4-1純鐵 4-2鋼之組織 4-3鋼之性質及其用途 4-4五大元素對碳鋼之影響 第4章 碳鋼之熱處理 4-1純鐵 4-2鋼之組織 4-3鋼之性質及其用途 4-4五大元素對碳鋼之影響

4-1 純鐵 4-1 純鐵 純鐵的含碳量在0.02%以下，工業用的純鐵其化學成分如表4-1 所示。純鐵所含的碳元素量極少，這些碳元素完全固溶於鐵的晶格中。常溫時，純鐵呈BCC 體心立方格子組織，而在鐵碳平衡圖上是屬於-鐵，工程上稱為肥粒鐵，雖具有很強的磁性，但質地甚軟，強度極差。純鐵在工業上的用途有限，常用於電機工業上，如將純鐵製成薄片並疊成堆做為電機的變壓器鐵芯。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 純鐵在常溫時具有強磁性，隨加熱溫度的提升，磁化強度漸減，組織與性質亦發生改變敘述如下：

4-1 純鐵 4-1 純鐵 1.A2 變態點 純鐵從常溫被加熱至768℃時磁性幾乎為零而成為順磁性。在768℃前的結晶格子為鐵狀態，當溫度繼續加溫至768℃時，其結晶格子仍為鐵狀態，而內部原子之能量發生變化以致肥粒鐵瞬間磁性完全消失，此種現象稱之為磁性變態。其磁性變態點為768℃，又稱為居里溫度，在冶金學上稱為A2 變態點。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 A2 變態點是加熱時的磁性變態終點，也是冷卻變態的開始點。至於純鐵的磁化強度與溫度的變化關係，如圖4-1 所示。其中，A2 變態線又稱為純鐵的同素變態溫度線，A2 變態點的變態為可逆變化，加熱溫度愈高，磁化強度愈低。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 2.A3 變態點 當純鐵的加熱溫度持續上升至910℃前，如圖4-2 所示，試片長度持續被拉長，而結晶組織仍為BCC 未有改變；當超過910℃時，結晶組織會由BCC 變成FCC，FCC 的原子堆積密度比BCC 為大，所以，試片長度未再被拉長反而發生異常的收縮現象。由X光繞射法觀察其原子排列已發生明顯變化，其結晶組織已由BCC（ -鐵）改變成FCC 結構（ -鐵又稱為沃斯田鐵），此一異常收縮現象稱為A3 變態，變態點溫度為910℃。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 若由高溫冷卻至910℃時，試片長度忽由收縮變成異常的成長，所以，A3 變態為一可逆反應。A3 變態線亦為純鐵的同素變態溫度線，通過910℃後，隨溫度繼續升高，試片長度又呈直線的增加，如圖4-2 所示。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 3.A4 變態點 隨溫度繼續上升，試片長度又恢復直線成長，直到1400℃時，晶粒突然發生大幅成長現（BCC 結晶組織密度較小所致），由X光繞射法觀察其原子排列發現又恢復為BCC 的鐵結構。為了與先前的鐵結構有所區分，特將1400℃高溫後的鐵稱為鐵。此種變態稱為A4 變態，其變態點溫度為1400℃。A4 變態點亦為可逆反應，亦為純鐵的同素變態點。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 有關A3 變態及A4 變態的變態溫度與晶粒成長關係可由圖4-2 充分表示。由圖4-2 中可知，當溫度繼續升高至1539℃時，純鐵完全熔化，已無任何的變態發生。所以，A2、A3、A4 為純鐵的同素變態點；而鐵、鐵、鐵為純鐵的同素異形體。在實際的加熱或冷卻的過程中，由於溫度的上升或下降都是連續的，所以，往往溫度已到達變態溫度了，而還沒有發生變態，必須加熱至高一點的溫度或冷卻至低一點的溫度才會發生變態，其中以A3 及A4 變態點的變態具有此一現象。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 純鐵富延展性，質軟強度差，無法作為結構用材；一般工業上均將純鐵鍍上鋅或錫製成白鐵皮或馬口鐵。純鐵也用於電機工業上，可作為發電機與變電器的鐵芯材料且用量極大。工業用純鐵其機械性質可如表4-2 所示。

