|
好久沒出來露臉了，你不會把我忘了吧。 這么久沒出來，主要是因?yàn)樽罱诿?xiàng)目。 另外，就是在考慮后續(xù)文章的連續(xù)性，就是先寫什么，再寫什么的問題。 前幾天，還有朋友看到我朋友圈發(fā)的五一風(fēng)景照，贊美了一下，對我說，你很久沒更新日記了，我以為你不更新了。 我說，怎能呢，我會更新的，這個(gè)月就更新。 這不，今天，我就來了。 雖然有點(diǎn)晚，但是，我想說，我想死你了。 哈，言歸正傳。 上周五，我在選擇潔凈房使用的微型導(dǎo)軌時(shí)，其中有一項(xiàng)是材料的選擇。 導(dǎo)軌供應(yīng)商說，使用馬氏體不銹鋼，具有抗蝕功效，然后又說，使用奧氏體不銹鋼，具有高抗蝕功效。 我隨手翻閱了一下手冊，找到了如下的不銹鋼性質(zhì)列表，和導(dǎo)軌供應(yīng)商說的一摸一樣。 其實(shí)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常會用到奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫奈锢砗土W(xué)性能。 例如，常用的奧氏體不銹鋼AISI303和AISI304，其彈性模量在200Gpa左右，屈服強(qiáng)度在190Mpa－230Mpa。 而常用的馬氏體不銹鋼 AISI420和AISI440C，彈性模量為215Gpa，其中420淬火和回火熱處理后，屈服強(qiáng)度可達(dá)345Mpa－1420Mpa，440C熱處理后，屈服強(qiáng)度甚至可以達(dá)到1900Mpa。 淬火（Quenching），就是把工件加熱到奧氏體化的臨界溫度以上30-50℃，保溫后取出，在水或者油中極速冷卻的過程。以前打鐵，做鐮刀，砍刀等都會用淬火，使得刀具硬而不易脆斷（需要回火）。 為了方便理解和記憶，淬可以理解為蘸，就是將燒紅的金屬元件，到水里蘸一下，就像蘸辣椒醬，蘸金屬這口味有點(diǎn)重。 回火（Tempering），就是把淬火后的工件再次加熱到727℃以下，保溫后取出，在空氣，油或水中冷卻的過程。回字體現(xiàn)了再次的意思，這個(gè)再次是在淬火以后，一般淬火后都需要做回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，使組織穩(wěn)定。 馬氏體不銹鋼體系 奧氏體不銹鋼體系 我們知道，奧氏體不銹鋼沒有磁性，有很好的抗腐蝕性能，如剛才提到的303，304，還有316，202等不銹鋼。 而馬氏體不銹鋼有磁性，但是其抗腐蝕能力沒有奧氏體好，如420，440，410，403等不銹鋼。 那么問題來了，什么是奧氏體不銹鋼？什么是馬氏體不銹鋼？為什么兩者磁性和抗腐蝕能力不一樣？應(yīng)用上有什么差別? 這幾個(gè)問題，經(jīng)常在我腦海中閃現(xiàn)，每一次我都去翻閱查詢，但是過一段時(shí)間后，我又不記得兩者有什么區(qū)別了，甚至常常把馬氏體和奧氏體性質(zhì)弄反，你有沒有？ 所以這兩天，我重新梳理了一下這兩者的區(qū)別。今天我就來分享一下，如果有說得不對的地方，也歡迎你指出，一起進(jìn)步。 既然是奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，那么首先，什么是奧氏體，什么是馬氏體？ 說起馬奧體，我覺得不得不從純鐵開始說起。 因?yàn)闊o論是馬氏體，還是奧氏體，本質(zhì)都是在純鐵的基礎(chǔ)之上，參入不同濃度的碳，在一定溫度下形成的。 我們知道，當(dāng)把純鐵加熱到熔點(diǎn)1538度以上時(shí)，純鐵變成了液體。 而在純鐵以液態(tài)開始冷卻的過程中，在不同的溫度范圍內(nèi)，會結(jié)晶成具有不同組織的晶體。 結(jié)晶是指液體變固體。 晶體，是指其原子在空間有規(guī)律排列的物體。 關(guān)于晶體，這里有幾個(gè)概念，需要說明一下。 