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)則在添加個人理解中又會涉及相關(guān)書籍的內(nèi)容。于是，本文的進(jìn)度會越來越慢，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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$ Z- u# Z* z% a! L5 F# Z讀書：《金屬材料及熱處理》 陸大纮 許晉堃 合編; t# r7 w5 }5 y% }0 q- D
人民鐵道出版社 `: y* ~: U3 }$ G$ R; i
額外材料： 《熱處理工程基礎(chǔ)》
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雜談二
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5 }" S% `+ n, [/ C+ R) c碳鋼
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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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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，制備單晶硅是一個國家科技能力的象征。單晶硅圓片的直徑直接決定了一個國家的技術(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，在港澳臺地區(qū)，也稱矽。玩過星際的人對此應(yīng)該會有印象。# P1 t; s+ d/ h1 R' y3 ]0 h; g
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OK，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)度極限就會增加。而這個規(guī)律，不僅適用于純鐵，也適用于其他金屬和金屬合金。另外，對于晶粒的形狀也應(yīng)注意，當(dāng)晶粒被拉長時，其拉長方向同垂直拉長方向的機(jī)械性能就形成差異，即有了“各向異性”。
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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結(jié)論，到后面關(guān)于珠光體形成的時候再回頭看這個結(jié)論，加深印象。這個結(jié)論就是，當(dāng)金屬組織形態(tài)變化時，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。' v/ _# ^7 E6 `8 p# L' I
" a, U# T% B% R- E& E關(guān)于晶界問題先說這些。我們再回到純鐵的問題上，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，純鐵會在熔點(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，凝固卻是在低于熔點(diǎn)的某一溫度進(jìn)行的。對于實(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。) _- c9 d, ~' a
; K0 O2 V% q/ E. I金屬的結(jié)晶過程由核心形成和核心長大兩個過程組成。晶體形成從核心形成開始，呈樹枝狀長大（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（單位時間單位體積內(nèi)核心的數(shù)量）與核心長大速度。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。7 k! }) W- F! S' n
0 G6 D9 ~" R- ]$ `5 g* E7 N# p控制晶粒大小的兩個方法：; ]" W, T' E0 R$ ?8 f% e w! r. r2 v
1。控制冷卻速度
& N9 _0 Z8 R0 n) W/ @* {7 F/ J2。人工加入結(jié)晶核心。比如加入硅鐵等。% R+ I5 {" g$ j$ D) ]
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。. q* ?. n D# j! S# T4 t; Z
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，捎帶著，對于純鐵，768度是其居里溫度。磁性在這一時刻發(fā)生轉(zhuǎn)變。而對于鐵磁性，我們不在熱處理一部分討論。
2 K! Q& F# W" l/ G" l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。
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0 E8 }! i4 I$ ?+ m5 t接下來，是關(guān)于鐵與碳的相互關(guān)系。
" V0 F1 d- a: @ \7 k n. U學(xué)過機(jī)械的一半都知道下面的這個區(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，幾個重要的組成是滲碳體，奧氏體和鐵素體。+ X9 S7 j6 Q# Q8 Y6 n/ ? W1 l
( M) e" ~5 x8 C6 o8 W/ m# f# Q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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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，在固溶過程中就會發(fā)生置換固溶。如，Ni，Si元素。而對于小直徑的如諸多非金屬元素，碳、氫、氮等，會形成間隙固溶體。 w; z& ^" A4 u2 A% b( Q* s
7 L2 X' H- ?& R5 z$ F: E鐵的固溶體，屬于第二類。分別說兩種固溶體。* k1 a' \2 r' v1 q9 n9 D
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。
9 Z% t- [9 \- g7 C( k3 v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，這兩個值對于碳鋼，是非常重要的兩個值，雖然現(xiàn)在還沒有說到，但是這兩個值所代表的意義重大。2.06是鋼與鑄鐵的分界線。原因很簡單，大于2.06是，即便是高溫奧氏體，也會存在游離的碳。而0.8則是后面會說到的共析、過共析、亞共析的分界線。所以，這里我們也先記住這兩個值。: K v! K' H/ [% k* S% ^) o- u- N
0 {0 [# J7 S' c! v7 k鐵碳關(guān)系中還存在一類混合物，對于金屬的機(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，后面會詳細(xì)說。; C5 i$ e$ q8 u9 K3 x+ `/ H
3 X4 I* n# L" R# \* S. P/ b) T好了，這次大概就是這些。依舊屬于比較瑣碎的基礎(chǔ)知識。下次雜談開始，會進(jìn)入基礎(chǔ)的應(yīng)用階段。2 G2 y+ q7 f! V3 ]1 R7 J; ~, |% ~
同時，歡迎有疑問的大俠指點(diǎn)。: h# H& F+ r q' q8 S$ m1 ]
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發(fā)表于 2014-11-12 12:05:31
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