每期精准一尾中特2019
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聊聊鋼的合金化
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   我先說說我的職業簡歷,我1982年考入一個不起眼的學校內蒙古工學院本專業學習,1986年畢業后進入工廠,1995年調入學校至今,為什么要說這個呢?也就是告訴大家,我所從事的熱處理生產實踐是在三十多年前,那時的熱處理跟現在沒法比,特別是設備與檢測手段,比較土,因此,雖然進入學校還是干的本專業,也就是只會紙上談兵,不會操作,只會窮白活了。

          好了,現在就跟大家聊聊熱處理的問題,熱處理其實是一個系統工程,要想干好熱處理,需要金屬學知識、熱力學知識,熱處理原理知識、材料學知識、設備知識、力學性能和金相檢測知識,其他的需要知道機械制圖、機械設計、電學啊、管理學啊等等知識。當然,最主要的還是熱處理專業知識,我總結了八個方面:一分為二、兩個圖、三個過程、四把火、五個組織、六大缺陷、七個相變、八大工藝。當然,這個只是為了教學方便的需要,不全面,但基本上涵蓋了熱處理的主要內容,至于這八個方面的詳細內容,大家可以百度一下學好熱處理必須把握的八個方面,即可找到詳細內容。         熱處理既然是一個系統工程,不可能一次話題就都說到,我這次想跟大家聊聊一個方面問題,即金屬材料合金化的問題,我把這次定位為科普性質的,夾雜著自己的看法,不一定準確和正確,懇求大家仔細鑒別。首先,人類社會為什么要使用材料?就是為了利用材料的性能,當然,材料有各種各樣的性能可供人們利用,最最常用的就是強度。我想利用材料的強度作為切入點,講解合金化的問題。        大家都知道,一個細棒子相比粗棒子很容易折斷,而折斷就是把斷口兩端的原子分開,也就是說力克服了棒子兩端的許多兩原子之間的吸引力而造成的折斷,當然不同的原子種類之間的吸引力是不同的。金屬的力學性能也就是由兩原子之間關系的集合所構成。一般情況下,兩個原子之間的距離是固定的,當兩個原子受到外拉力的作用,原子間距會變長,這時兩個原子會產生吸引力,這個引力隨著外拉力的增加而增加,如果在一定范圍內原子間距變長的基礎上,再拉變長,那么需要的力就需要增加,也就是說,在自然狀態下,同樣拉長一定的距離,需要的外力是不一樣的,在已經拉長的基礎上,再拉長同樣的距離需要的力更大。與此類似,壓縮產生的是排斥力。兩兩原子之間已經拉長的狀態對于金屬晶體來看是什么?學過金屬學的肯定會想到一個名詞“晶格畸變”。晶格畸變的結果表現在力學性能上面會導致材料的強度硬度提高,也就是說可以推論:凡是能夠造成晶格畸變的因素,都會提高材料的強度硬度!! 那么怎樣才能夠造成晶格畸變呢?      方法1:如果往一種金屬里面摻其他元素,由于摻入的元素原子大小跟被摻的金屬原子大小不一樣,肯定要造成晶格畸變,而且間隙型的比置換型的引起的晶格畸變更大,所以該方法稱為——固溶強化。     方法2:金屬是有規律排列的晶體,如果造成比第一個方法更多的一排原子錯排,晶格畸變就更厲害,——位錯強化。     方法3:由于一般金屬是多晶體,所以會有晶界,而晶界是嚴重晶格畸變的地方,顯然晶粒越細,晶界越多,晶格畸變越厲害,強度硬度越高——細晶強化。      方法4:塑性變形由于滑移和孿生,可以造成晶格畸變和晶粒細化,適用于不能熱處理強化的金屬——加工硬化。      方法5:如果在多晶體的基礎上,形成第二相,相界面是原子排列混亂的地方,更加增加了多晶體的晶格畸變程度,強度硬度更高——第二相強化、彌散強化(兼有細晶強化作用)、沉淀硬化。      方法6:如果在固溶體的基礎上,能夠強行摻入更多的其他原子,造成更嚴重的晶格畸變,將大幅度提高材料的強度硬度——過飽和固溶體強化(熱處理強化)。實際上熱處理就是采用的這個方法——形成過飽和固溶體,過飽和度越大,強度硬度越高,當然別忘記了晶格畸變對材料性能影響的下半句話:強度硬度提高,塑性韌性下降,實際上適用的材料可不僅僅單單要求強度硬度的哎!      方法7:對于晶體而言,原子排列有規律,如果使每個原子排列都沒有規律,引起的晶格畸變顯然更大,強度硬度更高——形成非晶態,非晶態合金據說已經接近通過兩個原子之間的引力計算的理論值。       從以上聊的內容可以看到,額外的摻入其他原子即合金化,可以直接固溶強化第二相強化、彌散強化、沉淀硬化,間接兼有細晶強化、位錯強化、熱處理強化的作用,也就是說除了方法4和方法7之外,其他都牽扯到了,這也就是說明金屬材料為什么進行合金化的根本原因。        下面說說鋼鐵材料的合金化問題,據我統計,最新化學元素周期表有名有姓的元素有112個,其中有90種是金屬,22種是非金屬,在90種金屬元素中,為什么處于26號的鐵元素能夠在當今社會起到那么大作用?       西游記里面為什么孫悟空本事大?為什么有些妖精本事大,一個最主要的原因是會變化,當然還有一些了不得的法寶。在常見金銀銅鐵錫金屬中,鐵屬于資源豐富的,特別是會變!能夠從一種晶格類型轉變為另外一種晶格類型,也就是說,原子間距隨著晶格類型不同而變化,這樣就導致不同的晶格類型的鐵性能的變化,另外鐵也有法寶,這個就是可以熱處理和合金化,熱處理可以讓鐵變成火眼金睛,合金化會讓法寶具備相應的性能。        鐵可以通過加熱和冷卻改變晶格類型,鐵加熱到912℃,會從所謂bbc結構轉變為fcc結構,加熱到1394℃從fcc結構轉變為bbc結構,從而改變性能,為了能夠得到不同的性能,可以通過熱處理而改變,這就是熱處理的由來,那么合金化呢?       大家知道,肉好吃,可是白水煮肉卻不好吃,為了使白水煮肉好吃點,至少加點鹽,如果再好吃點就額外加花椒、大料、生姜、蔥花這些常用的作料,如果想得到特殊的風味,還需要加草果、肉蔻、白芷等等調料,這樣分別得到不同地方風味的美味佳肴。       這個鹽就類似于鐵中加的碳,幾乎所有的菜都加鹽,幾乎所有的鐵合金都加碳,這個花椒、大料、生姜、蔥花這些常用的作料就如鋼中的硅、錳、鉻,這個草果、肉蔻、白芷就是鋼中鎳、鎢、鉬、釩、稀土等作料。       所以,鋼中常加的合金元素有:有硅、錳、鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鈦、鈮、鋯、鋁、銅、鈷、氮、硼、稀土等,記不住怎么辦?一個鬼啊,非常兇猛,各各手里捏著烏木做成的幡,一個老太太樣的尼姑,要告狀,告誰呢?告驢和古老的蛋,路上碰上稀罕的兔子。來跟我念:鬼猛各捏烏木幡,太尼告驢同古蛋,碰稀兔。

