钢材之韧性和热处理

钢材的韧性
温度的影响 -- 延脆转换温度
衝 擊 值
脆性
延性
延脆轉換溫度
溫度
钢铁材料由延性转变成脆性的温度，称为延脆转换温度。
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钢材的韧性
影响延脆转换温度的主要因子
影響因子
缺口形狀
有缺口時之變形速度
尺寸、厚度
化學成份
脫
氧
結晶粒度
壓延溫度
壓延後之冷卻
層狀偏析
熱處理
淬火時效
變形時效
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钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
铬(Cr) 之影响
Cr 之添加对于韧性具有正面与负面之双重效果： 添加 Cr 可以提高淬火性，使得到完全淬火组织改善韧性。 添加 Cr 亦将因不完全淬火而生成中间阶段组织，使钢材脆化。
Cr 与 Mn 相同，会助长回火脆性，须加注意。
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-- 导因于低温回火脆性
经过深冷处理过之回火工具钢，全 般之韧性均低。且前述之改善高峰 较小。
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工具钢的韧性与热处理
2. 回火与残留沃斯田铁之影响
对于高碳钢而言，在不太损及强 度与硬度之范围内，保持适量之 安定化残留沃斯田铁，可以有效 改善其韧性。
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工具钢的韧性与热处理
3. 碳化物之影响
调整淬火前之碳化 物，使成微细、均 匀之分散状态，对 于工具钢之耐磨耗 性与韧性均可以改 善。
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特殊热处理与材料韧性
1. 以控制压延改善韧性。 2. 以 (a+g) 二相域淬火改善韧性。 3. 以沃斯回火、沃斯成形处理改善韧性。 4. 因应力消除退火使韧性降低。 5. 因长时间加热使韧性下降。 6. 因环境而脆化。
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钢材之回火脆性
高温回火脆性
多发生于Ni-Cr合金钢
一次回火脆性： 发生于450~550OC回
火， 与冷却速度无关
二次回火脆性： 发生于600~650OC回
火后 徐冷时
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钢材之回火脆性
高温回火脆性之影响因子
1. 化学成分之影响 - 发生脆性之合金元素：Ni, Cr, Mn, C - 促进脆化之合金元素：Sb, P, Sn, As, Si - 与脆化有关，但影响不大之合金元素：Ge, Bi, S, Se, Te - 抑制脆性之合金元素：Mo(对于低温脆性无效), W, Ti
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钢材的韧性
冷、热加工对韧性之影响
2. 冷加工使韧性降低
冷加工使钢硬化，韧性下降。
冷加工 + 100~250oC人工時效 (變形時效) => 使鋼韌性下降更明顯
变形时效脆化材料，可加热至590~650oC，实施应力 消除处理，可使韧性做某种程度的回复
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钢材的韧性
較低的淬火溫度可得較佳 之韌性。
须要高韧性时选用 < 0.5% C 之钢种
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工具钢的韧性与热处理
2. 回火与残留沃斯田铁之影响
-- 残留沃斯田铁之影响
高碳钢淬火所生成之残留沃斯田 铁，有助于延性、韧性之提高。 通常，沃斯田铁化温度愈高，残留 沃斯田铁量增加，韧性改善，但高 温结晶粒之粗大化，所导致之脆性 效应，将使得韧性降低。
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钢材的韧性
温度的影响 -- 延脆转换温度
多數的肥粒鐵系與麻田散鐵系之鋼鐵材料，在室溫附 近有良好的韌性，但溫度下降則脆化，稱之低溫脆性。
沃斯田鐵系鋼材或鋁、銅等合金，屬面心立方格子 (FCC)結晶構造之金屬，則無此種延脆轉換現象，雖 在低溫仍不失其韌性。
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淬火冷却速度大，可获得充分淬火完全之麻田散铁， 经过适当之回火，可变成微细之糙粒斑铁组织，而呈 现最佳之韧性值。
但，淬火不完全时，产生变韧铁、肥粒铁及波来铁等 组织或其混合组织，虽经回火仍无法得到充分韧性。
不完全淬火材之回火，只能獲得低強度與劣韌性之不 良材料。
