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1、模具材料選用與熱處理鋼材之強度與熱處理(三)- 1 -鋼鐵材料的機械性質取決因素：* 鋼種(化學成分)故，依使用目的選定鋼種與熱處理極為重要。* 熱處理- 2 -鋼材強度廣義的鋼材強度硬度、降伏強度、彎曲強度、疲勞強度、淺變破壞強度、耐磨耗性、與環境破壞強度等狹義的鋼材強度以抗拉性質與硬度為主- 3 -鋼鐵材料之抗拉特性正常化之低碳鋼荷重 (應力)伸長率(應變)彈性限, sE上降伏點, suy下降伏點, sly抗拉強度, sutP, 破裂點彈性變形, eE降伏伸長率, ey均勻伸長率, eh總伸長率, et- 4 -鋼鐵材料之抗拉特性伸長率(應變)荷重 (應力)ABCD1D2A: 正常化軟鋼B
2、: 低合金鋼，調質高強度鋼C: 高強度鋼(正常)D1: 高強度鋼(延性不足)D2: 高強度鋼(低應力破壞)- 5 -鋼鐵材料之抗拉特性鋼鐵材料之抗拉性質中，設計者為避免永久變形而重視降伏強度，但降伏強度為不安定數值，例如，隨抗拉速度而有大幅變化(快則高)。因此，為安全計，一般係以抗拉強度的1/3或1/4為設計應力。亦即安全係數取1.5或2。- 6 -鋼材之硬度與抗拉強度硬 度 (RC)1030405060050100150200250350300250200150100500100200300400500600700抗拉強度(kg/mm2)抗拉強度(kpsi)硬 度 (BHN)su(kpsi)
3、 0.50 BHNsu(kg/mm2) 0.35 BHN近似公式*僅適用於 BHN500以下- 7 -降伏強度, 抗拉強度 (kg/mm2)代表性鋼種100014002000342030405060708090100200300400500600700800150900高純度鐵一般壓延鋼材,鑄鋼低溫用鋼溶接構造用高張力鋼機械構造用碳鋼機械構造用低合金鋼強力鋼超強力鋼琴鋼線鐵之單晶鐵之理論強度TMCP鋼代表性鋼材之抗拉強度- 8 -降伏強度, 抗拉強度 (kg/mm2)適用之主要強化機構1000140020003420304050607080901002003004005006007008001
4、50900高純度鐵固溶強化正常化相變化強化(淬火回火)細晶強化析出物分散強化冷作強化(加工硬化)加工熱處理不含缺陷之鐵單晶控制壓延，加速冷卻鋼材之主要強化機構- 9 -鋼鐵材料之強化法鋼材之主要強化法有：固溶強化細晶強化相變化強化析出物分散強化冷作強化(加工硬化)加工熱處理強化- 10 -鋼鐵材料之強化法-固溶強化高純度之鐵甚軟，強度不足，若固溶合金元素或不純物元素時，會使鐵之結晶格子變形，阻止差排（dislocation）活動，使強度上升，此即固溶強化。降伏強度與添加元素之重量比大約成比例上升。- 11 -鋼鐵材料之強化法-固溶強化C orNPSiCuMnMoNi or AlCr0-75+7
5、5+150+225+3000.51.01.52.02.5合金元素量 (wt%)降伏強度之變化(MN/m2)- 12 -鋼鐵材料之強化法-細晶強化欲同時提高材料之強度與韌性時，結晶粒之微細化為最有效方法之一。晶粒微細化可提高sy與su ，其中對sy之效果較大。- 13 -鋼鐵材料之強化法肥粒鐵結晶粒微細化方法1.使變態稍前之沃斯田鐵結晶粒微細化-細晶強化2. 增加肥粒鐵結晶粒生成之核3. 阻止肥粒鐵結晶粒之生長- 14 -鋼鐵材料之強化法降低變態(相變化)溫度可以有效提高鋼鐵組織之強度與韌性-相變化強化- 15 - 15 -鋼鐵材料之強化法-相變化強化1. 正常化的強化施行正常化處理的目的在使結
