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【摘要】通常我們形容一個人意志之堅強，常用──如鋼鐵般。那麼鋼鐵倒底 有多強呢？它為什麼強呢？
在史料記載中，遠在古代中國及西方的大馬士革便已能製成犀利而強韌之鋼製刀劍。近代冶金學家們研究那些古物的結 果。發現其強度有時竟達10,600公斤／平方厘米（約150,000磅／平方吋。換言之截面積為一平方厘米之材料可以承受約一萬公斤的重量）。但是一直 到近數十年來，人們才逐漸地瞭解其中的原因，進而曉得控制鋼之強度的方法。而由一種所謂的藝匠狀態發展成為一種科學。
在進入正題之前，我們必須接受一個在金屬中極為重要的觀念。那就是“錯位”觀念（Dislocation亦稱差排，這名詞已在科月出現許 多次了）。我們知道金屬是其原子以規則狀堆排而成之晶體。於是根據晶體原子間之結合力，當可估計出該金屬之理論強度。不過就拿純鐵來說吧，計算出之理論強 度約在7×104至1.5×105公斤／平方厘米之間。但是實際上純鐵之強度僅有106公斤／平方厘米── 低了約一千倍左右。為了解釋這一現象，在1943年，一群物理學家們導入了所謂“錯位”的觀念。
錯位是一種晶體之線性瑕疵，也就是眾原子 之排列發生了錯亂。這種錯亂，使得晶體局部產生扭曲，因而能夠改變那透過金屬薄片之電子束（Electron Beam）之進行方向。所以我們可藉透視電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope）來觀察呈黑絲狀的錯位。最常見的一種錯位是晶體內半個平面之原子“失蹤”。這種錯位易於敘述和解釋，如圖一所示。而這些錯位之易於 移動，使得實際上之晶體變得很“軟弱”──即在很小的應力之作用下，便承不住而變形。這種情形可舉一日常所見之慣例來解說之。在圖二中有一片大地毯，如果 地毯舖得相當的平，則我們要費很大的力量才拉得動整個地毯。就如需要極大的應力才能使沒有瑕疵的晶體變形一樣。假使地毯上有道隆起之脊背，當我們拉動此地 毯時，該脊背能順沿著地毯而移動。實際上，我們是在間接地將該脊背移動。自然我們所用之力較拉全平之地毯小得多。同樣的道理，很小的應力便能將晶體內之錯 位移動而使之變形。
（錯位之移動方式，就如接力賽般，由一個平面傳至次一平面）。圖二中之另一例子為蠶之移動，它的行進為身體弓成小丘 （局部）再「傳」至前頭，這種移動方式，對於它大概是最為省力吧！這個理論圓滿地解釋為何金屬之實際強度遠較理論值來得小。同時也說明了為何那幾乎無瑕疵 的晶體其強度幾能達理論值（例如細小的金屬單晶纖維）。由上所述，我們可得到一個結論，金屬強化的方法，便是要防止錯位之存在或是阻撓已存在著的錯位之移 動。值得注意的是，金屬之延性（Ductility）也是由於錯位之移動來決定。其與強度所不同的是趨勢相反──錯位愈容易移動，則延性愈高。所以我們常 須在強度與延性間作個妥協，以求得最適用之材料。
為說明鋼之強度，最好先解釋一下鋼之內部結構 及組成。鋼基本上為鐵與碳之合金，含碳量由0.01%至1.9%。通常可分為兩大類。普通鋼除碳外，尚含少量之矽，錳及硫等。合金鋼則含有少量之元素，如 鉻，鎳，錳，鉬，鈦，鎢或釩等。
