材料淬火.doc

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1、目錄壹、實驗目的 P.01貳、實驗設備 P.01參、實驗原理 P.02肆、實驗方法 P.04伍、實驗結果 P.06陸、問題討論 P.08柒、結論心得 P.10捌、參考資料 P.10玖、工作分配表 P.11壹、實驗目的1. 觀察不同含碳量的碳鋼，經退火、正常化、淬火及回火處理後的顯微組織，並量測其硬度。2. 瞭解材料性質的發揮與增進，有賴於熱處理的配合，依目的不同，採行合適的熱處理之方式。3. 淬火的目的是將試片加熱至沃斯田鐵化組織急冷轉變為麻田散鐵組織，然後配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某

2、些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。4. 回火處理一般接在淬火處理之後實施，回火是為了使淬火生成的組織變態或析出，接近安定組織，減少殘留應力並改善相關機械性質（提昇材料韌性）。，為在沃斯變態點以下的適當溫度加熱、持溫及冷卻的操作。貳、實驗設備a. 火鉗：將試片從高溫爐內夾出所需的工具(圖一)b. 耐熱手套：在高溫夾式片時，所需的隔熱護具(圖二)c. 高溫爐：將試片加熱所使用的器具(圖三)d. 含碳量0.15%的碳鋼(圖四)e. 鐵桶：裝水後，作為急冷卻所需之容器f. 砂紙：用其將試片磨光滑 圖一 圖二 圖三 圖四參、實驗原理 將材料施以適當的加熱或冷卻的配合，以得所需要的性質或狀

3、態，達到利用其材料特性的操作稱為熱處理，其基本要素有：（1） 適當的加熱溫度變態點、固溶限。（2） 加熱速度慢加熱、急加熱。（3） 適當的溫度範圍臨界區域、危險區域。（4） 適當的冷卻速度徐冷、急冷。 將這些要素互相配合起來，就可依需求而使用不同的熱處理方法。1. 連續冷卻變態曲線圖（C.C. T. Curve）從沃斯田鐵狀態以快慢種種速率來冷卻時，所發生的變態與組織變化，圖示出來的就是連續冷卻變態曲線。從沃斯田鐵狀態以一定速率冷卻至規定溫度，然後即刻急冷至室溫，來檢查各種組織與硬度的變化，以求變態開始與完成點，即可繪出各種不同鋼種的C.C.T.曲線。 圖五所示0.8C鋼（共析鋼）的連續冷卻變

4、態曲線，圖中顯示變態的開始與終了，和所產生的組織：(圖五 共析鋼(0.8%C)的C.C.T.曲線)2. 淬火將鋼鐵加熱到沃斯田鐵變態溫度，保持適當的時間後急冷，以阻止Ar1變態（波來鐵變態），而得到高硬度的麻田散鐵組織的處理方法稱之淬火。其目的是使材料硬化，而淬火要領是在臨界區域及沃斯田鐵化溫度（A1或A350C）至Ar點（主要在碳鋼，稱之波來鐵臨界區域）或變靭鐵點（主要在特殊鋼，叫做變靭鐵臨界區域）的溫度範圍，要快冷卻；在危險區域又名Ar”點，是發生麻田散鐵變態的溫度範圍，通常用Ms記號來表示，要慢慢冷卻。如圖五表示淬火冷卻的操作要領。施以水淬火時，採用每直徑3mm用水冷卻1秒後取出，再加以

5、油冷或空冷。油淬火時，不要在油中完全冷卻，每直徑3mm油冷3秒後取出再加以空冷較 好。使急冷溫度TQ比TA低一點的淬火稱為遲延淬火，可以減少淬火後之彎曲，使 淬火操作容易。3. 回火將淬火後的鋼依其鋼種及使用目的，加熱到A1變態點以下的適當溫度的處理方法稱為回火。其目的為：a. 使鋼料淬火後的麻田散鐵及殘留沃斯田鐵組織安定化。b. 消除鋼料內部應力。c. 調節硬度以得到適當的韌性。(1) 實用上回火可分為低溫回火和高溫回火兩種：a. 工具、刀具等硬度要相當高的零件，用高碳鋼作成後施以淬火和低溫回火，除去淬火鋼內的殘留應力，也使殘留沃斯田鐵不容易發生變化，而防止尺寸的變化，並且保持相當高的硬度且

6、可增加韌性，通常在150200左右回火，然後水冷或在靜止空氣中冷卻。b. 構造用鋼不但要有相當高的硬度，也要有較大的韌性，通常回火到550650之間的高溫然後在水中或油中急冷，以防止高溫回火徐冷脆性。(2) 回火應注意事項：a. 淬火硬化之後，一定要施行回火，不能夠淬火後直接使用。b. 淬火後，冷卻至不燙手的程度，即可施行回火，太早取出來回火時，會發生裂痕。c. 一定要當天施行回火，不要放置至第二天才回火，至少用100的開水施行水回火，然後隔日再施行正式的回火。d. 回火溫度比回火時間重要，回火時間過長也沒有什麼壞處，為了改善其韌性，一般在低溫長時間之回火，比在高溫短時間之回火來得有效。e.

