簡單敘述材料科學入門：鐵碳平衡圖

簡介

鐵碳平衡圖是一種用來描述鐵和碳的合金在不同溫度和碳含量下的相變化的圖表。

在圖中，縱軸代表溫度，橫軸代表碳的重量百分比。圖中的主要區域包括：

• 沃斯田鐵區（Austenite）：在高溫下鐵碳合金中的碳完全溶解在鐵中形成單一相。
• 肥力鐵區（Ferrite）：在較低的碳含量和溫度下碳的溶解度降低，形成鐵基固溶體。
• 波來鐵區（Pearlite）：在中等碳含量和溫度下，形成的層狀結構，由肥力鐵和雪明碳鐵（Fe₃C）交替排列而成。
• 雪明碳鐵區（Cementite）：Fe₃C，是一種硬而脆的化合物，其碳含量為6.7%。

鐵碳平衡圖中的重要點和線包括：

• 共析點（Eutectoid point）：約0.8%碳含量和723°C溫度，此處沃斯田鐵轉變為波來鐵。
• 共晶點（Eutectic point）：約4.3%碳含量和1147°C溫度，液態鐵碳合金轉變為沃斯田鐵和雪明碳鐵的混合物。
• A1線：沃斯田鐵開始轉變為波來鐵的溫度。
• A3線：在低碳含量下，沃斯田鐵轉變為鐵素體和波來鐵的溫度。
• Acm線：在高碳含量下，沃斯田鐵轉變為雪明碳鐵和波來鐵的溫度。

歷史

鐵碳平衡圖的歷史可以追溯到1868年，當時俄國學者切爾諾夫（Д．к．Чернов）注意到只有把鋼加熱到某一溫度以上再快冷，才能使鋼淬硬，從而提出了臨界點的概念。這是鐵碳平衡圖的早期形式，並且隨著時間的推移，人們對鐵碳合金的理解越來越深入，鐵碳平衡圖也變得越來越完善。相關人物以下敘說：

• Д.к.Чернов (Dmitri Chernov): 他在19世紀末提出了鋼的臨界點概念，這是鐵碳平衡圖早期形式的基礎。
• 亨利·勒·夏特列 (Henry Le Chatelier): 法國化學家和工程師，他最知名的貢獻是提出了勒夏特列原理，這是一個描述化學平衡在外界條件變化下如何移動的原理。除此之外，他還對合金和混凝土的科研工作做出了重要貢獻，推進了法國礦冶工業的發展。勒夏特列也因為他的教學、課本撰寫和對約西亞·吉布斯熱力學著作的翻譯而促進了法國物理化學研究的發展。
• 阿道夫·馬丁森 (Adolf Martens): 德國冶金學家，他對材料科學領域做出了許多重要貢獻。以下是他的一些主要成就：

馬氏體和馬氏體轉變：馬丁森是鋼結構馬氏體和馬氏體轉變的命名者，這是一種固態中無擴散相變化。

摩擦學貢獻：他在摩擦學領域也有顯著貢獻，特別是在滑動速度、黏度與正常負荷的關係（即斯特里貝克曲線）的實驗探索方面。

材料工程先驅：馬丁森是材料工程的先驅。他對金屬材料的機械強度和斷裂的基本機制感興趣，這促使他發展了金相學的基本概念。他在1878年至1889年間發表的論文奠定了這一技術的基礎。

應用

鐵碳平衡圖是研究鐵碳合金在加熱和冷卻時的結晶過程和組織轉變的重要工具。以下是一些主要的應用：

1. 選擇合適的材料：根據鐵碳平衡圖，我們可以選擇適合特定應用的材料。例如，建築結構用鋼材需要良好的塑性和韌性，因此適合選用低碳鋼。機械零件設計需要強度、塑性和韌性有良好的配合，因此適合選用中碳鋼。而模具或工具需要材料硬度高、耐磨性好，因此適合選用高碳鋼。
2. 熱處理選擇與實施：鐵碳平衡圖可以用於選擇加熱溫度，以及研究不同的熱處理方式所能獲得的組織。例如，淬火、回火等熱處理過程的溫度選擇，都可以參考鐵碳平衡圖。
3. 研究材料性質：鐵碳平衡圖可以幫助我們理解鐵碳合金的結構和性質，如硬度、韌性、強度等，並預測材料在特定條件下的行為。