為了便于理解，我打個(gè)比喻，把原子看成蘋果，現(xiàn)在要給客戶發(fā)一批蘋果，我們不會直接把蘋果仍在卡車上，而是要先裝箱，而且每一箱都按照一定的規(guī)律放置蘋果，一箱一箱的蘋果就是一個(gè)晶胞。 若干箱蘋果裝滿一車后，就叫晶粒，不同大小的車，能夠裝下不同數(shù)目的箱子，組成不同大小的晶粒，所有車裝滿，全部運(yùn)輸?shù)娇蛻裟抢铮徒M成了晶體。 所以晶體就是由晶粒組成的，晶粒就是由這些一箱一箱堆在車上的蘋果組成的，而晶胞是由原子組成的。 例如，從熔點(diǎn)到1394度之間，鐵結(jié)晶成體心立方結(jié)構(gòu)，叫δ-Fe，在1394到912度之間，結(jié)晶成面心立方結(jié)構(gòu)，叫γ-Fe，當(dāng)溫度降至912度以下后，又具有體心立方結(jié)構(gòu)，稱為α-Fe。 晶體結(jié)構(gòu)：體心，面心，密排六方 我們知道，水可以溶解糖，鹽等易溶物，這叫液溶。 同樣地，上述三種溫度區(qū)間的鐵，δ-Fe，γ-Fe，α-Fe，也可以溶解碳，只不過能夠溶解碳的能力是不一樣的，這叫固溶。 碳溶于α-Fe稱為鐵素體Ferrite=F，還是保持體心立方結(jié)構(gòu)，碳溶于γ-Fe稱為奧氏體Austenite＝Au，仍然具有面心立方結(jié)構(gòu)，奧氏體塑性很好，容易變形。 但是，因?yàn)棣?Fe原子間隙比α-Fe大，所以它能夠溶解的碳濃度要比α-Fe大。 奧氏體中最大溶解2.11%的碳，鐵素體最大溶解0.0218%的碳。 如果碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了兩者的溶解度極限，會發(fā)生什么呢？ 會形成化合物Fe3C，稱為滲碳體：Cementite，其含碳量可達(dá)到6.69%。 好了，到這里，我們有了奧氏體的概念。 但是，上面所說的奧氏體，是在高溫912-1394度之間，如果是在912度以下，γ-Fe會向α-Fe的轉(zhuǎn)變，所以單獨(dú)的奧氏體不存在了。 當(dāng)溫度低于727度時(shí)，奧氏體會和其他組織混合，形成新的組織，而我們平時(shí)用的不銹鋼，大都在常溫下。 常溫下，不同濃度的碳溶于鐵中形成的組織，是不一樣的。 鐵碳相圖
1 v+ {4 w* Z2 l) P; R V/ O2 A
鐵碳相圖微組織 7 U, `# h. ^ M
例如，當(dāng)含碳量小于0.0218%時(shí)，在室溫下形成的組織是鐵素體。 當(dāng)含碳量為0.77%時(shí)，在室溫下形成的組織，是鐵素體與滲碳體的混合物，即珠光體Pearlite，用P表示。 當(dāng)含碳量是4.3%時(shí)，室溫下組織是奧氏體與滲碳體的混合物，即萊氏體Ledeburite，用Ld表示。 但是沒有單獨(dú)的奧氏體存在。 所以，奧氏體不銹鋼從何而來？ 說到這里，不得不說起碳鋼的加熱并冷卻的轉(zhuǎn)變過程。 碳鋼是以鐵和碳為主要成分的合金，把碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%-2.11%的鐵碳合金叫鋼。其中，含碳量小于0.25%的碳鋼叫低碳鋼。含碳量為0.25%-0.6%的碳鋼又叫中碳鋼。含碳量大于0.6%時(shí)，叫高碳鋼。 合金是指一種金屬元素和其他元素結(jié)合在一起，形成有金屬特性的物質(zhì)。例如，家里的鋁合金窗戶是鋁與鎂及硅組成的合金，廚房水龍頭主體一般是銅合金，主要是銅與鋅，還含有少量的鉛。 像鋰鋁合金AL-Li8090，及鈦合金因?yàn)閺?qiáng)度和密度的比值大，常常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。 室溫下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的的碳鋼，將其加熱到臨界溫度以上后，就會形成奧氏體，這個(gè)奧氏體有個(gè)特點(diǎn)，就是它在不同的溫度范圍等溫，或者是在不同的冷卻速度下冷卻，會形成成不同的組織。 