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揭开宝刀削铁如泥的秘密,淬火时,钢铁内部究竟发生了什么?
发布日期:2022-08-14 21:38    点击次数:161

本文作者:尚开红,匠人工坊燕风茶刀创始人,更多内容请搜索“匠人工坊”。

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武侠世界,英雄出手,疾如电,快如风,手起刀落,刹那间取人性命。以前的宝刀真能削铁如泥吗?是如何做到的?我们来进入刀剑的内部,看看它的微观世界里究竟藏着哪些秘密!

影响刀剑性能的一对孪生兄弟,“马氏体”和“奥氏体”

马氏体和奥氏体,是钢铁内部的两种晶体结构。把(中高碳)钢加热到一定的温度,迅速冷却(淬火),一般得到的就是马氏体。马氏体的内部结构稳定,制作成的刀剑更坚硬也更锋利。

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马氏体转变的速度极快,淬火的瞬间,体积膨胀,钢铁内部会形成很大的内应力。所以淬火之后要及时回火,防止因为应力而开裂。由于淬火过程难以控制,很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体,然后通过回火去减少马氏体含量,直到获得合适的性能。

马氏体具有高强度、高硬度,但是韧性很差,其特点是硬而脆。所以要想提高淬火钢的塑性和韧性,必须用提高回火温度的方法,牺牲部分强度而换取韧性。

奥氏体是碳在γ-Fe(温度在910℃-1390℃之间的纯铁)中的无磁性固溶体,是钢铁的一种层片状的显微组织。奥氏体的晶体结构为面心立方结构(fcc)。

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手机窃听 255);">奥氏体的塑性好,强度较低,具有一定韧性,易于加工塑性成形。因此,钢锭,钢坯,钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化,然后进行锻轧,塑性加工成材或加工成零部件。

奥氏体不具有铁磁性,因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的Fe-Ni软磁合金,也具有奥氏体组织,却具有铁磁性。

奥氏体导热性差,所以,厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热,以减少温差热应力,避免开裂。

宝刀为什么要经过折叠锻打?意义何在?

折叠锻打是一种人工锤锻的方法,常见的主要有:团打、流水、旋焊、马牙等,锻打出的刀剑表面往往会呈现出花纹,这是折叠锻打的层理的外露。

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用折叠锻打的方法制造刀剑,一方面是为了将钢铁中的杂质锻出,以提高刀剑的品质;一方面可以将几种软硬不同的钢材锻打到一起,使制成的刀剑同时具备硬度和韧性。后来随着技术的进步,人们逐渐掌握了采用不同的锻制方法,获得不同花纹的技术,从而使花纹钢制刃术又得到了发展和完善。

坩埚炼钢法

坩埚钢,是用坩埚炼钢法冶炼出来的钢材,坩埚炼钢法是指在石墨黏土坩埚中熔化金属料成为钢水的方法。坩埚法是人类历史上第一种生产液态钢的方法。但是生产量极小,成本高。19世纪末电弧炉炼钢(法)发明后,逐渐取代了它的位置。

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1742年英国人洪兹曼(B.Huntsman)将渗碳铁料切成小块置于封闭的黏土坩埚中,在坩埚外面加热,铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水,浇铸成小锭后锻打成所需的形状。

经正常铸造的钢锭很硬,经锤打后也不会有凹痕,故需用特别含有铁锉屑或粉末状铁矿石之粘土混合物覆盖,使钢锭表面脱碳。此过程亦可称为退火和球状处理,钢条变得有可展性和有韧性。

渗碳体或碳化晶体非常坚硬,抗酸性强,被抛光后会呈现出白色或银色。与此形成对比的珠光体由粘结金属组成,经腐蚀成黑色。

重新认识淬火

淬火,是将钢加热到临界温度以上温度,保温一段时间使之全部或部分奥氏体化后,再以大于临界冷却速度的冷速,快速冷却以进行马氏体转变的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。

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淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。

淬火还可以改善某些特殊钢的材料性能或化学性能,如提高不锈钢的耐蚀性,增加磁钢的永磁性等。

淬火之后的回火

回火,是将淬火后的钢材重新加热到低于下临界温度Ac1(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。淬火后的工件应及时回火,通过淬火和回火的相配合,才可以获得所需的力学性能。

回火可以减小或消除淬火钢件中的内应力,或者降低其硬度和强度,以提高其延性或韧性,防止钢材变形甚至开裂。还可以提高组织稳定性,保证钢材在以后的使用过程中不再发生变形,使工件几何尺寸和性能保持稳定。