4-1 純鐵 4-1 純鐵 截取一段純鐵並以拋光技術處理成鏡面狀態後，再以極薄的酸溶液腐蝕拋光面，置於顯微鏡下可得如圖4-3 所示之組織示意圖。由圖中可清楚看出純鐵質地全為肥粒鐵（Ferrite）基地，暗線部分稱為晶界，在晶界處凝聚大量的不純物（碳、矽、錳、硫、磷等）。因晶界的能量較大且容易被腐蝕，所以在顯像時可非常清晰的看見晶界的分布情形。

4-1 純鐵 4-1 純鐵

4-1 純鐵 4-1 純鐵

4-1 純鐵 4-1 純鐵

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 鋼的加熱或冷卻的過程若稍有不同，其組織會不相同。為了要分析鋼的組織，現在我們使用熱處理中的一種方法稱為正常化來處理低碳鋼為例，用以說明鋼在不同的含碳量時，正常化過程中其顯微組織。所謂的正常化處理是材料加熱至高溫的沃斯田鐵狀態時，在空氣中緩慢冷卻所得的組織，如圖4-4 所示。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 圖4-4 所示為低碳鋼（含碳量0.18%，放大倍率為200）的正常化組織示意圖，其中，線條狀部分為晶界，存有許多的雜質；白色部分為鐵，在冶金學上稱為肥粒鐵；黑色部分為雪明碳鐵與肥粒鐵的稠密層狀混合物稱為波來鐵，波來鐵的區域是相當容易被腐蝕的。其中雪明碳鐵隨著鋼的含碳量增加而增加，亦即圖4-4 中的黑色部分面積亦將會增加。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 若把放大倍率加大至300～600倍後，則波來鐵的形狀如圖4-5 中的斜線部分呈現更清晰的層狀組織，此種層狀組織在冶金學上稱為波來鐵；波來鐵圖白色部分為肥粒鐵，黑色線條部分為雪明碳鐵。放大倍率若再加大至1200 倍時，則波來鐵的層狀組織如圖4-6 所示。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 鋼隨著含碳量增加，波來鐵也增加；當含碳量增至0.8%C 共析鋼組織時，如圖4-7 所示，鋼的組織全變成波來鐵。含碳量繼續增加時，波來鐵的 附近會有白色的網狀部分，此網狀部分稱為雪明碳鐵，如圖4-8 所示。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織

4-2 鋼之組織 上述以低碳鋼為例說明其隨含碳量的增加，材料組織內之成分亦跟著變化。所以，綜合鋼的組織變化可依含碳量的不同作一有系統的說明。 1.純鐵：純鐵的含碳量為0.02%以下，其組織絕大部分都是由肥粒鐵所組成，如果加入些許的碳元素，則肥粒鐵會減少，而波來鐵開始產生；隨著含碳量的持續增加，肥粒鐵亦持續的減少，而波來鐵逐漸增加。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 2.碳鋼： (1)亞共析鋼：當含碳量超過0.02%以後，到達0.8%C前，此時的組織稱為亞共析鋼，鋼的組織是由肥粒鐵與波來鐵之組成；而且含碳量愈多，波來鐵量就愈多。 (2)共析鋼：當含碳量到達0.8%C時，此時組織稱為共析鋼。組織全部變成波來鐵。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 (3)過共析鋼：鋼的含碳量在0.8～2%C 間，此時組織稱為過共析鋼。此時，在波來鐵的晶界處，隨著含碳量的增加，網狀的雪明碳鐵逐漸聚集增加，而且晶粒內也會有白線狀的雪明碳鐵出現；隨著含碳量增加，網狀及線狀的雪明碳鐵會逐漸變粗，材質更加堅硬。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織 關於上述說法，為了方便讀者能了解與記憶上述各種不同含碳量的分類方式，我們將上述關係繪成如圖4-9 所示。由圖中可清楚的了解，在不同 含碳量下，各種碳鋼的組織及各種成分的增減關係，詳細的組織說明，詳見第5-1 節。

4-2 鋼之組織 4-2 鋼之組織

鋼鐵的機械性質大致隨含碳量的改變而變化，鋼鐵內主要組織的機械性質，茲分析如下： 4-2 鋼之組織 鋼鐵的機械性質大致隨含碳量的改變而變化，鋼鐵內主要組織的機械性質，茲分析如下： 1.肥粒鐵：又稱為鐵，質地柔軟，延性最好，抗拉強度中等，為純鐵及低碳鋼的主要組織成分。

