材料与热处理(PPT101).ppt

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1、材料與熱處理,金屬材料 製造一部 牛中麟 2004/2/911,材料種類,金屬材料種類,鋼鐵非鐵金屬與合金,鋼鐵,命名規範美國SAE/AISI：前2位數字表示鋼種，後2位數字表示碳含量 4140：41表示鉻鉬鋼，40表示0.40%C日本JIS：以英文表示鋼種，後接編號或強度或元素含量 S45C:0.45%C之碳鋼,鋼鐵的種類,碳鋼低合金鋼高強度低合金鋼工具鋼不鏽鋼其他特殊鋼鑄鐵,碳鋼,0.30%C為低碳鋼，0.300.55%C為中碳，0.55%C以上為高碳 抗拉強度、降伏強度、硬度都隨碳含量增多而增加，但伸長率、斷面縮率及衝擊值則相反，即碳愈多韌性愈低,鋼鐵之碳含量愈多則愈硬脆,碳鋼,一般構造

2、用：碳含量0.120.30%，直接使用，不需熱處理 機械構造用：碳含量低於0.25%者需850950正常化處理 碳含量高於0.25%者則作正常化或者淬火(800900)+回火(550650),鑄鋼,碳0.6%（鑄鐵之碳24.5%）正常化熱處理機械性質類似於相同碳含量的碳鋼，但強度稍高而韌性較低,快削鋼,加硫使切屑變細小 加磷使鋼質變脆 加鉛使切屑細小和提高潤滑性提高切削性但犧牲一些機械性質適用於：重視加工面美觀而非強度的零件,低合金鋼,合金元素總量在5%以內添加目的：增加硬化能（大尺寸而能淬硬透）及抵抗回火軟化（回火強度、硬度）低合金鋼比相同碳含量之碳鋼可以熱處理到更高的強度，較大尺寸能夠淬硬

3、，而且較能抵抗高溫環境之軟化紅十字/AISI 4140/JIS SCM440藍十字/AISI 4340/JIS SNCM439,高強度低合金鋼(HSLA),用於大型構造物（車輛、高樓、橋樑、船舶等）焊接後無法再熱處理者，正常化或軋延後就具有高強度（50kg/mm2以上）具有低碳鋼板的焊接性及成型性。焊接免預熱以及焊後熱處理也不會硬脆,工具鋼,碳工具鋼合金工具鋼高速(工具)鋼,碳工具鋼,碳含量0.61.5%優點價格便宜、硬度高缺點硬化能差、不耐高溫應用帶鋸、衝模、車刀、銼刀等,合金工具鋼,鉻、鎢、鉬、釩、錳、矽含量總和大於5%優點硬化能高、耐磨性、抵抗回火軟化性高分類切削、耐衝擊、耐磨(SKD1

4、1切模)、熱加工(SKD61壓鑄模),高速鋼,比合金工具鋼更高的合金含量優點優秀的紅熱性及耐磨性分類鎢系、鉬系等,不銹鋼(Cr5%),不銹鋼之耐蝕性以沃斯田鐵系的304、316最佳，且無磁性,其他特殊鋼,耐熱鋼耐高溫氧化及具高溫強度309、310（最高使用溫度500700）軸承鋼彈簧鋼磁氣用鋼其他特殊合金鋼（例：鎂熱室壓鑄用鵝頸活塞活塞環材質1.2888）鎢鋼：唐卡龍（碳化鎢）,刀具材質等級：高碳鋼高速鋼唐卡龍唐卡龍+鍍膜,鑄鐵,非鐵合金,鋁及鋁合金鎂合金鋅合金鈦及鈦合金銅及銅合金鎳及鎳合金錫、鉛及其合金貴金屬金、銀、鉑,鋁合金命名規範,美國鋁業協會日本JIS,美國鋁業協會,鍛造用鋁合金為4位

5、數（7075,6061）鑄造用鋁合金為3位數（A380.1）,鍛造用鋁合金代號,第1位數與主要合金成份關係，共有八個系統1xxx系為純鋁，而2xxx至8xxx系為合金第2位數字用來區分舊型合金與改良合金，通常以0代表最早開發者，而1、2、3、4、則是代表改良合金，通常指雜質含量較少的合金第3、4位數字主要用來區別同一系統合金成份上的差別，但對純鋁而言，後兩位數字代表純度百分比小數點後兩位,7,0,75,鍛造鋁合金代號,鑄造鋁合金代號,第1位數與主要合金成份關係第2、3位數係區別同一系合金中成分上的差別xxx.0係表示鑄件，其成分合乎鑄件的規定，xxx.1與xxx.2則表示鑄錠，其成分合乎鑄錠的