臨界溫度就是鐵碳相圖中的A3，Acm和A1線對應(yīng)的溫度，表示不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳，加熱時(shí)，開始轉(zhuǎn)變成奧氏體的溫度，例如室溫組織是珠光體的碳鋼，加熱到727度時(shí)，開始形成奧氏體。 例如，對于含碳量為0.77%的碳鋼（也叫共析鋼），在臨界溫度727度到560度之間等溫，會形成珠光體，在560度到Ms之間等溫會形成貝氏體，在Ms-Mf之間等溫就形成馬氏體。 共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 # F7 k8 I! o: A" f! N
8 Q7 t d9 i3 G; B& x4 F! Z! G2 u+ G# I
共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖可能存在的組織 4 i: y$ g+ z* y
0 E c7 T" I" b: z
當(dāng)奧氏體在727-560度之間保溫時(shí)，首先會在奧氏體晶界處（晶粒交界處）形成滲碳體，滲碳體慢慢長大，使得周圍的奧氏體缺碳，于是在其兩側(cè)又會形成鐵素體，這樣就組成了一個(gè)珠光體小單元，很多小單元擴(kuò)散交錯(cuò)疊加，最后使得整個(gè)奧氏體變?yōu)橹楣怏w，所以珠光體的基本組織是鐵素體和滲碳體的混合物。 把奧氏體在560到Ms溫度區(qū)間保溫，首先在奧氏體晶界處析出過飽和的鐵素體，然后在鐵素體中析出細(xì)小的滲碳體，所以，貝氏體是過飽和鐵素體和滲碳體的混合物。 Ms是馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，即Martensite Start，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳鋼，對應(yīng)的Ms不同，Ms在150－310度左右變化。Mf表示馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度，即Martensite Finish，也是一個(gè)根據(jù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)而變化的量，在-100到50度之間變化。 因?yàn)轳R氏體在Ms－Mf之間轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度低，速度快，只發(fā)生鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，碳原子來不及重新分布，被保留在馬氏體中，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和母奧氏體相同，所以馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。 OK，到這里，我們終于有了馬氏體的概念，它是奧氏體在Ms－Mf溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變形成的一種組織，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。 當(dāng)然，因?yàn)楣ぜ?shí)際熱處理時(shí)，常常被連續(xù)冷卻，而不是保溫，所以一般用冷卻速度來估計(jì)最后的常溫組織。
( A j7 v7 s% x5 c3 }; ~" g" n8 d& x
共析鋼的奧氏體連續(xù)冷卻圖 ' V, X: p$ L/ k) X- `# F
