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钢的热处理

(2019-05-26 11:09:49)
标签:

铁-碳结构元

淬火

退火

同素异晶

 认识金属材料(二)

钢和钢的热处理

                                         晏成和

内容提要:钢是铁和碳组成的合金。淬火是较多大众所知道的钢的热处理方法,其工艺是:首先把碳钢加热到临界温度以上(800),保温后,快速浸到冷水或油里冷却。使得钢件内形成适量的铁-碳结构元,使材料的硬度、强度得以极大的提高。

关键词:淬火  火候 -碳结构元  退火

 

这是在北科大的讲稿,有少量专业名词。不过并不高深,只是市井语言常说的“见火”之类。

我在技校学建筑当木工,对斧头、刨刀的“钢火”有所了解,后来做机械,铣工。对削铁如泥的刀具、对金属材料的热处理:退火(烧红后缓慢降温)-硬度降低;淬火-“见火”(烧红后急速降温)-材料的硬度、强度提高,充满好奇。思索材料的硬度、强度来自哪里。看相关书籍上的“晶格畸变”理论,感觉逻辑牵强,几乎是忽悠。金属热处理与温度(火候)休戚相关,可是畸变理论却完全回避温度。

78年上大学学机械,发现大学教程对金属强度的来源,热处理的机理也没有明晰的讲解,不敢直面现实,只是在绕圈子。然而热处理的实践中,火(温度)候(时机)非常关键且效果明显,其中一定是另有原因。

还有金属为什么会有延展性、磁铁的磁性来自哪里?金属为什么能够导电?很多物质为什么能够被烧红?教材中也没有清楚的解读,我默默地思索着,慢慢地形成了我自己的金属结构原理、以及广义的物质结构原理和对金属材料热处理的探讨。

 

一般的金属材料热处理主要是对钢材进行的,我们首先来认识钢。

钢 钢的主要成分是铁和千分之几的碳组成的合金。铁的原子序数是26 ,核外电子按28142 规则排列。在常温下,铁原子的二个价电子都参入价和运转,并且各自稳定地运转在价和轨道的平面上,铁原子排列整齐有序,价和力连接、电磁力相吸引构成了内聚力,此时晶格呈体心立方结构。

当温度升至950 以上时,电子运转速率增大 [1] ,核心的库仑力也增大,由于次外层电子运转是不均衡的,核心此时把一个价电子吸引到次外层,这样,此时铁原子仅一个电子参入价和运转,像铜一样,两个原子之间只有一个结构元,其晶体的结构也像铜一样呈面心立方体。这就形成了铁的同素异晶现象。

(同素异晶是现代科学之谜)

碳是4价、非金属。在炼钢中能够把含碳量控制在(2%——0.2%)范围内,形成高碳钢、中碳钢、低碳钢,碳在钢中含量有限,不能像合金那样以任意比例“化合”。人们还能够用渗碳技术,在高温中让碳元素渗入在铁的表面——表面渗碳。

随着铁中含碳量的增减,钢机械性能强度、硬度、韧性、脆性亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小,电子速率很高,高速价和运转时,伴生着较大的电磁力,激活了铁中的价电子,使其速率增加;又因为碳原子有4个价电子,淬火时价和运转时形成许多铁-碳结构元,导致钢中的结构元增加;从而使得钢的硬度随之增加。

高碳钢含碳量大约在2%,如果含碳分布均匀,那么在3.7个铁结构元之间就会有一个铁-碳结构元,如图一(这只是平面示意图,真实的铁-碳结构是金刚石结构)。这样的高碳钢经淬火之后硬度很高。可以用作加工刀具、钻头的材料。

钢的热处理

橙色部分为铁-碳结构元                  蓝色部分是铁

图一

常用的45号钢,含碳量在0.45%,属于中碳钢。大约在6个铁结构元之间就会有一个铁-碳结构元,这样的中碳钢的硬度、韧性适中,综合性能较好。

当钢的含碳量超过2.117%后,因碳的比例增加,容易形成碳原子的小集合,因压力温度不够,不能形成金刚石结构,而是形成石墨结构,这种小石墨团嵌合在钢中,反而使得材料脆性增大,强度下降。但是耐磨性好,铸造性能好,人们称之为铸铁。

钢的机械性能(指其硬度、强度、延展性、焊接性等等多种性能)不仅与其含碳量有关,而且与其热处理工艺的关系极大,以下我们就用物质结构元原理对高碳钢、中碳钢讨论钢的热处理问题。(低碳钢在下一篇讨论)

 

 淬火 淬火是较多大众所知道的钢的热处理方法,其工艺是:首先把碳钢加热到临界温度以上(800),保温后,快速浸到冷水或油里冷却。使得钢件的硬度、强度得以极大的提高。工程上的齿轮、弹簧一般都是经过淬火,我们家用的刀、剪也都经过淬火。

为什么这样能提高强度?这不是因为有了什么“晶格畸变”,而是因为材料中碳原子的4个价电子速率快且稳定。铁的价电子较少,而加热使得铁的价电子速率增加较快,能够达到与材料中碳的价电子速率相近,容易形成高温状态下的铁-碳结构元。

突然降温,材料中高速率的铁的价和电子立即降低速率,但是,已经形成的铁-碳价和运转来不及重组,而是保持成铁--碳结构元充斥在钢铁之中,于是在材料内的结构元多,整体性强;铁的价和运转速率受到碳原子的牵制,仍然保持高速运转,使得钢中价和力、电磁力增大,钢的硬度和强度也就增加。

所以这个火候(温度,时机)十分重要,如果缓慢降温,铁的价电子速率逐渐下降、整合,铁-碳结构元分离、重组。“晶格畸变”理论与温度,时机基本上没有什么关系,与现实相去甚远,也没有逻辑关联,只能是一个胡说八道。

 

为什么要加温到800 左右呢?这是很有讲究的:温度低了铁的价和电子速率不高,不能形成铁-碳结构元。温度过高、铁的价和电子数量减少。若加温到950时,铁中结构元将减少一半,铁晶体转变成面心立方,此时淬火,物体内还要重建结构元,形成铁-碳结构元的机会会大打折扣;材料还要重整晶体结构(从面心立方向体心立方转变)使得工件变形大,而且重整过程中要消耗一些能量,因而价和电子速率也不会更高,钢的强度也不会更高。可见人们在实践中总结的淬火工艺是很有道理的。

 

回火  由于钢材淬火是突然遇冷、由表及里,钢材突然内外温差很大,内外的价和电子速率相差很大,运转不协调。宏观的表现是内应力很大。钢材的硬度虽然大、但是很脆,容易脆断。

于是聪明的工匠发明了回火,就是把淬火之后的钢件再放回炉子内加温,(材料不同回火的次数、温度不同)以消除内应力。

 

退火  把钢件加热到临界温度以上(800),保温后,缓慢降温,经过这样的退火处理,钢件内没有铁-碳结构元,硬度较低,便于加工。

 

                               2017-3-6        2019/5/15整理发表

 

参考文献

[1]晏成和,热是什么? 科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1110189.html

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