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好久沒出來(lái)露臉了，你不會(huì)把我忘了吧,。 這么久沒出來(lái),，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(wèn)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(duì)我說(shuō),，你很久沒更新日記了，我以為你不更新了,。 我說(shuō),，怎能呢，我會(huì)更新的,，這個(gè)月就更新,。 這不，今天,，我就來(lái)了,。 雖然有點(diǎn)晚，但是,，我想說(shuō),，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(shuō)，使用馬氏體不銹鋼,，具有抗蝕功效,，然后又說(shuō)，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(cè)，找到了如下的不銹鋼性質(zhì)列表,，和導(dǎo)軌供應(yīng)商說(shuō)的一摸一樣,。 其實(shí)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中,，我們經(jīng)常會(huì)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(guò)程,。以前打鐵,，做鐮刀，砍刀等都會(huì)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(guò)程,�,；刈煮w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(wèn)題來(lái)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(wèn)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(guò)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(lái)分享一下,，如果有說(shuō)得不對(duì)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(shuō)起馬奧體，我覺得不得不從純鐵開始說(shuō)起,。 因?yàn)闊o(wú)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(guò)程中,，在不同的溫度范圍內(nèi),，會(huì)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(shuō)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(huì)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�,，就組成了晶體。 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(guò)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(guò)了兩者的溶解度極限，會(huì)發(fā)生什么呢,？ 會(huì)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(shuō)的奧氏體，是在高溫912-1394度之間,，如果是在912度以下,，γ-Fe會(huì)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(huì)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 $ ]3 y4 w' U% c$ v0 G, o) e& P: Y
鐵碳相圖微組織 / f# c5 n8 ]4 c1 G
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(lái),？ 說(shuō)到這里，不得不說(shuō)起碳鋼的加熱并冷卻的轉(zhuǎn)變過(guò)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)形成珠光體,，在560度到Ms之間等溫會(huì)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 ( V1 k# v, h# |, \% @! V6 F% K
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共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖可能存在的組織
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當(dāng)奧氏體在727-560度之間保溫時(shí),，首先會(huì)在奧氏體晶界處（晶粒交界處）形成滲碳體,，滲碳體慢慢長(zhǎng)大，使得周圍的奧氏體缺碳,，于是在其兩側(cè)又會(huì)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(guò)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(guò)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(duì)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(lái)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(guò)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(guò)飽和固溶體。 當(dāng)然,，因?yàn)楣ぜ䦟?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(lái)估計(jì)最后的常溫組織,。 0 B' u+ b: @$ @2 t/ r8 a
共析鋼的奧氏體連續(xù)冷卻圖 2 x5 l" ~5 r6 \1 r6 [
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(guò)程中，組織會(huì)慢慢長(zhǎng)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(shuō)了,，馬氏體是碳在α-Fe中的過(guò)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(guò)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(huì)變得很脆，必須回火消除內(nèi)應(yīng)力,，才能使用,。 說(shuō)到這里，我覺得有必要說(shuō)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(guò)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(lái)，才能見效,，就像人上火了,，可以通過(guò)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(lái),，可以理解為正常化,，什么叫正�,；诳諝庵欣鋮s就叫正�,；�,，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(lái)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(shuō)過(guò)，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(huì)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?shī)W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(huì)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(wú)數(shù)個(gè)微電池,。α電位低，形成微電池的陽(yáng)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(lái)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(huì)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?shī)W氏體不銹鋼的耐腐蝕能力比馬氏體不銹鋼高,，如果對(duì)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(wèn)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(huì)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(guò)冷加工，組織結(jié)構(gòu)也會(huì)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(duì)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(duì)于303來(lái)說(shuō),，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(guò)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(duì)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://97307.cn/thread-1004402-1-1.html
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《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(wàn)別外傳》 http://97307.cn/thread-1005943-1-1.html
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發(fā)表于 2020-5-20 23:10:19
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