       合金元素加入鋼中會引起什么樣的作用呢?我們先來看看碳,從鐵碳相圖中我們可以看到,鐵加熱到912℃,會從所謂bbc結構轉變為fcc結構,加入碳后這個轉變點就會下降,當加到0.77%碳時,臨界點就會成為727℃,912-727=185℃,0.77%碳可以降低185℃之多。

知識問答

       1、請問王老師:純鐵而言,體心向面心轉變,從原子角度看,其根本原因是什么?既然好不容易變成面心,再升高溫度時又何必費勁變回體心?      王老師解答:首先,高溫的體心立方與低溫的體心立方幾何結構相同但晶格參數不同,也可以說是不同的體心立方,必須明確這一點,體心向面心轉變,從原子角度看,我覺得是能量與原子排列狀態之間的關系,室溫加熱是量變,達到912度成為質變,這個跟冰加熱到10度變成水一樣,是自然規律。實際上就是能量的緣故。        2、請問王老師:王老師幫忙介紹一下"非晶態金屬材料"目前的研發狀況?       王老師解答:非晶態金屬材料據我所知,目前是兩個方向是主流,一個是機理原理方面的研究,另外一個是制造方法方面的研究,特別是大尺寸非晶態金屬材料的制造工藝研究。為了進一步了解非晶態的結構,通常在理論上把非晶態材料中原子的排列情況模型化,其模型歸納起來可分兩大類。一類是不連續模型,如微晶模型,聚集團模型;另一類是連續模型,如連續無規網絡模型,硬球無規密堆模型等。非晶合金目前的生產制造工藝大概有真空蒸發法、溉射法、化學氣相沉積法(CVD)、液體急冷法,非晶金屬材料熱力學上不穩定,受熱有晶化傾向,不同的非晶金屬材料穩定溫度不同
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