6、規定在xxx之前加字母則用來區分雜質或微量元素的差別，如A356與356或A380、B380與380。,3,80,.1,A,鑄造鋁合金代號,日本JIS,壓鑄鋁合金,7075為鍛造鋁合金A380和ADC12為Al-Si-Cu合金,純鋁,99%以上耐蝕性、光輝、導電性、延性。導電材料及鋁箔要求之純度為99.45%以上,Al-Cu合金,2xxx系列及2xx系列銅是析出硬化元素，又可減少凝固收縮孔洞以提高韌性若添加Mg可進一步促進析出硬化的幅度（2xxx系列合金強度僅次於7xxx系列合金）,Al-Mn(3xxx),添加1.2%Mn可產生MnAl6而散佈強化（3003合金），再添加1%Mg（3004合金

7、）可在不犧牲耐蝕性之下提高強度，廣泛使用於烹調用具、生活器具等。易開罐即為3004鋁合金。,Al-Si合金(4xxx,3xx,4xx),矽是最能促進鑄造性的合金元素，可使流動性好、縮孔小。此外還可提高鋁合金之剛性（複合強化）以及耐磨性380、356等合金即為應用廣泛的高強度鑄造合金高矽含量的390合金具有高耐磨、低熱膨脹率，因此用於滑輪、引擎汽缸、空氣壓縮機等,Al-Mg合金(5xxx,5xx),鎂在鋁合金中是固溶強化元素，並能保持良好的延展性及耐蝕性，並且是最適合焊接的鋁合金，適合作為車、船、建築物之結構材料（如5083、5086、5056、5456等）含鐵量少者還可得到極光亮的陽極處理皮膜

8、，適合作外觀件（如5005、5050、5457、5657等）,Al-Mg-Si合金(6xxx),所含的鎂及矽並不多，透過Mg2Si的析出，T4處理後的強度介於1530ksi，T6處理後則可3040ksi，在鋁合金中屬於中強度等級，僅次於7000及2000系合金擠型性、耐蝕性、焊接性和陽極處理效果都不錯，因此廣泛用於建築結構材料，如門窗、欄杆等（如6061、6063等）。,Al-Zn(-Mg-Cu)合金,透過MgZn2和Al2Cu的析出而成為強度最高的鋁合金，為飛機的主要結構材料（如7075、7050、7178、7079等）,鋁合金熱處理代號,可熱處理合金為2xxx、6xxx、7xxx、2xx、

9、3xx和7xx系列；其他系列則靠固溶強化和應變硬化來達到硬化的效果 在合金代號之後，可進一步連接適當的代號來表示該合金所經的加工處理或熱處理,鋁合金熱處理代號,F:經加工成型者O:經退火者H:經應變硬化者H1n:僅應變硬化者H2n:應變硬化後經部分退火者H3n:應變硬化後作安定化處理者n=2為20%常溫加工（1/4硬質）n=4為40%常溫加工（1/2硬質）n=6為60%常溫加工（3/4硬質）n=8為80%常溫加工（硬質）n=9為90%常溫加工（特別硬質）,鋁合金熱處理代號,W:經固溶處理者T:熱處理者T1:經高溫加工成型後自然（室溫）時效至相當安定之狀態T2:經退火處理者（僅適用於鑄件）T3:

10、經固溶處理後冷加工者T4:經固溶處理後自然時效至相當安定狀態T5:經高溫加工成形後人工時效者T6:固溶處理後人工時效者T7:固溶處理後過時效處理者T8:固溶處理後冷加工及人工時效者T9:固溶處理及人工時效後再冷加工者T10:高溫加工成形及人工時效後再冷加工者,常用鋁合金之熱處理條件,壓鑄件氣孔多，高溫熱處理會起泡變形,鎂及鎂合金,鎂合金是最輕的實用合金，具有良好的車削性以及甚高的強度-密度比（比強度）和剛性-密度比：在相同重量下，鎂合金之撓曲度小於鋁合金、鈦合金及鋼鐵；同理，在相同剛性下，鎂合金的重量較後三者輕。鎂合金在金屬中有最佳的吸震性。加工性極佳。純鎂不存在於自然界中，必須以下列2種方法

