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        五金應用常識:扣件鋼鐵材料與熱處理技術
        發布日期:2012-12-24

        1.鋼鐵材料之分類與熱處理的定義

            鋼鐵材料可分為普通鋼碳素鋼、低合金鋼、工具鋼、特殊用途鋼等,而螺絲螺帽業所使用的鋼鐵原料目前皆為普通鋼碳素鋼及低合金鋼。等級高的螺絲螺帽大多需要經過熱處理加工強化后才能達到其不同之強度要求。

           「金屬熱處理」一般是指「對固態金屬施以適當的加熱、保溫、冷卻或改變表面化學成份,而達到預期之機械、物理或化學性質目的之技術」。

            不同化學成份的材料,各具有不同的機械性質,而即使是同一化學成份的材料,由于有不同的內部組織,也會有不同的性能,熱處理就是一種可以改變材料內部與外部組織的方法。

            2.鐵—碳相平衡圖

            合金狀態圖是一種可以表示合金系中合金狀態與溫度、成份之關系,即各種成份的合金在極慢的加熱或熱卻條件下(即接近平衡條件下),其內部的組織隨溫度、成份而變化所形成。

            其中鐵—碳相平衡圖最常用在鋼鐵工業中,此圖不但指出不同成份鐵、碳合金的結晶或熔化溫度在不同溫度下的組成相(phase)與相對含量,更重要的是,根據此圖尚可決定當溫度、合金成份改變時,其合金組織、性能的變化規律,因此便可正確的判定鋼鐵的鑄造、焊接、沖壓加工、熱處理等生產技術的制程,以作為修正或創造新材料的依據。

            3.連續冷卻變態圖及恒溫變態

            鋼料在高溫的沃斯田鐵化溫度冷卻下來時,如果冷卻速度不相同,則會在不同的溫度發生Arl變態,例如把共析鋼(0.8%C)從沃斯田鐵(沃斯田鐵Austenite)狀態以各種冷卻速度冷到常溫,而把Arl變態的開始溫度及完成溫度及麻田散鐵變態的開始及完成時間等關系,畫成以溫度和時間為座標,就可得的曲線(以含碳量0.8%之共析鋼為例)。這種曲線就是所謂的連續冷卻變態圖。

            有了CCT圖就可以了解,某成份的鋼料以何種冷卻速度冷卻沃斯田鐵時,在何種溫度,何種時間會發生何種變態,而在常溫可以得到何種組織。

            貳、基本鋼鐵金相組織

            金相組織是材料分析的基礎,對鋼鐵材料而言,從鐵—碳平衡圖中可看出,所有鋼鐵在室溫下的組織均是由肥粒鐵(α-Fe)和雪明碳鐵(Fe3C)這兩個基本相組成。由于碳含量、合金含量的不同,鋼鐵材料經過加熱、冷卻的過程,會產生各種平衡相與非平衡,由肥粒鐵與雪明碳鐵的比例、析出形狀和分而情況的差異,會呈現各種不同的組織型態。一般碳鋼可觀察到金相組織有:肥粒鐵、雪明碳鐵、波來鐵、上變韌鐵、下變韌鐵、麻田散鐵、回火麻田散鐵及殘留沃斯田鐵。

            1.肥粒鐵(Ferrit)

            定義:碳與合金元素在a-Fe中的固溶體。

            特征:自沃斯田鐵變態而得,依成分與冷卻速度不同,而呈塊狀、費德曼沃斯田鐵型或沿晶界析出。在共析鋼或過共析鋼內肥粒鐵不能單獨存在,常與雪明碳鐵(Fe3C)層狀共生成波來鐵。

            2、波來鐵(Pearlite)

            定義:鐵碳合金中,共析反應所形成之肥粒鐵與雪明碳鐵之層狀組織。

            特征:波來鐵之層狀組織中,層間距離取決于沃斯田鐵變態反應時之溫度,溫度越低,層間距離越細,鋼料強度越高,一般以金相顯微鏡,放大倍率500倍,可分辨出其層狀組織者為粗波來鐵,細波來鐵則無法分辨,但以nital浸蝕,顏色為黑色。

            3、上變韌鐵(Upper bainite)

            定義:過飽和針狀肥粒鐵和雪明碳鐵的混合物,雪明碳鐵分布于針狀肥粒鐵之間特征:過冷沃斯田鐵在550℃~350℃的相變態產物,為平行排列之條狀(lath)肥粒鐵組成,而形成外觀所見之羽毛狀(feathery)型態。

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