鐵晶體在高溫時為較“開放”之面心立方晶（Face center cubic）。“開放”是指各原子間之空隙較大，因而能夠容納較多量之碳原子，而成為一種固溶體，稱之為沃斯田鐵（Austenite，亦名奧氏體）。當 它由高溫度冷卻至某一溫度而停留在該溫度時（通常此溫度仍相當高），則碳原子有足夠的移動性而形成碳化鐵，此碳化鐵與呈體心立方之肥粒鐵（Ferrite 亦名鐵素體）以交替片狀存在著，這種交替片狀之結構就被起個新名，叫做波來鐵（'arlite亦名珍珠體）。通常緩慢冷卻時，亦能產生波來鐵。當沃斯田鐵 冷卻至較低溫度而停留於該溫度時，其碳原子之擴散與移動受到限制，因而形成粒狀之碳化鐵。呈粒狀之碳化鐵散佈於片狀之肥粒鐵內或其間。稱之為變韌鐵 （Banite亦名貝氏體）。如果我們將沃斯田鐵很快地冷卻至更低的溫度時，則碳原子來不及擴散出，而仍被捕留在形成之肥粒鐵內。體心立方晶之肥粒鐵，其 原子之間隙很小，故不能容納大多數之碳原子，因之形成一種過飽和之固溶體稱之為麻田散鐵（Martensite亦名馬氏體）。這種過程謂之馬氏變態 （Martensitic Transformation）。以上所述的各種名稱：沃斯田鐵，肥粒鐵，波來鐵，變韌鐵及麻田散鐵，不過是鋼因其處理方式不同而得之各種顯微組織。其形 成因素為含碳量，溫度與冷
速度等。在圖三中，我們以一典型之“C”型曲線來表示其相互間之關係。沿著冷卻路 線1.所得之結果為波來鐵。沿著路線2.為變韌鐵。沿著路線3.為麻田散鐵。此地須注意者，合金元素之存在，能改變這種相互間之關係。
前面已說過，要強化鋼就要設法阻撓錯位之移動或者根本消彌錯位之存在。可是後者既不太可能又不實際。因為照熱力學原理， 錯位或其他種瑕疵之存在，乃為不可避免者。除非晶體之顆粒極小。因此我們只得訴之於前者。一般說來，鋼之強化法有下列數種：
（1）增加碳 量──在極純之鐵中，當碳含量由.001%增至.005%時，則其強度可增加四倍之多。
碳原子在鐵晶體中之位置為嵌隙狀態 （Interstitial），即位在鐵原子堆排之夾縫間，而非為取代式（Substitutional）。這種狀態使得鐵晶體內之原子格間呈局部扭曲， 而有礙於錯位之移動。（金屬元素如鉻，錳，鎳等為取代式溶入鐵晶體；故其強化作用遠不及碳來得有效）。
（2）減小晶粒之大小──金屬是由 許多小晶體顆粒互相嵌組而成。當錯位在金屬內移動時，它不能跨越過晶粒界面，所以晶粒界面愈多，也就是晶粒愈細時，鋼之強度則愈高。如果將晶粒之大小減小 十倍，則強度之增加約為三倍。
（3）將金屬加工──例如錘擊，輥軋（Rolli-ng），鍛製（Forging）及擠壓 （Extrusion）等。其結果為增加錯位密度，而造成極複雜之錯位“密林”。這種“密林”之形成，將有效地阻礙其他錯位之移動。
（4） 在金屬內密佈極細而堅硬之粒狀物，如析出物等（Precipitates）──例如碳化鐵顆粒分佈在質軟的肥粒鐵內。這些顆粒之距離愈小，則錯位愈不易通 繞過，而金屬之強度則愈高。通常建築上所用之鋼大多為波來鐵或變
鐵之結構，其強度約在2120至 10,600公斤／平方厘米之間，其強化原理即以此類為主。
