機械材料

第六章 鐵、鋼之組織及相變化

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6-1 鐵、鋼及鑄鐵之定義§

6-2 純鐵之組織及相變化

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6-3 鋼之相及顯微鏡組織§

6-4 鋼之相變態

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6-5 Fe－C平衡狀態圖

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6-1 鐵、鋼及鑄鐵之定義※

鐵一般係指元素態鐵或工業用純鐵 (ingot iron或

Armco iron)而言，其雜質總量不高於0.08 %，亦即 純度在99.9 %以上。

※電解鐵(electrolytic iron)：以電解法製造之純鐵。※

鋼(steel)：含碳量小於2 %的鐵－碳合金，通常含有

少量錳、矽、磷、硫。

將含碳量2 %訂為鋼的界限，是因為含碳量小於2

%的鐵碳合金，在適當高溫下，碳可完全固溶於鐵 內；亦即碳在面心立方鐵內的最高溶解度為2 %。

一般工業用的鋼料，含碳量大都在0.05 ~ 1.5 %之 間。

※

鑄鐵(cast iron)：泛指鑄造用鐵碳合金中，含碳量在 2 ~ 5 %之間(大多為2.5 ~ 4 %)。雜質含量稍多於鋼。

※

鍛鐵(wrought iron)：係指含碳量低於0.12 %，但含 1 ~ 3 %呈纖維狀之夾雜物(inclusion，主要為矽酸鐵 渣)的特殊鐵－碳合金，又稱熟鐵或鍊鐵。

古代歐洲人不會使用鼓風爐，因此其「煉鋼」殆為 煉鍛鐵，再將鍛鐵滲碳成所謂的鋼。

古中國以鑄鐵為主的鋼鐵發展。

今日，鍛鐵的地位，已被多采多姿的鋼及延性鑄鐵 (即球墨鑄鐵)所掩蓋。

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6-2 純鐵之組織及相變化※

純鐵所含碳量很少，這些極微量的碳完全固溶於鐵

的晶體內；在室溫下，這種固溶體呈BCC組織，即 α－鐵，工程上稱之為肥粒鐵(ferrite)，具有鐵磁 性。在溫度升高後，α－鐵會發生一連串的變態，其 中一種屬於磁性變態，二種同素異形變態，一種固－ 液相間的變態(液－氣相的變態暫不考慮)。

※

當溫度由低溫上升時，α－鐵的磁性即逐漸消失， 但起先變化極微，至700 °C以後強磁性喪失極速，達 768 °C時(及以後之溫度)，變為無磁性(確切地說，應 屬順磁性)。

此一磁性變態，在冶金的研究上，被命名為A2變 態，可用下式代表：

【768 °C為純鐵的居里點】無磁性磁性 C768

※

溫度續升，在768 °C至910 °C之間，沒有變態發 生，但晶粒生長得很快。在910 °C時，發生所謂A3變 態，亦即由BCC α－鐵變成FCC γ－鐵之同素異形 變態，可用下式代表：

【γ－鐵又稱沃斯田鐵(austentile)】

如圖6-1(b)所繪示者，在變態之初，γ晶粒重新自

粗大的α晶粒內凝核，亦即發生再結晶的現象，晶粒 又變得很小。

C109無磁性

※

溫度再上升，晶粒又逐漸生長，但在1400 °C以前， 仍無相變態發生，在1400 °C時，發生所謂A4變態， 亦即由FCC γ－鐵變成BCC δ－鐵之同素異形變 態，可用下式代表：

發生A4變態之初，δ晶粒亦自原來之粗大γ晶粒內 再結晶產生，一如A3變態的情形。

※溫度再升高，至1538 °C熔化，即：

※

平衡變態：無論是加熱或冷卻時發生的變態，變態 溫度都是同一溫度。

※

在實際的操作中，加熱或冷卻都是連續的過程，因 此變態的發生，往往比預期的溫度「落後」，亦即加 熱時，變態常在稍高於上述之溫度發生；冷卻時變態 常在稍低於上述之溫度發生。

C1400

LC1538

※

在冶金學上，為區分每一變態是由低溫加熱上去所 發生的，還是由高溫冷卻下來所發生的，特以小寫字 母c (法文字chauffage之字首，加熱之意)、r (法文字 refroidissment之字首，冷卻之意)代表。