11、還原取得：(1)海水電解，(2)礦石熔煉。,鎂合金代號,鎂合金的代號是採用2個字母及2個數字的表示法每個字母係代表一個主要元素，並依含量高低順序排列先後數字則對應表示該元素的百分比數字後再加上A/B/C/D/E表示純度,A Z 9 1 D,鋁Al-9%,鋅Zn-1%,高純度,鎂合金之元素代號,廠內壓鑄鎂合金為AZ91D主要合金元素為鋁和鋅,合金元素對鎂合金之影響,鋁：增加強度硬度(Mg17Al12析出)、增加流動性鋅：增加(室溫)強度硬度(MgZn析出)、若超過1%則會導致熱裂錳：藉熔煉時和鐵鎳鈷銅等重金屬元素析出沈澱而提高耐蝕性、降低流動性稀土元素：增加高溫強度、降低焊裂和氣孔鈣：增加高溫強

12、度、減輕鎂湯燃燒鋰：降低強度、增加延性矽：增加流動性、降低耐蝕性鋯：晶粒細化釔：增加高溫強度鐵、鎳：降低耐蝕性銅：降低耐蝕性、增加高溫強度鈹：減輕鎂湯燃燒、晶粒粗大化,鋅合金,特性在壓鑄合金中鋅的強度僅次為銅合金(高於鋁、鎂合金)熔點最低因此是最容易壓鑄的材料，再加上流動性高，適合大量生產且形狀複雜的鑄件廠內使用之鋅合金有3種3號(Zn3)最廣泛使用的熱室壓鑄鋅合金ZA8比#3更佳的強度，但熔融溫度更高，尚可勉強適用於熱室壓鑄法ZA27強度最高、最耐磨以及最輕的鋅合金，必須使用冷室壓鑄法。,最廣泛使用的鋅合金為3號料強度最高最耐磨的是ZA27,3號鋅合金不可稱為ZA3！,鈦及鈦合金,高熔點、高

13、強度（接近鋼鐵材料）、低密度（4.5g/cm3）和極優越的耐蝕性和生物親和性的諸多特性，在化工、航太、生醫方面有無可取代的用途,銅及銅合金,紅銅(純銅)導電、導熱性在金屬中排名第二，僅次於銀，使用量超越銅合金。黃銅(銅鋅合金brass)鋅為強化元素。銅-510%鋅用為錢幣、紀念章等。銅-30%鋅（俗稱之七三黃銅或彈殼黃銅）具有最佳的強度、延性以及加工性之組合。銅-40%鋅具有最高強度。添加錫、鉛、鋁、矽、鐵、鎳等則稱為特殊黃銅（壓鑄銅合金屬於此類）,銅及銅合金,青銅(銅錫合金bronze)錫含量從3.5%25%，另有添加磷、鉛和鋅者 此外，還有銅鋁、銅鎳、銅矽、銅鎳矽、銅錳、銅鈹（鈹銅）等合金

14、,鎳及鎳合金,鎳鐵合金有高導磁、超低熱膨脹係數、不受溫度影響的彈性係數之特性 鎳鉻合金耐高溫氧化，可用於1100以內的高溫爐發熱體（鎳-20%鉻）超合金：高溫環境中，耐熱鋼可使用至600以下，6001000則可使用鈷基及鎳基超合金添加鉬、鉻、銅、鐵、矽等還可用於高腐蝕性環境,廠內壓鑄合金成份(鑄錠),壓鑄合金物性,壓鑄合金機械性質,熱處理,簡介、種類以及影響,熱處理簡介,熱處理的原理相變態水的3態（4態）外觀、性狀都有明顯的變化固態材料在不同的溫度及組成下也會有不同型態（相）的轉變，即為相變態。熱處理就是對材料施以溫度、應力的控制，使材料產生相變態而變軟或變硬（不同的機械性質）以利加工、成形或