6、晶粒微細化，生成微細之波來鐵，以提高材料強度並改善韌性。正常化處理可使波來鐵微細化，使碳化物均勻分布，因此可改善正常化鋼料之淬火性，得到充分硬化之效果。- 16 -鋼鐵材料之強化法-相變化強化2. 淬火、回火強化淬火高溫碳化物完全固溶的沃斯田鐵組織，以快速冷卻方式，使之維持至較低溫處方起變態，獲得麻田散鐵組織，得到硬化效果。回火通常伴隨淬火後立即實施，以消除淬火時的殘留應力，增加延性與韌性。- 17 -鋼鐵材料之強化法-相變化強化鋼淬硬之兩種方法：1.將臨界冷卻速度加快。 - 由淬火冷媒與 攪拌方式調整2.將肥粒鐵與波來鐵變態起始點移向長時間側。 - 添加合金元素- 18 - 18 -鋼鐵材料
7、之強化法-析出物分散強化由析出物之分散強化有二：1.由於時效所生之微細析出物(金屬間化合物)： 增加強度、硬度，但容易發生微細龜裂，降低韌性2.回火過程所析出之碳化物：為硬析出物之分散化 -可提升硬度與強度，但碳化物粒子本身可能成為 內部破裂之起源，降低延性與韌性。-具有適當大小與剛性，以高密度分散並與母相 著性良好之析出粒子，可確保強度與韌性。- 19 -鋼鐵材料之強化法-冷作強化常溫下，鋼材承受降伏點以上之應力，即發生塑性變形，隨之硬化，是為冷加工硬化，即冷作強化。冷加工強化法不適用於一般之構造用鋼材，因為伴隨著強化而產生顯著之脆化。- 20 -鋼鐵材料之強化法-冷作強化 1. 沃斯田鐵系
8、不銹鋼之強化 2. 高錳鋼之使用於土木機械 3. 琴鋼絲 4. 鋼材表面施行珠擊、滾軋加工，提高 表面硬度，改善疲勞強度。冷作強化之應用例：- 21 -鋼鐵材料之強化法-加工熱處理強化鋼之加工熱處理(Thermo-Mechanical Treatment, 熱機處理)分 類名 稱說 明變態前之加工鍛造淬火、加工淬火於安定沃斯田鐵範圍加工後，急冷沃斯成形、溫冷加工準安定沃斯田鐵範圍加工後，麻田散鐵狀態沃斯滾軋回火準安定沃斯田鐵範圍加工後，沃斯回火變態時之加工深冷滾軋，恆溫成形麻田散鐵變態途中之塑性加工變態後之加工麻成形麻田散鐵加工溫加工、 ETD法回火麻田散鐵加工韌化加工波來鐵或變韌鐵加工由變態
9、前至變態途中之加工控制壓軋、控制水冷沃斯田鐵低溫域之加工TMCP鋼沃斯田鐵、肥粒鐵二相域之加工- 22 -鋼鐵材料之強化法-加工熱處理強化各溫度領域壓延後組織- 23 -鋼材之選擇與熱處理注意事項-左右機械性質之要因1. 材料之不均勻性：如偏析5. 高溫特性：如潛變4. 低溫特性：如低溫脆性3. 時效：如淬火時效、冷作之變形時效2. 零件之質量效應- 24 -低溫脆性鋼鐵材料因使用溫度下降致降伏點升高而脆化之現象A：延性破壞B：延性及脆性破壞混合區C：脆性破壞，降伏後發生破裂D：脆性破壞，降伏應力以下之破裂- 25 - 25 -高溫潛變鋼鐵材料在恆溫下持續承受拉伸應力，負荷應力雖然小於該材料之
10、降伏應力，變形量仍逐漸增加以致於破壞之現象- 26 -工具鋼之強度與熱處理-工具鋼之分類1. 碳工具鋼2. 合金工具鋼3. 高速工具鋼- 27 -工具鋼之強度與熱處理- 碳工具鋼主要成分：0.61.5%C, 0.35%Si, 50mmf)250350OC(50mmf)1hr/25mmf常溫持溫持溫工具鋼之強度與熱處理- 合金工具鋼- 47 - 47 -主要合金成分：高速工具鋼內含有大量合金元素Cr、 W 、V 、Mo、Co等，常達25%以上。除Co外，均能促進硬化能，故高速鋼的硬化能非常好。合金元素主要作用：1. 增加硬化能。2. 增進高溫硬度與回火抵抗。3. 析出特殊碳化物，以增加耐磨耗性。工具鋼之強度與熱處理- 高速鋼- 48 -鎢系高速工具鋼之熱處理法及硬度工具鋼之強度與熱處理- 高速鋼- 49 -鉬系高速工具鋼之熱處理法及硬度工具鋼之強度與熱處理- 高速鋼- 50 - 50 -高速工具鋼之淬火、回火作業實例(以SKH2為例)熱850900OC一次回火二次回火空冷空冷1hr/25mmf1hr/25mmf冷空徐淬火溫度持溫2t預熱均熱500650OCIII450550OC熱浴常溫熱徐熱徐常溫熱浴熱浴電爐均熱t工具鋼之強度與熱處理- 高速鋼- 51 -