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钢材韧性之改善
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钢材韧性之改善
2. 以淬火、回火改善韧性
-- 回火温度之影响
回火温度愈高，硬度与 强度愈下降，而伸长率 与断面缩率及冲击值则 上升。
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钢材之回火脆性
低温回火脆性
特徵：
1. 沿结晶粒界发生粒界裂痕 2. 愈是低碳钢脆化愈显着 3. 含 P、N 愈多之钢脆化愈 大 4. Al、Ti、B 可以缓和脆化
完全麻田散铁组织回 火后之韧性不太受合 金元素之影响。
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碳(C) 之影响
钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
对于不完全淬火组织之韧性， 合金元素之影响甚大。
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钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
锰(Mn) 之影响
添加Mn可以提高淬火性，有效改善肥粒铁、波来铁钢之韧性。但 Mn亦有助长回火脆性之作用，导致韧性之下降。
加
工
昇高 延脆轉換溫度 降低 劣化 缺口韌性 改善
銳
鈍
大
小
大、厚
小、薄
C, P, Mo, V 不完全
Mn, Ni, Ti 完全
粗
細
高
低
徐冷
急冷
少
多
退火、淬火
正常化、淬火回火
多
少
多
少
熔接、冷作
應力消除退火
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钢材韧性之改善
1. 以退火、正常化改善韧性 2. 以淬火、回火改善韧性
一般准则：
2. 以淬火、回火改善韧性 -- 回火温度之
随回火温度之上升，韧性可获改善
回火温度愈高，硬度、强度愈下降，而伸长率、断面 缩率及冲击值则上升。
-- 因淬火之麻田散铁经回火变成微细之糙粒斑 铁
但， 在某些溫度區間回火時，反而會使韌性降低，此現象 稱之回火脆性，應予以避免之。
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钢材的韧性
冷、热加工对韧性之影响
1. 以热加工改善韧性
热加工可以改善成分偏析及均质化，并使结晶粒微细化， 结果可使韧性改善。 加工度、加热温度、加热次数及最后完成温度等，对韧 性均有影响。
适当的加工度、加热温度愈低、加热次数愈多，及最后 完成温度愈低，韧性愈佳。
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钢材的韧性
钢铁韧性之影响因子： 1. 结晶粒度 2. 金相组织 3. 合金元素 4. 冷、热加工
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钢材的韧性
结晶粒度对韧性之影响
结晶粒微细化可使钢材强度与韧性同时提高
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钢材的韧性
金相组织对韧性之影响
淬火完全之100%麻 田散铁回火后之韧 性，较不完全淬火 之波来铁、变韧铁、 麻田散铁之混合组 织为高。
冷、热加工对韧性之影响
3. 加工异方性使韧性降低
由于加工故，钢中之非金属介在物 (如MnS) 将向加工方向延 伸，连接而成尖锐缺口，导致板厚方向与直角方向之韧性比 加工方向大幅降低。
改善方法：降低形成介在物的不纯物；将介在物球状化。
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工具钢的韧性与热处理
硬度为工具钢之主要目标，因此，经淬火回火处理后 之工具钢组织，通常为碳化物分散于硬质的麻田散铁 组织中，韧性低而脆。
正常化处理之韧性改善效果
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正常化处理降低 延脆转换温度， 可有效改善韧性
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钢材韧性之改善
2. 以淬火、回火改善韧性
钢材于淬火硬化后，往往硬度高，但太脆而无法使用，其后 之回火，则可使硬度、抗拉强度降低，大幅改善伸长率、断 面缩率与冲击值。
但要注意：
1. 淬火温度之影响 2. 淬火冷却速度之影响 3. 回火温度之影响 4. 回火脆性之产生
经过深冷处理过之工具钢则未发现 前述现象，全般之韧性均低。
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工具钢的韧性与热处理
2. 回火与残留沃斯田铁之影响
-- 回火之影响
高碳钢淬火后，施以不同温度之回 火处理，对机械性质会有相当程度 之影响。