15、使用,熱處理實例,材料：含碳量1.0%的高碳鋼球化退火後，其微結構為肥粒鐵+球狀碳化物，硬度小於HRc20，可以輕易地用普通車刀、鑽頭、銑刀等予以加工經淬火、回火後使成回火麻田散鐵後，硬度可達HRc6062，足以作為車刀、鑽頭及銑刀等切削工具,(我為刀俎，人為魚肉！),鋼鐵的熱處理,鋼材的熱處理有退火、淬火（固溶化）以及回火（時效處理）退火是為了均質化、軟化鋼材以及消除應力鋼鐵及鈦合金和少部份的銅合金可作麻田散相變態硬化（淬火+回火）,淬火,將鋼材加熱至沃斯田鐵化溫度（亞共析鋼Ac3以上3060，共析及過共析鋼至Ac1以上3060），持溫30分/25mm。然後以水淬、油淬或風冷避開S曲線鼻端（

16、波來鐵變態）而產生麻田散鐵或變韌鐵，而後放置於空氣中冷卻至室溫，可以達成鋼材的硬化。,回火,淬火後必須儘快回火，回火分為高溫回火以及低溫回火高溫回火之回火溫度為500以上，可兼顧硬度以及韌性回火至150200則稱為低溫回火，在消除淬火應力之下仍可保留相當高的硬度以及尺寸的安定回火溫度愈高則持溫時間愈短 模具鋼、高速鋼等高合金鋼，一次回火無法完全消除殘留沃斯田鐵，也無法充分硬化，故須進行23次之回火,熱機處理,一般藉熱處理、塑性加工或添加合金元素來提高鋼材強度的方法，會降低鋼材的延性及韌性加工熱處理（或稱熱機處理）是結合熱處理和塑加工之新製程，借由在變態溫度附近施以塑性加工，可在不降低延性、韌性

17、的情況下，大幅提高強度，而成為超強韌鋼最有名的例子有TRIP鋼、雙相鋼以及麻時效鋼,深冷處理,隨著鋼材的含碳量或淬火溫度升高，淬火回火後的殘留沃斯田鐵也會愈多，殘留沃斯田鐵會逐漸轉變為麻田散鐵而引起鋼材變形，稱為時效變形淬火後繼續冷卻至室溫以下(-70-190)，麻田散鐵變態會更為完全，不但可避免日後的時效變形，也可大幅提高鋼材的硬度及耐磨性,表面硬化,各種機械用之軸、齒輪等，一方面要耐衝擊，另一方面軸之接觸部份或齒面，則必須具有耐磨耗之性質。為同時滿足此兩要求，唯有採用柔韌之鋼材，並施以表面硬化熱處理可以達到。,表面硬化之分類,物理性熱處理，但表面化學成份不變化學性熱處理，但表面化學成份改變

18、被覆性表面鍍上硬質材料機械性表面予以加工硬化,物理性表面硬化法,利用火焰、高週波、雷射甚至是太陽能將表面加熱（甚至重熔）產生淬火之效果,化學性表面硬化法,滲碳、氮化、滲硼利用擴散現象使硬化元素滲透進入金屬表層，並與鐵原子作用而產生硬化層硫化、蒸氣、鉻化、鋁化利用化學友應在金屬表層產生一保護膜,被覆性表面硬化,濕式法電鍍硬鉻、溶膠凝法，可用於溫度不高之場合（壓鑄機車柱）乾式法加焊硬面法、碳化物被覆法、陶瓷披覆法，硬鍍以及鍍層附著性較高，可以用在高溫磨耗的場合（刀具以及壓鑄模）,機械性硬化法,珠擊、噴砂、滾軋材料表層受壓應力而產生加工硬化，可以提高疲勞性質,非鐵合金之熱處理,鋁合金、鎂合金以及大部

19、份的銅合金之熱處理行為屬於時效硬化型非鐵合金之熱處理分為3種：退火、固溶化以及時效硬化,退火（非鐵合金）,退火可以軟化鋁材以利後續成形或加工依目的可分為2種：應力消除退火消除加工硬化完全退火消除所有熱處理（尤其是析出硬化）的影響,固溶化+淬火,固溶化乃是加熱合金至相固溶溫度以上，使合金成為均勻的相。加熱溫度絕對不可以超過合金之共晶溫度以上，否則晶界會熔化導致合金脆化而無法復原淬火乃是將合金從固溶化溫度迅速冷至室溫，使合金成為過飽和固溶體，作為後續時效應硬化的準備,時效硬化,過飽和的合金元素會以金屬間化合物的型態逐漸析出，剛開始是數量的增加，而後則伴隨著尺寸的成長，同時合金的強度以及硬度也開始增

