行計(jì)算和控制。這里先不發(fā)散,。后面再就事論事,。
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關(guān)于純鐵的同素異晶變化。
如下圖,，我們知道,，鐵存在兩種晶體結(jié)構(gòu)，即體心立方體結(jié)構(gòu)和面心立方體結(jié)構(gòu),。其中,，1390度是體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牡臏囟戎担?10度是面心立方體晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方體的溫度。同時(shí),，捎帶著,，對(duì)于純鐵，768度是其居里溫度,。磁性在這一時(shí)刻發(fā)生轉(zhuǎn)變,。而對(duì)于鐵磁性，我們不在熱處理一部分討論,。
6 @/ o, D* w4 M5 P& D這里再提一下形核,。在鐵的同素異晶變化中，新相的形核容易在原子排列較亂的晶界處形成,。

接下來,，是關(guān)于鐵與碳的相互關(guān)系。
學(xué)過機(jī)械的一半都知道下面的這個(gè)區(qū)分,。含碳量小于2.06%的稱為鋼；大于2.06%的稱為鑄鐵,；而大于4.3%的鑄鐵基本不可使用,。而在鐵碳關(guān)系中，幾個(gè)重要的組成是滲碳體,，奧氏體和鐵素體,。
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2 P3 g' W$ p# i* ]7 u1 J  S滲碳體又稱碳化三鐵（不方便打公式，干脆就用讀法寫出來），它相當(dāng)于含碳6.67%,。滲碳體硬度很高HB800,，塑性接近零，熔點(diǎn)為1600度,，具有鐵,、碳都不具備的復(fù)雜晶格。
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0 @: z4 b3 a' ]7 v' l7 S' a奧氏體和鐵素體,。奧氏體和鐵素體不同于滲碳體,，他們不是化合物，而是一種固溶體,。固溶體,，又分為置換固溶體和間隙固溶體。當(dāng)兩種金屬元素原子直徑大小相近時(shí),，在固溶過程中就會(huì)發(fā)生置換固溶,。如，Ni,，Si元素,。而對(duì)于小直徑的如諸多非金屬元素，碳,、氫,、氮等，會(huì)形成間隙固溶體,。
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鐵的固溶體,，屬于第二類。分別說兩種固溶體,。
* P" l3 l4 |' Q2 K鐵素體,。 鐵素體是體心立方體結(jié)構(gòu)，間隙半徑較小,，只有3.6e-8毫米,。而碳原子的直徑為1.54e-7毫米，也因此,，鐵素體的溶碳能力很低,。鐵素體在723度時(shí)可以溶碳0.02%，室溫狀態(tài)下只能溶碳0.008%,。鐵素體強(qiáng)度硬度低,，塑性韌性好。
2 J& m# x9 a' I' h; z$ z' _奧氏體,。奧氏體是面心立方體結(jié)構(gòu),，間隙較大,，間隙半徑達(dá)5.2e-8毫米。奧氏體的溶碳量從1147度的2.06%降低到723度的0.8%,。2.06和0.8,，這兩個(gè)值對(duì)于碳鋼，是非常重要的兩個(gè)值,，雖然現(xiàn)在還沒有說到,，但是這兩個(gè)值所代表的意義重大。2.06是鋼與鑄鐵的分界線,。原因很簡(jiǎn)單,，大于2.06是，即便是高溫奧氏體,，也會(huì)存在游離的碳,。而0.8則是后面會(huì)說到的共析、過共析,、亞共析的分界線,。所以，這里我們也先記住這兩個(gè)值,。

鐵碳關(guān)系中還存在一類混合物,，對(duì)于金屬的機(jī)械性能和熱處理有著很大的意義。這種混合物就是珠光體,。而珠光體則是88%鐵素體和12%滲碳體的混合物,。關(guān)于珠光體，后面會(huì)詳細(xì)說,。

. H- G9 e- o- o好了,，這次大概就是這些。依舊屬于比較瑣碎的基礎(chǔ)知識(shí),。下次雜談開始,，會(huì)進(jìn)入基礎(chǔ)的應(yīng)用階段。
0 w# x. k+ Y/ v0 h同時(shí),，歡迎有疑問的大俠指點(diǎn),。

江海洲

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東海fyh126

這個(gè)得頂,，，，,，,，不懂得會(huì)一頭霧水，,，,，

猛龍C

純支持bkljp02大俠。謝謝,。

Adobλ

簡(jiǎn)潔易懂,，期待下一篇

牛人阿祥

很基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)了,。請(qǐng)教幾個(gè)問題可以嗎,。鋼經(jīng)過熱處理會(huì)有硬度和韌性的變化，那么純金屬,，比如純鐵和純銅也有這樣的性質(zhì)嗎,？
熱處理分兩個(gè)方面，一個(gè)是加熱一個(gè)是冷卻,。冷卻越快硬度越高,，那么冷卻快和冷卻滿內(nèi)部晶體有什么不一樣嗎，比如鉆石和石墨的差異,。
回火金屬硬度是軟點(diǎn),，韌性會(huì)增加，那么這個(gè)變化是表層的還是整體的,，還是可以人為選擇的,。

逆轉(zhuǎn)的地球55

金屬的結(jié)晶過程由核心形成和核心長(zhǎng)大兩個(gè)過程組成,。
我覺得這里面的核心換成晶核可能更形象一些,。

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比大學(xué)課本上說的條理更清楚，那本書看了好多遍,，都不知道是怎么回事
看樓主這帖子,，就像把書上的知識(shí)點(diǎn)換個(gè)順序去理解,，明白了很多

zgsdcrc

學(xué)習(xí)了。

林培文

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