7、須留意300350脆化，由於0.20.4C的構造用合金剛淬火後都具有極少量殘留沃斯田鐵，在300350回火時，分解為雪明碳鐵薄膜，此板條狀麻田散鐵邊界上雪明碳鐵的存在，即構成所謂300350回火麻田散鐵脆性之一種原因。肆、實驗方法1. 先將試片表面的黑皮用銼刀做粗磨減少大部分的黑皮在用砂紙來做細磨讓表面光滑度提高，磨完後試片如下圖。 2. 用游標卡尺量測試片厚度大約6mm3. 對照鐵碳平衡圖來計算試片(含碳量0.15%)的最高加熱溫度為860+50=910C (計算持溫時間用鐵碳平衡圖加熱至A3上方3050C)。4. 碳鋼試片置放到熱處理機中準備加熱試片，如下圖。5. 在來設定高溫爐溫度設定溫

8、度910度持溫時間40分鐘，如下圖。6. 配製淬火液：鹽與水的比例大約為1:10 7. 升溫時間 17min (0910C時間)。8. 試片降至100C以下為15秒(由高溫一碰到水至氣泡聲結束的時間)。9. 將試片放在空氣中等待高溫爐降溫到200度以下再將試片放入爐中實施高溫回火。10. 等待一小時後將試片拿出放置陶瓷平台上冷卻。伍、實驗結果： 熱處理前試片 熱處理後試片 完整的加熱溫度-時間折線圖時間(min)minc溫度(c)持溫時間：2030min+23min/mm*板厚mm(2min)。 20+3min/mm*6mm+2min=40min。恆溫溫度：根據下圖可得知：含碳量0.15%時所

9、對到的溫度大約是860，而在A3上方必須加入2030再加1020C(高一點較不會失敗)860C +50C，所以最後溫度為：910。 A3鐵-雪明碳鐵相圖陸、問題與討論1.Q：為什麼冷卻所需的水冷必須要加鹽呢? A：鹽水可使即將冷卻的試片冷卻速率加快，且不會有淬裂及淬火不均勻之現象。因為鹽的熔點很高，且鹽+水可以造成一種吸熱的作用，而鹽溶解並解離需要吸熱，水加鹽也會降溫。而其之添加比例以重量百分比10%為最佳。簡單來說就是鹽比水，1:10。2.Q：為甚麼試片在急速冷卻時，要等鹽水的氣泡聲響結束後再拿起？ A：因為如果在鹽水氣泡還沒結束時，就拿起來的話，使的鐵炭的溫度還是 高於水的沸騰點，你不會知

10、道當時的溫度會是多少度，於是就會形成些許的波來鐵，以至於達不到實驗的目的。3.Q：淬火之後為什麼表面會出現黑色生成物？ A：因為受熱處裡過後的試片會先行膨脹，而急速冷卻後會產生表面的一些鐵碎屑，而這些碎屑為部份的氧化物及麻田散鐵變異後所產生的碎屑。4.Q:為什麼試片超過23秒後沒有急速冷卻的話，形成麻田散鐵組織的機率會降低?超過兩秒會碰觸到波來鐵變態線 A:因為超過23秒後冷卻，不穩定沃斯田鐵會碰到波來鐵變態開始線，則不穩定沃斯田鐵就有很大的機會全部變成波來鐵，相對的不穩定沃斯田鐵的減少，也代表形成麻田散鐵的機會也減少。 (如右圖，以共析鋼為例)。5.Q：為何試片經過淬火後體積會變形？需在兩秒

11、內完成 A：本次的試片含碳量為0.15%，將試片加熱到A3溫度以上時，是由常溫碳鋼的-Fe變態成為-Fe的沃斯田鐵，再由沃斯田鐵急冷，由於時間短促來不及生成Fe3C，但是其中的碳還是固溶於其中，-Fe固溶碳的限度大約是0.025%，無法與Fe生成Fe3C的碳就固溶在BCC結構的-Fe當中的c軸，使c軸被拉長，由於-Fe固溶了過多的碳，晶格產生了很大的畸變，體積就此產生了變形。6.Q:為什麼在急冷卻後試片上會有白色的東西? A:因為鹽的熔點在攝氏800度，而試片在急冷卻前溫度在攝氏910度，所以當試片放入水中急冷卻時，會瞬間將部份的鹽熔掉，然後溫度馬上降至800度以下，所以部份的鹽就附著在試片上