3.雪明碳鐵：硬度最大可達820 HB，是所有的組成物中最硬者；伸長率為0。 4-3 鋼之性質及其用途 2.波來鐵：為肥粒鐵與雪明碳鐵之混合層狀組織。波來鐵可使碳鋼的組織細化與均質化，因此，在碳鋼的所有組織中，抗拉強度最大，硬度及伸長率中等，亦為共析鋼的標準組織。 3.雪明碳鐵：硬度最大可達820 HB，是所有的組成物中最硬者；伸長率為0。 4.石墨碳：為碳與鐵成游離狀態存在，色黑成片狀結晶。碳鋼中含有石墨將會降低其硬度且增加切削性，石墨碳最常於鑄鐵中出現。 5.麻田散鐵：請詳見5-2 節內容。 6.變韌鐵：請詳見5-2 節內容。

4-3 鋼的性質及其用途 含碳量對鋼的機械性質影響可由圖4-10 的曲線中歸納出以下幾點： 4-3 鋼之性質及其用途 含碳量對鋼的機械性質影響可由圖4-10 的曲線中歸納出以下幾點： 1.亞共析鋼（含碳量＜ 0.8%C），隨含碳量的增加，肥粒鐵量漸減且波來鐵量漸增，碳鋼的硬度、抗拉強度、降伏強度等性質將隨含碳量的增高而增加。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 2.過共析鋼（含碳量＞ 0.8%C），隨含碳量的增加，雪明碳鐵開始產生游離現象，且數量愈來愈多，所以材料的強度增加速度變緩；抗拉強度與降伏強度曲線在含碳量1.2%C達最大值；而硬度則繼續直線上升。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 3.斷面縮率、伸長率則隨含碳量的增加而逐漸降低。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 1.低溫脆性：如圖4-11 所示，低碳鋼降溫至15℃時，衝擊值仍相當大。但當溫度降至20～40℃（轉脆溫度）之間時，衝擊值突然大幅降低，表示脆性突然大幅增加，此種現象稱為低溫脆性。一般而言，低碳鋼較容易發生低溫脆性的現象，而含碳量較高之碳鋼其衝擊值不會降太快，所以，比較不會發生低溫脆性或冷脆性現象。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 2.高溫脆性：由圖4-11 可以看出碳鋼轉脆溫度大致隨含碳量的增加而升高，溫度由常溫緩慢升高時，碳鋼的機械性質變化如圖4-12 所示。其 中之抗拉強度、硬度等起初隨溫度的升高而增加，而在200～300℃間為最大值，伸長率與斷面縮率則變小，故材料性質由軟變硬且脆，此 時鋼的顏色為藍色，稱為藍脆性或高溫脆性。此時若對材料作任何的加工，會有破裂之危險，當溫度超過300℃以上時，抗拉強度與硬度快速減低，而斷面縮率與伸長率則大幅增高。當溫度超過700℃後，抗拉強度降至只有少數個N/mm2。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 鋼的用途極廣，主要是因為鋼與鑄鐵均適合鑄造，且與熟鐵一樣均可鍛造，鋼的強度又比兩者大的許多。所以，鋼是目前所有材料中最重要的材料之一，其分類及用途可概說如下： 1.依鋼的硬度及用途可分為： (1)極軟鋼：含碳量在0.1%以下，可作為鉚釘材料、金屬線材、銲條芯線、鍍鋅鋼管、鍍錫馬口鐵、鋼軌等。

4-3 鋼的性質及其用途 (2)軟鋼：含碳量在0.1～0.25%之間，適作鉚釘、橋樑、鋼板、鋼管、螺絲、螺栓、鐵條、鍋爐鐵桶等。 4-3 鋼之性質及其用途 (2)軟鋼：含碳量在0.1～0.25%之間，適作鉚釘、橋樑、鋼板、鋼管、螺絲、螺栓、鐵條、鍋爐鐵桶等。 (3)半軟鋼：含碳量在0.25～0.55%之間，適合製作建材、造船材、齒輪、旋轉軸、起重機鋼板等。 (4)半硬鋼：含碳量約於0.55～0.65%之間，適合製作傳動軸、曲柄、齒輪、連桿、凸輪軸、鍵、活塞閥及軸類製品等。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 (5)硬鋼：含碳量約於0.65～0.8%之間，適作各種軸類、鍵類、滾筒、壓縮氣體容器、曲柄軸及土木工具如鋸子、鎚子、衝頭、鑿子等。 (6)最硬鋼：含碳量約於0.8%以上，適合各類的工具製造，諸如鑽頭、刀具、模具、機件、車軸等。

