什麼是麻田散鐵

將沃斯田鐵急冷時,以不伴隨擴散的剪切型變態所生成的組織。在鋼中是過飽和固溶碳的體心正方晶,非常硬。

日文名稱: マルテンサイト

「麻田散鐵」出現在7領域的13道練習題中(熱處理與金屬材料, 材料的加工與接合, 表面處理與磨潤學等)。

這個名詞所屬的領域: 熱處理與金屬材料

不擴散的變態

將鋼從沃斯田鐵區以快於臨界冷卻速度的速度冷卻時,碳原子沒有時間擴散形成雪明碳鐵。因此鐵原子集體些微錯動的剪切型變態便會發生,FCC的沃斯田鐵轉變為過飽和含碳的體心正方晶(BCT)麻田散鐵。原子的移動距離比原子間距短,變態以接近音速的速度進行。其特徵是變態前後成分不變,變態量不是由持溫時間而是由到達的溫度決定。

Ms點與Mf點

麻田散鐵變態在冷卻中於Ms點開始,隨溫度下降而進行,在Mf點大致結束。碳量或合金元素越多,Ms與Mf越低,碳量多的鋼Mf低於室溫,因此會殘留未變態完全的殘留沃斯田鐵。殘留沃斯田鐵會隨時間變態而成為尺寸變化的原因,因此精密零件會進行冷卻到0℃以下的深冷處理。急冷時的體積膨脹與溫差,也會成為淬火裂紋與變形的原因。

硬度的來源與回火

麻田散鐵的硬度主要由碳量決定,過飽和碳造成的巨大晶格應變與高差排密度強烈阻礙差排的運動。另一方面它非常脆,因此通常經過回火後使用。回火時過飽和的碳以微細碳化物析出,內部應力緩和,硬度雖然下降,韌性卻大幅恢復。工具等使用低溫回火,軸與齒輪等使用高溫回火(淬火回火合稱調質),依用途區分,以得到合適的硬度與韌性組合。

鋼以外的麻田散鐵

麻田散鐵變態並不是只發生在鋼中的現象。在Ni-Ti合金中,利用麻田散鐵變態與逆變態可得到形狀記憶效應與超彈性,用於醫療用線材與致動器。氧化鋯由正方晶到單斜晶的變態也是麻田散鐵式的變態,被用於相變韌化。這些都具有不伴隨擴散、原子協同錯動的共同機制,變態的結晶學決定了巨觀的性質。變態溫度隨合金成分大幅改變,因此成分管理很重要。

練習麻田散鐵的題目

關於鋼的麻田散鐵變態的敘述,下列何者正確?

  1. A碳原子長距離擴散,一邊在沃斯田鐵晶界析出雪明碳鐵,一邊緩慢地進行
  2. B是不伴隨擴散的剪切型變態,生成含過飽和碳的體心正方晶(BCT)
  3. C冷卻速度越慢,碳原子越有時間擴散並重新排列,因此生成越多的麻田散鐵
查看答案與解析

正確答案:B. 是不伴隨擴散的剪切型變態,生成含過飽和碳的體心正方晶(BCT)

將沃斯田鐵以快於臨界冷卻速度的速度急冷時,碳來不及擴散,原子集體些微錯動的剪切型變態便會發生,生成過飽和含碳的體心正方晶(BCT)麻田散鐵。碳使晶格沿c軸方向畸變,因此是非常硬且脆的組織。變態在Ms點開始,溫度越低進行得越多,幾乎與持溫時間無關。伴隨碳的擴散而分成肥粒鐵與雪明碳鐵的是波來鐵或變韌鐵,冷卻越慢越容易生成的也是波來鐵。

常見問題

麻田散鐵為什麼很硬?

因為碳過飽和固溶而使晶格大幅畸變,加上變態導入許多差排與雙晶,差排非常難以運動。硬度主要由碳量決定。

淬火一定會成為麻田散鐵嗎?

冷卻速度慢於臨界冷卻速度時,途中會生成波來鐵或變韌鐵。粗大構件的中心部不易冷卻,因此會使用硬化能高的合金鋼,或使用冷卻能力高的冷卻劑。

殘留沃斯田鐵是什麼?

在Mf點低於室溫的鋼中,淬火後未變態而殘留的沃斯田鐵。它會隨時間變態而改變尺寸,因此以深冷處理或回火減少。

解析中的「麻田散鐵」

出現「麻田散鐵」的題目(13題)

  1. 關於鋼的麻田散鐵變態的敘述,下列何者正確?
  2. TTT圖(恆溫變態圖)與CCT圖(連續冷卻變態圖)的差異,下列何者正確?
  3. 在鋼中添加Mn、Cr、Mo等合金元素可提高硬化能。其理由下列何者正確?
  4. 對淬火後的鋼進行回火的主要目的為下列何者?
  5. 部分穩定氧化鋯顯示高破壞韌性的主要原因為下列何者?
  6. 18%Cr-8%Ni的沃斯田鐵系不鏽鋼(SUS304)的性質,下列何者正確?
  7. 以 Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15(質量%)求出作為鋼之焊接性參考的碳當量。C 0.20%、Mn 1.20%、Cr 0.30%、Mo 0.10%、V 0%、Ni 0.30%、Cu 0.15%的鋼,其 Ceq 最接近下列何者?
  8. 在高強度鋼的焊接中,為了防止焊接後數分鐘~數天內在熱影響區等處產生的冷裂(氫裂),會進行預熱。預熱的效果何者正確?
  9. 焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時,在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕(weld decay)。其原因與對策的組合何者正確?
  10. 將具有互溶間隙的固溶體從高溫的1相狀態急冷,並保持在間隙內側的溫度。關於離相分解,下列敘述何者正確?
  11. 用於齒列矯正線與支架的Ni-Ti合金(約50 at%Ni),其超彈性的機制下列何者正確?使用溫度高於逆相變結束溫度Af。
  12. 某建設機械零件受到含石英砂粒(硬度約1000 HV)的土砂摩擦,減少磨粒磨耗的選材方式,正確者為下列何者?
  13. 對低碳鋼(約0.2%C)的齒輪進行滲碳淬火。下列關於此處理的敘述何者正確?

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焊接熱影響區 波來鐵 硬化能 不鏽鋼 回火 破壞韌性 相變韌化 碳當量 鈍態 敏化

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