例如，退火（Annealing），相當(dāng)于爐冷，冷卻速度很慢，通常在10−5 – 10−3K/s，得到的組織是粗片狀珠光體，因?yàn)榫徛鋮s的過程中，組織會慢慢長大。 又如正火（Normalizing），在空氣中冷卻，冷卻速度較快，得到細(xì)片狀珠光體，也叫索氏體，極細(xì)小的珠光體叫托氏體。 最后在水中淬火，快速冷卻，得到馬氏體組織，所以淬的目的，就是得到馬氏體。 上面說了，馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，所以它保持了鐵素體的體心立方結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)閮?nèi)部有大量過飽和的碳原子，使得原子排列擁擠，產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，所以馬氏體有較高的強(qiáng)度和硬度，如果含碳量增高，強(qiáng)度和硬度也增加，但會變得很脆，必須回火消除內(nèi)應(yīng)力，才能使用。 說到這里，我覺得有必要說一下退火和正火熱處理的含義。 退火（Annealing），就是將工件加熱到臨界點(diǎn)，也就是相圖中的A1，A3，Acm線以上，或者在臨界點(diǎn)以下某一溫度保溫一定時(shí)間后，十分緩慢地冷卻的過程，例如爐冷，坑冷等，目的是改善組織，細(xì)化晶粒，降低硬度，改善加工性能，減小應(yīng)力等。 退火可以理解為退去工件內(nèi)部的“火”，金屬和人一樣也有火，比如內(nèi)部的熱應(yīng)力就是一種火。退火時(shí)不能太急，必須慢慢來，才能見效，就像人上火了，可以通過喝茶慢慢降火一樣。 正火（Normalizing）,和退火有點(diǎn)類似，不同的是，正火是在空氣中冷卻，冷卻速度要快一些，目的是細(xì)化組織，適當(dāng)提高硬度和強(qiáng)度，可加工性等。 正火，從單詞Normalize演化而來，可以理解為正?；裁唇姓；?，在空氣中冷卻就叫正常化，因?yàn)樵跔t中或者在水中冷卻，都是人為控制，而在空氣中冷卻不需要人為控制，可以看成是正常冷卻。 所以，正火要比退火便宜。 應(yīng)用上，低碳鋼和低碳合金鋼，常以正火做預(yù)備熱處理，而高碳鋼一般用退火做預(yù)備熱處理，因?yàn)樘己扛?，硬度也高，不容易加工，退火以降低硬度，提高加工性能?/font> OK，到這里，我們終于把馬氏體和奧氏體的來歷給弄清楚了，但是什么又是奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼呢？ 從奧氏體和馬氏體得到奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，還需要一步。 哪一步呢？ 上面說過，在室溫下，奧氏體不單獨(dú)存在，且其在鋼中的成分不高，所以不能稱為奧氏體鋼。 但是，當(dāng)鋼中加入某些足夠多的合金元素時(shí)，就會擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，例如加入9%的鎳，或者13%的錳等，則可使A3線下降，使得奧氏體穩(wěn)定在室溫，形成奧氏體鋼。 所以奧氏體鋼，其實(shí)是一種合金鋼。 為什么要在碳鋼中加入合金元素呢？ 因?yàn)樘间撾m然有良好的力學(xué)和加工性能，價(jià)格也便宜，但是它存在不容易完全淬透，強(qiáng)度不夠高，不具有耐腐蝕，耐高溫，耐磨等特殊性能。 合金元素的加入，剛好可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，所以實(shí)際工程中，大量使用的是合金鋼。 當(dāng)然，并不是每一種合金元素都使得奧氏體區(qū)域擴(kuò)大，有的合金元素的加入會減小奧氏體區(qū)域，甚至使奧氏體區(qū)域消失。 例如，Si、Cr、AL、Ti等的加入，當(dāng)加入的鉻元素達(dá)到17%-28%，常溫下奧氏體區(qū)域消失，鋼在室溫下呈單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。 那么，什么是奧氏體不銹鋼呢？為什么不生銹？ 奧氏體不銹鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上，加入了17%-25%的鉻元素，和8%-29%的鎳元素，例如典型的18-8型奧氏體不銹鋼，就是鉻≥18%，鎳≥8%的合金鋼。 