（5） 急冷（Quench或謂淬火）成麻田散鐵──這是一種最重要之強化法。如前所述麻田散鐵為碳在肥粒鐵中之過飽和固溶體。實際上，由於碳原子之存在，原來為 體心立方晶之肥粒鐵被扭曲成正長方體。這種晶格之扭曲，使得錯位之移動受到妨礙。實驗上證明，麻田散鐵之強度與溶入其內碳含量之平方根成正比。同時，碳原 子亦能在淬火過程中，迅速集結於錯位上，而使後者不易移動。另方面，由於馬氏變態，晶體內必須產生多量的錯位或孿晶（Twinning）等瑕疵以適應這一 劇烈之組織結構變化。這些錯位之產生，如（3）所言，亦為強化麻田散鐵之一因素。鋼之含碳量在0.4～0.6％之間時，麻田散鐵之強度可達21200公斤 ／平方厘米。圖四為典型麻田散鐵之顯微組織。左邊（甲）為光學顯微照相，圖中梭狀物即麻田散鐵。梭間之空白處為尚未變態之殘餘沃斯田鐵。右邊（乙）為透視 電子顯微照相我們可見梭狀之麻田散鐵分佈於充滿錯位之殘餘沃斯田鐵內。（黑絲狀物為錯位，麻田散鐵內之針狀密集為為孿晶）。
一般高強度鋼 （常指強度在14000 公斤／平方厘米以上者）之強化原理常為上述五種方法之組合。尤其脫不了第五種。接下去我們將介紹近十年內發展成的幾種重要的高強度鋼，同時也可進一步指出 上述強化法之相互關係及變通性。
近年來有三大類新型鋼陸續出現。它們是沃斯變形鋼，麻時效鋼以及 變態致塑鋼。下面將分別予以簡述之。
（1）沃斯變形鋼（Ausformed Steel）：這是一類合金鋼，除了鐵及約0.4％左右之碳外，還加入鉻，鉬，鎳，釩等元素。這些合金元素作用之一是增加鋼由高溫淬火至低溫時形成大量麻 田散鐵的機會。也就是說將圖三中溫度與時間之曲線向右移動；第二個作用為將該曲線分為二條──高溫度時為波來鐵，較低溫度時為變韌鐵。沃斯變形法之過程為 將高溫之沃斯田鐵冷卻至一定溫度（通常在二條曲線之間），然後趁其在未變態成波來鐵或變韌鐵前，加工變形之，再冷卻成麻田散鐵。其過程如圖五所述。這類鋼 之強度可達14,000～28,000公斤／平方厘米。且延性亦很高，其強化原理為一些極複雜的因素相互作用。當將介隱之沃斯田鐵變形時（介於穩定與不穩 定狀態之間者，謂之“介穩”Meta-stable，此處指應起變態，但尚未變也），一方面產生高密度之錯位，另方面析出極細之碳化物（這是合金元素之第 三個作用，碳化物之種類則依元素之不同而異，例如碳化鉬，碳化鉻等）。當冷卻變態成麻田散鐵時，由於這些“微組織”的存在（在普通光學顯微鏡下看不到的金 屬內部結構細節，如析出物及錯位等，咸稱之為微組織），使得麻田散鐵之晶粒細小，同時其分佈亦為均勻，錯位密度亦為之增加。錯位密度之增加為最重要之強化 因素。換言之，沃斯變形法之作用在於加強馬氏變態之強化作用。圖六（甲）為經沃斯變形而得之麻田散鐵之電子顯微照相，顯示出極高密度之錯位。圖六（乙）為 同一區域之暗區照相圖。（暗區照相係利用折射之電子束照明所得之照相，這種方法之優點為能清晰地辨別微組織）。在右下角處，我們可以很清楚地見到極小的析 出物（直徑約為8×10-7厘米）。目前沃斯變形鋼之主要用途為製造汽車之彈簧板，飛機降落滑行輪架及火箭外殼等。
（2） 麻時效鋼（Maraging Steel）：嚴格地說來，它不該稱作鋼，因為其成份幾乎不含碳。這是所有之高強度鋼中唯一不利用碳來加強麻田散鐵的一類。其典型成份，除鐵以外，為約 18－22％鎳，5％之鉬，0.5％之鈦，7％之鈷等。這種合金因為不含碳，所以淬火後之麻田散鐵，其質甚軟，故易於加工成所需之形狀。但是將它再以時效 處理時（Aging Treatment），例如在約480℃加熱數小時，則