※純鐵之正常顯微組織呈現肥粒鐵之多邊形晶粒。

※

工業用純鐵退火後的抗拉強度約為28 kgf/mm2，20 cm標距(8吋)時伸長率在22 %以上，斷面縮率在65 % 以上，勃氏硬度BHN 80~100。。

※純鐵易行鍛接及熔接，此外導磁率很高。

※

用途：純鐵很容易鍍鋅，常製成各種形式的鍍鋅鐵 板，用於陰溝、通風口、屋頂、圍牆、鐵絲、爐殼 等。

薄片→變壓器之鐵蕊

Ac3代表溫度上升時 發生α→γ的變態， Ar3 代表由高溫冷卻 下來所發生γ→α的 變態。

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6-3 鋼之相及顯微鏡組織※

鋼以顯微鏡組織來分，有亞共析鋼、共析鋼及過共

析鋼。※ 鋼之正常化組織(normalized structure)，亦即將鋼料

加熱至完全沃斯田鐵之溫度範圍，維持一段時間使變 態完成(如此可將鑄造、加工的影響或各種異常組織 消滅)，然後於靜止空氣中冷卻(正常化熱處理)之組 織。

※

共析鋼係發生共析變態之鋼，其含碳量恰為0.80 %；鋼之共析變態稱為A1變態，可用下式代表：

+ Fe3 C

自沃斯田鐵(FCC)同時析出肥粒鐵(BCC)及碳化物

(Fe3 C)之變態，變態溫度727 °C為鋼之共析溫度 (按：有些資料或書籍訂為723 °C)，Fe3 C之鐵碳化物 又稱為雪明碳鐵(cementite)。共同析出之α及Fe3 C成 交互重疊之層狀(指紋狀)存在。

C727

※亞共析鋼為組成(含碳量)「亞」於共析鋼者。

自完全為沃斯田鐵的溫度冷卻下來時，首先析出肥

粒鐵(是為初析物)，抵727 °C之共析溫度時，剩下之 沃斯田鐵全部變態為「肥粒鐵

+ 雪明碳鐵」之共析

物。◎正常化組織為初析肥粒鐵(如圖6-3(a)之白色部份所

示 )及共析之層狀波來鐵 (如圖6-3(a)之黑色部份所 示，由於交錯層太微細，500倍放大率無法解析之， 故呈黑色)。

◎鋼料含碳量愈接近0.8 %，則黑色區域所佔面積愈 大。

◎由於黑色面積為含碳0.8 %之波來鐵，故有經驗之冶 金工程師即可由黑色區域所佔面積比例計算鋼料之大 略含碳量。如圖6-3(a)之黑色區域約佔全面積之1/5至 1/4【估計】，則該鋼含碳量約為0.80 ×

(1/5至1/4)，

即0.16 ~ 0.20 %，與說明之0.2 %接近(白色區域肥粒 鐵之含碳量極微，可予忽略)。

※過共析鋼為組成(含碳量)「高過」共析鋼者。

自完全為沃斯田鐵的溫度冷卻下來時，雪明碳鐵首

先沿沃斯田鐵粒界初析出來，待溫度降抵727 °C之共 析溫度時，剩下之沃斯田鐵全部變態為「肥粒鐵 + 雪 明碳鐵」之共析物。

◎正常化組織為初析雪明碳鐵(如圖6-3(c)之白色部 份，注意：這些白色區域可連成一片網狀，約略地描 繪出原沃斯田鐵粒界之輪廓)以及共析之層狀波來鐵 (如圖6-3(c)之層狀區域所示)。

◎由於雪明碳鐵即為鐵－碳化合物Fe3 C，其組成之含 碳量為定值─

6.67 %，故過共析鋼之大約含碳量可

由白色區域所佔面積比例乘6.67 %加黑色(層狀)區域 所佔面積比例乘0.8 %而得。

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6-4 鋼之相變態§

6-4-1 概述

※

鋼內的相，與一般合金系一樣，係隨組成(對鋼而言，主要為 含碳量)及溫度而異。

同一組成之鋼，在不同溫度下，出現的相也不一樣。※ 平衡狀態、接近平衡狀態(緩冷)。※

鋼有兩個磁性變態點，除了在A2溫度(居里溫度)以上磁性完全

消失之變態外，還有一個較低溫(210 °C)下雪明碳鐵磁性消失 之變態；溫度高過210 °C以後，鋼的磁性繼續漸漸消失，溫 度再升高到組織全變成沃斯田鐵或768 °C以後，磁性才完全 消失。