鎳元素的加入使鋼在常溫下呈單相奧氏體組織，減少了金屬內(nèi)部因?yàn)榻M織的不同，而形成的微電池?cái)?shù)量，從而也就提高了抗電化學(xué)腐蝕的能力。 什么是電化學(xué)腐蝕？例如，鋼中的珠光體是鐵素體α和滲碳體F3C層片相間的組織，在硝酸酒精溶液中，構(gòu)成無數(shù)個(gè)微電池。α電位低，形成微電池的陽極，不斷析出鐵離子，也就是被腐蝕，F(xiàn)3C電位高，形成微電池的陰極，把電子傳給溶液中氫離子，形成氫氣。 電位越高越不容易被腐蝕，例如用來制作散熱器的黃銅，是銅鋅合金，使用中容易脫鋅，因?yàn)殂~的電極電位比鋅的電位高，所以，一般會加入鋁，硅，鎳等微量元素，防止脫鋅。 同時(shí)，鉻元素的加入，提高了基體的電極電位，并在鋼的表層形成了致密的氧化膜Cr2O3，從而使得鋼在一定的介質(zhì)中不容易生銹，所以叫奧氏體不銹鋼。 類似地，在含碳量為0.1%-1%的碳鋼中，加入12%-18%的鉻，并空冷可以形成馬氏體不銹鋼。 因?yàn)楹辖鹪貑我?，馬氏體不銹鋼只在非氧化介質(zhì)中，例如大氣，水蒸氣中有較好的耐腐蝕性能，而在非氧化介質(zhì)中，例如鹽酸溶液中，耐腐蝕能力變得很低。 所以奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力比馬氏體不銹鋼高，如果對耐腐蝕能力有要求，最好選用奧氏體不銹鋼。 到這里，我們終于清楚奧氏體和馬氏體不銹鋼的概念了。 但是，回到我們最初還剩下的問題，為什么奧氏體不銹鋼沒有磁性？而馬氏體不銹鋼有磁性呢？ 按照磁鐵吸鐵的原理，是馬氏體和鐵素體能夠被磁化，而奧氏體不能被磁化。 但是更近一步，為什么呢，我查閱了很多資料，到目前，沒有看到很好的解釋。 反正結(jié)果就是馬氏體和鐵素體有磁性，但是奧氏體沒有磁性或者僅有弱磁性。 如果你有很好的解釋，也歡迎在下面留言探討。 有時(shí)奧氏體呈現(xiàn)磁性，一般有兩個(gè)原因。 一是由于冶煉時(shí)成分偏析或熱處理不當(dāng)，會造成奧氏體不銹鋼中有少量馬氏體或鐵素體組織存在。 另外，奧氏體不銹鋼經(jīng)過冷加工，組織結(jié)構(gòu)也會向馬氏體轉(zhuǎn)化，冷加工變形度越大，馬氏體轉(zhuǎn)化越多，鋼的磁性也越大。 對于不銹鋼的應(yīng)用，我們用得最多的還是303和304，但是因?yàn)?04相對于303來說，可加工性差點(diǎn)，因?yàn)?04粘刀具，所以用303的時(shí)候更多。 另外，我們的鈑金件，一般是用304鋼板彎折的，用得最多的厚度是從1mm，1.5mm，2mm和3mm。當(dāng)然，有時(shí)候只做遮蓋用時(shí)，也用鋁板彎折，并做發(fā)黑表面處理，防止生銹。 420的應(yīng)用也比較多，因?yàn)橛袝r(shí)候工件太大了，303和304原材料沒那么大，就換成420的加工，不過都要做表面處理，如鍍鋅鍍鉻等，以防止生銹。 420和440C因?yàn)樽稣{(diào)質(zhì)后（淬火加高溫500-650度回火），屈服強(qiáng)度很高，所以也常常用于對于強(qiáng)度要求高的設(shè)計(jì)中，例如我之前提到的，機(jī)器人快還裝置中的柔性定位銷。 鴨，夜深了，明天還要工作，今天就寫到這里吧。 洗洗睡了。 相關(guān)閱讀： 《機(jī)器人末端的快換裝置，有哪些設(shè)計(jì)要點(diǎn)？》 http://www.xa-space.com/thread-1004402-1-1.html
' x: u5 B0 c( m' s1 e/ B4 X
《首次揭秘機(jī)械工程師的工作內(nèi)幕，內(nèi)含絕密賺錢項(xiàng)目，千萬別外傳》 http://www.xa-space.com/thread-1005943-1-1.html 9 \0 M$ W7 A7 t- P
| 
發(fā)表于 2020-5-20 23:10:19
QQ好友和群
QQ空間