冷卻後之強度可達21,200公斤／平方厘米以上。且其延性 較前述之沃斯變形鋼為高。經研究的結果，發現在時效處理時，依其成份之不同，能析出一種鐵與鉬，鎳與鉬或是鎳與鈦等的金屬間化合物 （Intermetallic compound，由兩種以上之金屬以簡單之原子比例所組成之化合物。如Fe2Mo，Ni3Mo 或Ni3Ti）。這些金屬間化合物生於麻田散鐵晶體內之錯位上而使其強化。圖七（甲）為淬火之麻田散顯微組織。圖七（乙）為經過 時效處理之顯微組織。我們可以見到後者密佈著“針狀”之析出物。麻時效鋼之用途見於製造承受高壓力之轉動機件部份，飛機降落滑行輪架以及火箭內盛液態氫之 容器等。其唯一缺點是因含高量之合金元素，故其價格相當昂貴。
（3）變態致塑鋼（TRIP Steel）：TRIP為Transformation Induced Plasticity之縮寫，意義即為由於變態而導致塑性。一般的鋼，當其強度超過14,000公斤／平方厘米時，其伸長率（一種延性之表示）約在 10－15％之間。但是同強度之這一類鋼竟可高達20～40％間。一種TRIP鋼之代表成分為9％鉻，8％鎳，4％鉬，0.3％碳，餘量為鐵。這種鋼當它 仍為介穩狀之沃斯田鐵時，便予以加工變形。但不同於沃斯變形法者為它不繼續變態成麻田散鐵。加工變形之目的在於強化介穩之沃斯田鐵。這種沃斯田鐵之強度可 達21,200公斤／平方厘米。由於合金元素的關係，沃斯田鐵能停留於室溫中而不變態。這種鋼即為變態致塑鋼。它在受到應變時，沃斯田鐵能變態成為麻田散 鐵。例如此鋼在張力試驗中，因應變而生成麻田散鐵。（值得注意的是，通常麻田散鐵之生成係由於溫度之降低，但在變態致塑鋼中，麻田散鐵係因受應變而生。因 應變而生成麻田散鐵之現象，在別種介穩態之沃斯田鐵中也能發生。例如某些不銹鋼。這些不銹鋼同樣地也具高延性。但是，變態致塑鋼，由於加進了沃斯變形法所 產生之優點，故其強度遠大於普通之不銹鋼）。此麻田散鐵生成的量與應變值略呈拋物線形之關係。這種在應變時同時產生麻田散鐵之現象，使得材料之延性達極高 值。變態致塑鋼之發明，乃是因為對於延性之本質觀念作深入探討而得之結果。
通常之高強度鋼，其本身稍具易脆性（低延性值）。其原因為在張 力試驗時，材料之工作硬化率不夠補足其由於截面積減小而造成之應力增加，故引起塑性不穩性（Plastic instability）而產生頸縮現象。所以我們如能在張力試驗時以他種方式增加材料之工作硬化率，則自然地可以增加延性值了。（所謂工作硬化率 Work hardening rate乃指材料受力時，其內部之組織產生連續之扭曲而增加材料對變形之抵抗力）。當變態致塑鋼受應變時其所形成之質硬麻田散鐵能
有效地阻礙錯位之移動，進而增加工作硬化率，增加延性而延遲頸縮之產生。如今變態致塑鋼雖然未正式做實際 之應用，但是
我們可以斷言，它在某些特別的運用中，尤其是同時需要高強度與高延性值時，它是一種值得優先考慮之材料。圖八（甲）為變態致 塑鋼之光學顯微照相，黑色條狀物為麻田散鐵。圖八（乙）為電子顯微照相，尖板狀物為麻田散鐵（應變約為16％）。
變態致塑鋼之發展，說明了現在材料之發展，已經漸離了過去摸索的階段──此種鋼乃是集錯位理論，連體力學以及合金原理等之大成而得之結 果。但這並不是到了極限，從圖九中我們可以見到變態致塑鋼僅觸及了一重要部份而已。從尚待探討之區域裏，我們將會發展出更強韌之鋼來。
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