210 °C之變態謂鋼之A0變態。

鋼之A2變態溫度在含碳量小於0.5 %時為768 °C，與純鐵者

相同。

含碳量高於0.5 %，則隨含碳量增加而降低，與鋼之A3線重

合。

抵0.8 % C (共析鋼)時為727 °C，含碳量超過0.8 %以後，鐵

－碳合金之A2變態溫度皆為727 °C。

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6-4-2 共析鋼之A1變態※

共析鋼自高溫完全沃斯田鐵態，平衡冷卻時，抵727

°C之共析溫度(A1溫度)乃發生共析變態—即為A1變 態，可寫成：

或

A1變態發生之時，首先在沃斯田鐵的晶粒界面孕育

出無數「桿狀」雪明碳鐵(Fe3 C)的晶核，在相鄰Fe3 C 晶核間γ－鐵內碳原子向兩邊的Fe3 C晶核擴散(見圖

6-4(a))，使雪明碳鐵層及肥粒鐵層繼續生長(見圖6- 4(b))。

最後遂形成一層雪明碳鐵、一層肥粒鐵、層層相疊

的層狀(指紋狀)組織，即為波來鐵(見圖6-5及圖6- 3(b))。

共析鋼變態完成後，其組織全為波來鐵，其波來鐵

內肥粒鐵與雪明碳鐵的量維持定值，可由槓桿原理計 算出來，為肥粒鐵佔88 %、雪明碳鐵12 %。

%)12(%)88(C727)%8.0( 雪明碳鐵肥粒鐵沃斯田鐵 C

波來鐵沃斯田鐵

※

波來鐵組織，隨冷卻速度之不同而有粗、細之分； 一般言之，冷卻速度愈快，波來鐵之層狀組織愈細 緻；反之則愈粗大。

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6-4-3 亞共析鋼之A1變態及A3變態※

亞共析鋼之組織為肥粒鐵

+ 波來鐵；當溫度自室溫

升高，抵A1溫度(727 °C)時，這種鋼料內的波來鐵發 生共析反應之逆反應，即：

剩下之肥粒鐵要等溫度升抵同素異形變態—A3變態 時才會變成沃斯田鐵。但亞共析鋼之A3溫度既非純鐵 之910 °C，亦非727 °C，它隨亞共析鋼之組成(含碳 量)而異。

沃斯田鐵波來鐵 C727

◎

(pp. 148, 圖6-6：亞共析鋼之A3溫度對含碳量之關係 (Fe－C平衡圖之一部份))

曲線ABC顯示鋼之A3溫度隨含碳量之增加而遞減 的情形，Ac3及Ar3兩條虛線則分別指加熱或冷卻時， 不平衡變態之真正變態溫度—組成曲線。

虛線

為鋼(0.5 % C以下)之磁性變態(A2 )恆溫線， 含碳量高於0.5 %者其A2線與A3線(曲線

)重合；直

線 為A1變態恆溫線。※ 今考慮0.3 % C之鋼由高溫(如圖6-6內標示為1之圖形

所示)冷卻下來，溫度低於該鋼之A3變態點時，首先 有肥粒鐵於沃斯田鐵粒界析出(初析物，如圖6-6內標 示為2之圖形所示)，然後隨著溫度降低、α不斷析出 而增加，沃斯田鐵愈來愈少(如圖6-6內標示為3之圖 形所示)，且其組成(含碳量)乃沿ABC曲線向右下變化 (增加)，抵727 °C時，含碳量恰為0.8 % C—共析組 成，遂發生共析之A1變態，波來鐵以12 % Fe3 C + 88

% α之形態出現，如圖6-6內標示為4之圖形所示。

DBBC

FC

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6-4-4 過共析鋼之A1變態及Acm變態※

過共析鋼之組織為雪明碳鐵

+ 波來鐵；當溫度自室

溫升高，抵A1溫度(727 °C)時，發生A1變態，即共析 反應之逆反應；剩下之雪明碳鐵要等溫度升抵稱為 Acm變態之溫度時，才會發生如下之Acm變態，雪明 碳鐵內的碳溶解進入沃斯田鐵，整體組織遂成為沃斯 田鐵：