20、加依其溫度可為為2種自然時效在室溫下任其自然析出硬化人工時效給予適當的溫度時間而析出硬化當硬度達到最高值後開始下降則稱為過時效,熱處理對鋼材機械性質之影響,硬度、抗拉強度疲勞特性衝擊特性耐磨性切削性,硬度、抗拉強度(熱處理),熱處理鋼之硬度在HB500以下時，抗拉強度與硬度有以下關係：(kgf/mm2)1/3HB 2.1HS 3.2HRc鋼材之硬度視含碳量而定：退火或正常化硬度HB80+200*%C淬火硬度HRc 24+40*%C30+50*%C回火硬度視回火溫度以及淬火完全性而定,疲勞特性(熱處理),材料的疲勞強度約為抗拉強度的4550%，而鋼材硬度為HRc45時疲勞強度最大（淬火不完全則疲

21、勞強度劇降）由於疲勞損傷都是從表面開始，因此表面硬化熱處理可有效改善疲勞強度,衝擊特性,淬火、回火鋼之衝擊性最佳，但淬火完全性要高且回火溫度高,耐磨性,熱處理可有效提高耐磨性，其方式有3：表面硬化熱處理消除內應力深冷處理消除殘留沃斯田鐵,切削性,切削性和成份、硬度有關。鋼材的成份對切削性的影響有一經驗公式：切削性指數M.I.=265-600*%C-1300*%Si-100*%Mn+100*%S+100*%Pb最適於切削的硬度範圍是HB185230（HRc21以下）,材料試驗,破壞性測試,金相(微結構)觀察,取樣金相切割機鑲埋熱鑲埋機研磨平面砂輪、水砂紙、雙盤研磨拋光機拋光機械拋光、電解拋光浸蝕

22、化學腐蝕溶液觀察金相顯微鏡、電子顯微鏡,金相切割機、熱鑲埋機,雙盤研磨拋光機,金相顯微鏡,硬度試驗,莫氏(劃痕)硬度洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）勃氏硬度（HB）維氏硬度（Hv）微小硬度（Hv、HK）蕭氏硬度（HS）攜帶式硬度計：里氏硬度（HL）超音波量測,洛氏硬度計,微小維氏硬度計,硬度轉換對照表,拉伸測試,拉伸試驗是一種最普遍、最早使用的材料試驗方法標準試棒拉伸測試產品拉伸測試（釘槍、P79 frame等）,材料萬能試驗機,拉伸曲線,伸長量,力量,應變,應力,0.2%,降伏強度,抗拉強度,鋼鐵材料,塑膠,脆性材料,非鐵材料,疲勞試驗,材料受到重複施加的應力而斷裂，而每循環的應力強度皆小

23、於該材料之降伏強度者，此種斷裂稱於疲勞斷裂根據美國金屬學會（ASM）統計，機械的斷裂中有8090%是材料疲勞的緣故,疲勞行為,S-N曲線：S覆變應力，N疲勞生命週期,107,108,5*108,疲勞極限,非鐵金屬如鋁、鎂、銅等，不論應力如何降低，疲勞生命總有一定的極限鐵、鈦等合金，在某一應力以下時，疲勞生命週期可達無限次，此一應力即稱為此材料之疲勞極限。工程上，假如材料在某一應力下週期次數達到107次或108次或者5*108次也不斷裂，其中最大應力當作疲勞極限,疲勞斷面,疲勞斷面壓鑄機車柱,疲勞斷面壓鑄機車柱,斷裂方向,疲勞性質影響因素,應力振幅、應力系統、溫度、頻率、應變振幅、晶粒大小、微結構、熱處理、表面效應（氮化、滲碳、高週波、噴砂脫碳、電鍍）、尺寸效應,其他材料試驗,衝擊試驗壓縮試驗彎曲試驗扭力試驗磨耗試驗,參考資料,工程材料科學，劉國雄等著，全華科技 熱處理，金重勳著，復文書局 北美壓鑄協會網站www.diecasting.org Federal Die Casting Company網站 材料工程實驗與原理，林樹均等著，全華科技,