含残留沃斯田铁之淬火原材，在 某 温 度 ( 左 图 为 例 约 2 2 0 OC 附 近 ) 低温回火时，韧性可显着改善， 但超过此温度则韧性剧减。
模具材料选用与热处理
(四)
钢材之韧性与热处理
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钢材机械性质之相互关系
機械強度
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硬度 延性 (伸長率、斷面縮率) 韌性 (衝擊值)
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钢材的脆化
1. 温度的影响 -- 延脆转换温度
2. 时效的影响 -- 回火脆性 - 低温回火脆性 (~ 300OC) - 高温回火脆性 * 一次回火脆性 (450 ~ 500OC) * 二次回火脆性 (500 ~ 650OC)
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钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
镍(Ni) 之影响
添加Ni可以使肥粒铁、波来铁钢与麻田散铁钢之韧性大幅改 善。随Ni量之添加，延脆转换温度移向低温，至13% Ni钢则 延脆转换温度消失，温度再低亦不脆化。
与Mn相同，由于变态点之降低使结晶粒微细化。
Ni 可提高钢之基地韧性，对改善不完全淬火大型工件心部 的韧性甚为有效。
2. 组织及强度之影响 - 脆化之显着性：麻田散铁 > 变韧铁 - 不发生高温脆性：肥粒铁、波来铁
3. 回火冷却速度之影响
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钢材之回火脆性
回火脆性之对策
1. 降低 P, Sn, Sb, As 等不纯物元素 2. 微细化沃斯田铁结晶粒 3. 添加 0.2~0.5% Mo 以抑制高温脆性(低温脆性无效) 4. 利用不完全 火组织 (a + g) 5. 高温短时间回火后急冷 6. 添加Al, Ti, B 等合金元素可有效抑制低温脆性 7. 提高Si 含量可防止低温脆性，但有害高温脆性
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钢材韧性之改善
1. 以退火、正常化改善韧性
由于退火、正常化可以促进
1. 破坏铸造组织 2. 减轻成份偏析 3. 组织之均匀化 4. 结晶粒之微细化 5. 消除粗大针状之肥粒铁或碳化物
尤其是正常化，其组织微细化的效应，可使韧性改 善更为显着。
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钢材韧性之改善
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钢材韧性之改善
2. 以淬火、回火改善韧性 -- 淬火温度
淬火加热时间长、加热温度高，则促进碳化物等析出物 之固溶，导致沃斯田铁晶粒之粗大化。 虽有助于淬火性的改善，提高硬度与强度，但其韧性将 可能因此而大幅恶化。
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钢材韧性之改善
2. 以淬火、回火改善韧性 -- 淬火冷却速度之影
工具钢之韧性，通常就三个方面做考量：
1. 基地之韧性 2. 回火与残留沃斯田铁之影响 3. 碳化物之影响
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工具钢的韧性与热处理
(1). 含碳量
淬火麻田散铁之硬度愈 低，则回火后之变形能 愈大，亦即韧性愈佳。
1. 基地之韧性
(2). 晶粒大小
晶粒愈粗大，冲击值愈降 低，亦即韧性愈差。
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硅(Si) 之影响
钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
适量 (0.15~0.40%) 的 Si 有脱氧剂之作用，可 得清净均匀结晶粒之钢，而使韧性提高。 过量则使延脆转换温度上升，降低钢材韧性。
磷(P)、硫(S) 等不纯物元素之影响
P、S、Sb、Sn、As 等之不纯物元素会提高回火脆性感受性， 而有害钢材之韧性。
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钼(Mo) 之影响
钢材的韧性
合金元素对韧性之影响
Mo之添加可改善高硬度钢之韧性。 添加适量之Mo可有效抑制高温脆性，改善韧性；但如过量，不完 全淬火时，韧性反而劣化。
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钢材的韧性
冷、热加工对韧性之影响：
1. 以热加工改善韧性 2. 冷加工使韧性降低 3. 加工异方性使韧性降低