冷卻的過程恰好相反。

沃斯田鐵雪明碳鐵沃斯田鐵冷卻

加熱

※

今考慮含碳1.1 %之沃斯田鐵於高溫(如圖6-7內標示 為1之圖形示)冷卻下來時，在Acm溫度處發生上式的 逆反應，有雪明碳鐵在沃斯田鐵粒界上析出(是為初 析物，如圖6-7內標示為2之圖形所示)，溫度繼續降 低、雪明碳鐵析出量愈多(如圖6-7內標示為3之圖形 所示)，待降抵727 °C之A1溫度時，剩下的沃斯田鐵 發生A1變態，變成波來鐵(如圖6-7內標示為4之圖形 所示)。

※ 故知Acm變態即為沃斯田鐵析出雪明碳鐵(冷卻時)或 雪明碳鐵溶入沃斯田鐵(加熱時)之變態；其變態溫度 亦隨組成而異，如圖6-7所示。

※

圖6-7內，Acm曲線上、下方各有標明Accm、Arcm之兩 條虛線，係指加熱或冷卻時，不平衡變態之真正變態 溫度－組成曲線。

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6-5 Fe－C平衡狀態圖

此圖實際係 以Fe－Fe3 C

為基準繪出 者，圖最右 邊之含碳量 6.67 %處， 即為 100 %

雪 明 碳 鐵 處；亦即橫

軸所顯示之 含碳量，其 實為由鋼內 雪明碳鐵量 換 算 而 得 者。

為熱處理 工 程 師

用，僅限 於鋼部份 之 Fe － C

相圖，顯 示碳鋼各 種熱處理 之溫度範 圍、代表 性金相、 變態組織 以及鋼材 於各種溫 度下呈現 之顏色。

※ Fe－C平衡圖具有三種平衡圖的特徵：

在含碳量較低、高溫下有一包晶反應區，即圖形左

上角所示者，包晶點為P，包晶組成為0.18 % C，包 晶溫度為1492 °C，包晶反應可表示如下：

圖之右方，有一共晶反應區，共晶點為C，共晶溫度 為1130 °C，共晶組成為4.3 % C，共晶反應之產物為 沃斯田鐵與雪明碳鐵之共晶混合物；冷卻至A1溫度 以下，沃斯田鐵共析變態為波來鐵，整體組織為小群 的波來鐵分散在雪明碳鐵基地內，呈現班點狀外觀， 稱為粒滴斑鐵(Ledeburite)，如圖6-10所示。共晶反 應可用下式代表：

圖之左下方為共析反應區。

加熱

冷卻

L

CFeL 3加熱

冷卻

727 °C以下黑色部份代表波來鐵，白色部份在亞共析鋼為肥 粒鐵，在過共析鋼為雪明碳鐵。

727 °C以上黑或灰色部份代表沃斯田鐵，白色部份之意義與 前述727 °C以下者相同。

圖上亦顯示A3與Acm溫度與含碳量之關係。

圖形中央上方鑲有一沃斯田鐵之金相組織，有許多退火雙晶

於晶粒內產生，此為FCC結晶之特徵(此金相攝自沃斯田型不 銹鋼，原倍率為250倍)。

梭巴圖(Sauveurs diagram)的組織含量狀態圖，顯示平衡狀態 顯微鏡內所見黑色區域(代表波來鐵)及白色區域(肥粒鐵或雪 明碳鐵)所佔比例，與含碳量之關係。

含碳0.4 %之鋼，肥粒鐵佔50 %、波來鐵佔50 %。含碳2.0 %之鋼，雪明碳鐵佔20 %、波來鐵佔80 %。

這種關係亦可由槓桿原理計算出來，例如：含碳0.4 %之鋼，

其波來鐵含量為(0.40.008) / (0.80.008) = 50 %。含碳2.0 %之 鋼，其雪明碳鐵含量為(2.00.8) / (6.670.8) = 20 %。

§§

作業：

1. (a)、(b)、(d)、(e)、(j)、(k)、(l)、(m)

2. 試寫出鋼之共析溫度及共析變態(即A1變態)之反應 式？

3. 試寫出鋼Acm變態之反應式？

4.試繪出Fe－Fe3 C平衡圖？並標示出共晶點、包晶點及 共析點的位置。

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