4-3 鋼的性質及其用途 4-3 鋼之性質及其用途 2.依照含碳量的多寡分類 (1)高碳鋼：含碳量在0.6%以上，專門用於製造各種工具，如鑽、鑿、鍛壓、剪斷、鎚、鋸切等場合之工具。 (2)中碳鋼：含碳量介於0.3～0.6%之間，適合製造配合件，如齒輪組、傳動軸等。 (3)低碳鋼：含碳量介於0.02～0.3%之間，適宜各式鋼板及螺絲等之製造。

4-3 鋼的性質及其用途 3.依照鋼的用途可分為 (1)構造用鋼：供機械及土木構造用的碳鋼及合金鋼，其含碳量約為0.15～0.4%。 4-3 鋼之性質及其用途 3.依照鋼的用途可分為 (1)構造用鋼：供機械及土木構造用的碳鋼及合金鋼，其含碳量約為0.15～0.4%。 (2)特殊用鋼：用途極廣如工具鋼、不鏽鋼、彈簧鋼、耐熱鋼、磁性鋼及其它特殊合金鋼等。 碳鋼的含碳量介於0.02～2.0%之間，但真正用於工業界的含碳量則介於0.05～1.5%之間。當鋼加入合金元素之後，其性質即隨所加入元素的特性而發生改變，由此即可推想鋼為何最受材料界所使用的原因了。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 4-4 五大元素對碳鋼之影響 存在鋼中的雜質中，主要合金元素有碳、矽、錳、硫、磷、鉻、鉬、鎳、鎢、氫等，這些元素有的對鋼的機械性質將造成不利影響，有的對鋼的機械性質幫助頗大；其中，尤以碳、矽、錳、硫、磷等五大元素影響最大。 1.碳(C)：碳對鋼的影響是所有元素中最重要者，含碳量的多寡將直接影響到鋼的強度、硬度…等，請參詳4-3 節內容。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 2.矽(Si) 優點： (1)增加鋼液的流動性。 (2)防止鋼液內氣孔生成。 (3)增進鋼的收縮作用。 (4)作為煉鋼的還原劑。 (5)使鋼易於鑄造。 (6)含矽量在0.3%以下，矽會固溶於肥粒鐵中，會使鋼的抗拉強度、硬度、彈性增加；但是伸長率及衝擊值則降低。 (7)增加電阻，減少磁滯損失。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 缺點： (1)減低碳在鋼中的溶解。 (2)使鋼中之雪明碳鐵（Fe3C）分解，形成石墨化。 3.錳(Mn) 優點： (1)錳易與硫結合成硫化錳，可消除硫的有害影響； 錳能去除鋼中的氧化物。 (2)錳可抑制鋼中晶粒之成長，增加鋼的硬度、強度、韌性等。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 4.硫(S)：硫主要來自於生鐵與焦碳的煉製過程中所產生，其對鋼的優缺點如下： 優點： (1)增加鋼的切削性。 缺點： (1)含量超過0.02%時就會降低鋼的強度、伸長率及衝擊值等。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 4-4 五大元素對碳鋼之影響 (2)硫易與鐵結合成硫化鐵（FeS）的共晶組織，會把肥粒鐵包圍起來，在晶界處形成網狀的薄膜，此等薄膜的熔點低，若加熱至鍛造溫度時，會先行產生熔解。所以，若實行鍛造會從此處產生裂縫，此種現象稱為熱脆性（Hot shortness）。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 5.磷(P)：磷為生鐵本身所蘊含的元素，生鐵煉製時會殘留於其中，其對鋼的為害僅次於硫。 優點： (1)磷多固溶於肥粒鐵內，使晶粒變粗，使鋼的強度、硬度等略增，但會減少延性，尤其減少常溫時的衝擊值，有利於金屬表面防蝕處理。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 4-4 五大元素對碳鋼之影響 缺點： (1)由於磷會降低常溫時鋼的衝擊值，致使材料於常溫加工時，亦因此而產生脆性，此種現象稱為冷脆性（Cold shortness）。 (2)磷易使鋼產生偏析（材料內成分的不均勻），即使把鋼加熱至高溫時，亦難擴散而仍停留於原處。若施以軋延或鍛造時，偏析部分會 形成細而長的帶狀組織，此種現象稱為魔線（Ghost line），此為鋼加工破壞的起因之一。

4-4 五大元素對碳鋼之影響 4-4 五大元素對碳鋼之影響

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