12、面。如上圖。7.Q：為何淬火後要實施回火？A：因為淬火而成麻田散鐵組織的鐵很少直接使用，通常都須回火，主要的理由是他會在鋼材內發生很大的內部應力，若直接施行研磨加工，應力的平衡會起變化，發生變形或破裂。或若直接使用也會隨著時間的經過，使應力緩和而發生變形。麻田散鐵組織通常硬而脆，表面部有拉張的殘留應力時，容易發生不安定的破壞，抗拉強度未必隨硬度而增加。降伏點和彈性限度都降低; 這些傾向是碳量愈多的鋼愈顯著，為了賦予適度的靭性而進行回火。特別機械零件需充份的靭性，須以500650c的高溫回火，回火麻田散鐵組織兼具強度與靭性，優於微細波來鐵。回火的目的是要把是要把麻田散鐵中的碳以碳化物的型態析出來

13、，讓他凝集為適當大小而來得到所以希望的機械性質。8.Q：接上題為何高溫回火要持溫一小時，而不是兩小時? A：而碳化物的析出和凝集都要靠碳的擴散，由於試片含碳量較低，不須持溫到兩小時。而且含碳量較低，也較無殘留沃斯田鐵的問題，因此只需持溫一小時。9.Q：何謂沃斯田鐵安定化及殘留沃斯田鐵？ A：在沃斯田鐵化以上溫度，由於沃斯田鐵處於穩定狀態，在急冷時來不及變態，稱為沃斯田鐵安定化。殘留沃斯田鐵為溫在沃斯田鐵化以上急冷至常溫時，未達到麻田散鐵的變態中止線，也就是在常溫時變態未完成的沃斯田鐵，稱為殘留沃斯田鐵。10.Q：低溫回火與高溫回火有何差異？溫度(皆持溫12hr)目的特性低溫回火消除殘留應力及防

14、止尺寸變化高硬度高溫回火消除殘留應力、改善延性及韌性強韌性 A：11. Q：為什麼材料加熱到910經過40分鐘後，我們打開爐子看到的材料表面會是膨脹的？而膨脹的那層是什麼呢？A：在加熱和冷卻過程中，由於表層和心部的冷卻速度和時間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力。因為熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。膨脹那層是共析鋼組織。柒、結論心得本次實驗主題是普通熱處理試驗，我們這組是做淬火與回火。淬火需要冷靜的判斷力以及果斷的行事能力;回火則是需要耐心與仔細的行事能力。開始淬火前，因為怕到時候會來不及在三秒內將材料迅速放入水中冷卻，所以我們做了很多次的模擬練習。

15、還有組員們討論該使用溫度幾度、持溫時間等。 接著將試片放入後，設定好溫度便開始加溫與持溫，等待試片完全變成沃斯田鐵後，須在三秒內將其放入鹽水中且快速攪拌，使得試片快速的冷卻，而不會形成波來鐵。 由於淬火鋼具有硬、脆及高內應力的特性，因此利用回火提高組織穩定性及鋼材韌性，以滿足鋼鐵所需要的需求。從本次的淬火、回火實驗中讓我們瞭解為什麼淬火一定要搭配回火，因為淬火後的鋼材過於硬脆，硬度越高相對的就越脆，所以這次實驗還加上回火，施行回火可以消除淬火後鋼材的內部應力，讓鋼材可以承受更大的壓力，讓它具有更大的韌性。稍微降低試片強度增加其試片的韌性而達到實驗或工業上的使用條件。在這次實驗上學習到淬火與回火

16、的用途，了解到這樣會使試片有更好的機械性質。 於實驗完成後，很高興大家一起認真的討論實驗的每一個步驟，學弟們很謝謝學長們的帶領和指導，讓學弟們學到了很多知識，也讓我學習到小組所應該培養的默契與配合。經過這次實驗原本在課堂上還懵懵懂懂的問題到今天都有了解答，讓我們把老師上課所教的原理帶到本次的實驗中，而且親自去做實驗得到的東西會更多。最後組員們非常踴躍的提出自己所想到的問題，懂得比較多的同學會幫忙解答，發問的同學也解除心中的疑惑，真可謂教學相長，讓大家都受益良多！捌、參考資料:1.黃振賢,材料實驗,P.234-2442.黃振賢,金屬熱處理,P.46-48、66-68、102-1083.羅萬中、楊玉森、李新中,台灣區模具業熱處理產業現況分析與技術發展趨勢 機械工業雜誌.97.12第309期,P.854.5. 6.7.8.