零讀雜談（熱處理二）

bkljp02

其實，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，實可討論，共同學習。又則，名為讀一本書，實則在添加個人理解中又會涉及相關書籍的內容。于是，本文的進度會越來越慢，擴展越來越大。因此，更希望廣大社友的參與討論。在此萬分感謝

' H4 p# ]2 m( ~5 v) E) _- W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
* f# n2 u* v) n7 r8 x7 O3 G額外材料： 《熱處理工程基礎》
                    機械工業出版社
　　　雜談二

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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。

2 W1 j: s$ W0 l; Y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，就可以發現它是由許多外形不規則的小晶體構成。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部，鐵原子按一定方向整齊一致地、有規則的排列。而無數的晶粒組成純鐵。因此我們稱純鐵這樣的組成物質為多晶體。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，這種物質為單晶體。這里值得一提的是，單晶硅作為現在科技發展的基礎，作為大規模集成電路發展的基石，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。而我國只能達到12寸的制備技術。這就是差距。另外，還值得一提的是，硅，在港澳臺地區，也稱矽。玩過星際的人對此應該會有印象。
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OK，跳過扯淡的部分。純鐵的性能與其組織有關。工業純鐵的機械性能平均為 250MPa抗拉強度，120MPa屈服強度，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，都會影響上述數據。比如，晶粒越細，晶界增加，增大塑性變形阻力，因此屈服強度和強度極限就會增加。而這個規律，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注意，當晶粒被拉長時，其拉長方向同垂直拉長方向的機械性能就形成差異，即有了“各向異性”。

6 ?1 U$ Y& M, W, x$ t) h  q" i4 T說到這里，要放慢下速度，說說晶界的問題。晶界按照結構特點分為三類。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的相鄰原子一一對應，相互保持匹配。半共格是指兩側原子間距不同，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，界面兩側不能保持匹配。界面上原子排列的不規則性，會導致界面能的升高。故，共格最低，非共格最高。另外，這里我們先記住一個結論，到后面關于珠光體形成的時候再回頭看這個結論，加深印象。這個結論就是，當金屬組織形態變化時，如果新相具有和母相相同的點陣結構和近似的點陣常數，則新相可以與母相形成共格界面，新相將成針狀。如果晶體結構不同，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。

關于晶界問題先說這些。我們再回到純鐵的問題上，學習純鐵的結晶過程。
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純鐵在1534攝氏度以上為液態，因此，1534度是純鐵的熔點。實驗指出，通過緩慢冷卻過程時，純鐵會在熔點完成凝固，并釋放結晶潛熱（凝固熱），然后溫度才繼續下降；但當通過快速冷卻時，凝固卻是在低于熔點的某一溫度進行的。對于實驗中，理論結晶溫度與實際結晶溫度的差叫做過冷度。DT=te-tn。金屬結晶都有一定的過冷度，冷卻越快，過冷度越大。

; ?8 `8 G5 r9 m, [; ^4 Q金屬的結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核心的數量）與核心長大速度。而熱處理中所謂的細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現的。正如前面說過的，晶粒越細，機械性能越好。

5 y: @* }9 R/ L控制晶粒大小的兩個方法：
$ r1 a* s7 w1 _! r) `0 D! d1。控制冷卻速度
2。人工加入結晶核心。比如加入硅鐵等。
另外，比如要說的。形核不僅是凝固中存在，在金屬固態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行計算和控制。這里先不發散。后面再就事論事。
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關于純鐵的同素異晶變化。
- T. k+ X0 m% V3 p如下圖，我們知道，鐵存在兩種晶體結構，即體心立方體結構和面心立方體結構。其中，1390度是體心立方晶格轉變為面心的溫度值；910度是面心立方體晶格轉變為體心立方體的溫度。同時，捎帶著，對于純鐵，768度是其居里溫度。磁性在這一時刻發生轉變。而對于鐵磁性，我們不在熱處理一部分討論。
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，是關于鐵與碳的相互關系。
; v% D1 _+ V) L學過機械的一半都知道下面的這個區分。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。而在鐵碳關系中，幾個重要的組成是滲碳體，奧氏體和鐵素體。

; x: \5 a8 Q! L. o9 ]$ M滲碳體又稱碳化三鐵（不方便打公式，干脆就用讀法寫出來），它相當于含碳6.67%。滲碳體硬度很高HB800，塑性接近零，熔點為1600度，具有鐵、碳都不具備的復雜晶格。
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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。當兩種金屬元素原子直徑大小相近時，在固溶過程中就會發生置換固溶。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。

2 a" [! r3 V3 T( n% `. U鐵的固溶體，屬于第二類。分別說兩種固溶體。
7 w3 K3 W9 l0 J6 y- t! f鐵素體。 鐵素體是體心立方體結構，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%，室溫狀態下只能溶碳0.008%。鐵素體強度硬度低，塑性韌性好。
' ]: z/ F) ~/ S8 u奧氏體。奧氏體是面心立方體結構，間隙較大，間隙半徑達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。
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鐵碳關系中還存在一類混合物，對于金屬的機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。關于珠光體，后面會詳細說。

+ K) k& ~) G" E, e2 V' o! [好了，這次大概就是這些。依舊屬于比較瑣碎的基礎知識。下次雜談開始，會進入基礎的應用階段。
6 L! U- L  \5 J' G4 G. S同時，歡迎有疑問的大俠指點。
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江海洲

謝謝分享

東海fyh126

這個得頂，，，，，不懂得會一頭霧水，，，

猛龍C

純支持bkljp02大俠。謝謝。

Adobλ

簡潔易懂，期待下一篇

牛人阿祥

很基礎知識，學習了。請教幾個問題可以嗎。鋼經過熱處理會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嗎？
: C' o- o5 ~9 w" A熱處理分兩個方面，一個是加熱一個是冷卻。冷卻越快硬度越高，那么冷卻快和冷卻滿內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，韌性會增加，那么這個變化是表層的還是整體的，還是可以人為選擇的。

逆轉的地球55

金屬的結晶過程由核心形成和核心長大兩個過程組成。
' @& v5 D* t. F2 U( A/ ?; G我覺得這里面的核心換成晶核可能更形象一些。

891154223

比大學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
2 V7 A& O8 ~1 @7 W/ x看樓主這帖子，就像把書上的知識點換個順序去理解，明白了很多

zgsdcrc

學習了。

林培文

謝謝分享