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2005/8/26 第九章 熱處理 目錄 簡介 9.1　鐵系合金熱處理原理 9.2　一般熱處理 9.3　熱處理設備 9.4　熱處理工件的檢驗 簡介 熱處理主要是用於改變金屬材料的組織，因而獲得所預期改善的機械性質或物理性質。 熱處理的進行需包含加熱、冷卻及材料組織發生變化等過程。 簡介(續) 熱處理進行的步驟依序為： 1.將工件加熱至適當的溫度。 2.保持一段適當的時間。 3.施以適當的冷卻速率。 4.藉變態或擴散析出，改變組織等作用，改善材料的某些性質或加工性等。 簡介(續) 欲獲得最佳的熱處理效果必須考慮： 1.待處理工件材料的化學成分和使用場合。 2.工件材料的溫度、時間與組織變化關係曲線圖。 3.冷卻方式的選擇和材料因而產生的反應。 4.材料希望得到改善的是那種機械性質或加工性。 5.工件幾何形狀、厚薄及大小尺寸等因素的影響。 簡介(續) 熱處理的主要目的有： 1.增加材料的強度、硬度、耐磨耗性及抗疲勞等性質。 2.強化材料的韌性，以提高其耐衝擊性。 3.使材料變軟，增加其加工性。 4.降低材料低溫脆化的轉換溫度。 5.消除材料加工後產生的硬化作用或內部殘留應力。 6.使材料的成分元素分佈均勻化，得到均質化的組織。 7.防止時效作用的變形發生。 簡介(續) 熱處理的方法有很多種，大致可分為以下兩大類： 1.一般熱處理： 將工件一起施以加熱、冷卻等處理，使金屬材料得到整體性的改善。使用的方法包括退火、正常化、淬火及回火、固溶化和析出硬化處理等。 2.表面硬化熱處理： 提高工件表面的硬度及耐磨耗性為主的熱處理。使用的方法包括化學作用的表面滲透法和物理作用的表面。 9.1　 鐵系合金熱處理原理 金屬及其合金從熔化狀態的高溫下降到凝固溫度時，組成的原子會從不規則聚集以及可任意變形的液體狀態，變為有規則性固定排列的固體狀態，此過程即稱為變態，這種形成規則性排列的作用稱為結晶。 金屬的種類(或合金的成分)和組織決定金屬材料的各種性質，例如晶粒的大小會影響同成分之金屬材料強度的高低。通常利用光學顯微鏡來觀察金屬及其合金的顯微組織，如圖9.1所示。 鐵系合金熱處理原理(續) 液態純鐵在一大氣壓下，溫度降至1538 ℃時即開始出現固態，其結晶構造為體心立方(BCC)的結晶，稱為δ 鐵。 當溫度繼續下降到1400 ℃左右時，長度會發生異常的收縮，這種變化稱為A3變態，產生的原因是結晶構造變成面心立方(FCC)的結晶，稱為γ鐵。 當溫度繼續下降至910 ℃(理想狀態下)左右，長度卻突然膨脹，此時稱為A4變態，結晶構造則變回體心立方的結晶，稱為α鐵。 此後溫度下降和長度的減少量成正比的關係即不再變化，如圖9.2所示。 鐵系合金熱處理原理(續) 純鐵在1400 ℃左右發生的變態和910 ℃左右發生的變態又稱為同素變態。 鋼(即鐵碳合金) 成為工業上重要材料的主要原因，就是所含的鐵金屬有A3變態的緣故，表9.1為鐵和鋼的各種變態。 A0變態及A2變態是指當溫度高於相對應的溫度以後，該材料會由強磁性變為無磁性。 A1變態為鋼特有的變態，純鐵則沒有此種變態。 鐵系合金熱處理原理(續) 當原子半徑較小的碳原子侵入純鐵的結晶構造中，即為所謂的鐵碳合金(碳鋼)，稱此為插入型固溶體，如圖9.3(a)所示。 二元合金中，兩種金屬原子的半徑相差不多，且價電子等條件亦接近時，若其中一種金屬元素的原子把另一種金屬元素部份晶格中的原子驅逐並取代其位置，即形成置換型固溶體，如圖9.3(b)所示。 元素間的化學親合力很強，易產生金屬或離子鍵的結合而得到組成原子數有一定比例的化合物，其性質與組成的成分元素將完全不同。 鐵系合金熱處理原理(續) 鐵碳合金中： 含碳量的重量百分比(wt％)約在0.02 wt％以下者視為純鐵。 含碳量約在0.02～2.0 wt％之間者稱為碳鋼。 含碳量約在2.0～6.67 wt％之間者稱為鑄鐵。 碳鋼中： 含碳量為0.8 wt％者稱為共析鋼。 含碳量在0.8 wt％以下者稱為亞共析鋼。 含碳量在0.8 wt％以上者稱為過共析鋼。 如圖9.4所示。 鐵系合金熱處理原理(續) 含碳量為6.67 wt％者會形成 化合物稱為雪明碳鐵為一很硬的材料。 純鐵在α鐵構造時溶入極少量碳原子所形成的固溶體稱為肥粒鐵。 γ鐵構造時溶入的碳原子在2.11 wt％以下所形成的固溶體稱為沃斯田鐵。 9.1.1　鐵碳平衡圖 鐵碳平衡圖是瞭解鋼的組織、含碳量和溫度三者間關係的重要工具。 當不同含碳量的鐵碳合金自高溫熔融狀態以極為緩慢的冷卻速率冷卻至常溫凝固狀態，將上述三者的關係以曲線形狀表示，即形成狀態圖或稱為相圖，如圖9.5所示。 9.1.2　鐵碳冷卻變態圖 熱處理過程中，冷卻速率對鋼材的組織變化有很大的影響。 依不同的冷卻方式所得