【官方雙語】用 3000 顆鋼珠解釋金屬熱處理

有一款非常酷的桌遊玩具，名叫 Atomics。 你已經買不到了。 所以幾年前，我自己做了一個。 大約有三千個滾珠軸承 夾在兩層亞克力之間。 他們可以在兩個維度自由移動 並且它們會自然地形成這種規則的晶格結構。 除了晶格中存在缺陷之外。 其實這正是我一開始建造這東西的原因 因為我想拍一段關於晶格缺陷的影片 像鑽石或金屬之類的物質。 而這款原子玩具正是這方面的絕佳模型。 如果你想看那支影片， 連結在卡片和描述中。 但有人在那則影片底下留言說 這個原子玩具可能也挺有用的 用來展示金屬熱處理時發生的情況 例如退火或回火。 這就是這段影片的內容。 如果我允許球迅速落下到位。 它們形成這些小型的規律區域。 你會得到同樣的安排 在金屬的原子晶格中， 這些微小的晶體金屬區域 彼此相鄰的。 而且他們無法形成單一的晶體 因為它們的朝向不同。 這些區域稱為金屬中的晶粒。 結果發現，金屬中晶粒的大小 確實有深遠的影響 該金屬的物理性質。 那麼，讓我們看看晶粒大小會發生什麼變化 當我們對金屬進行熱處理時。 這是一個原子晶格的模型。 因此，我們需要考慮加熱對模型的意義。 在原子尺度上，熱能僅僅是動能。 這是指原子和分子晃動的程度有多少。 因此，如果我們想要提高模型中的溫度， 我們需要把球晃一晃。 我會用震動發生器搖晃這些球。 這基本上就是一個帶有插腳的揚聲器。 而且因為我以每秒50幀的速度拍攝， 我要試著以50赫茲和100赫茲的頻率震動。 透過選擇幀率的倍數， 我不需要擔心閃爍效應。 你可以看到增加的動能如何 讓晶格有機會重新排列。 那額外的運動意味著原子可以滑移 並滑入新的位置，晶粒尺寸也隨之增大。 因此，以這種方式對金屬晶格進行熱處理 增加晶粒尺寸。 但這會造成什麼影響呢 該金屬的物理性質是什麼？ 在冶金學中，你會遇到各種不同的術語 關於金屬的物理性質。 硬度、韌性、強度。 它們聽起來都差不多。 但它們都有不同的技術定義 這部分我就不在這個影片裡談了。 因此我們就略過所有這些，直接說， 彎曲金屬有多難或多容易，取決於金屬的類型、厚度、形狀以及所使用的工具和方法。 永久地失去原有形狀，無論之前或之後 以這種方式進行熱處理？ 嗯，我的假設是，如果你有較大的顆粒， 較大的晶體結構，其強度會更高 因為規則的晶體排列實在非常堅固。 但結果顯示，較大的顆粒反而更容易實現 將金屬彎曲成非原來的形狀。 要明白原因，我們需要觀察發生了什麼情況 在分子層面上，當金屬發生永久變形時。 稱為塑性變形 當你永久性地改變原子的位置時。 你可能會推測 當你永久變形金屬時， 也許這些顆粒正在相互滑動。 或者它們正在分裂成更小的顆粒 或連接起來。 其實都不是那樣的。 原來最重要的事情是 談到塑性變形時 是晶體中的缺陷。 具體而言，稱為位錯的缺陷。 位錯有幾種不同的類型， 但一般來說，它們看起來有點像這樣。 結果發現，位錯很容易移動。 你可以看出原因。 如果你觀察位錯周圍的鍵結， 他們已經相當緊張了。 因此，你不需要太多能量就能打破其中一個鍵。 因此，當你往金屬的不同方向施加力量時， 這些位錯將會移動 以這種方式朝不同的方向。 重要的是它消耗的能量更少 讓位錯穿過晶粒 比起讓穀物相互移動，它更難讓穀物之間產生相對運動。 這就是為什麼脫位有時被稱為 金屬中塑性傳遞的載體。 你可能會有成千上萬個位錯位 在金屬的一粒晶粒內。 所以當你彎曲它時， 你正在造成那些錯位 輕盈地滑過穀物。 但關鍵的是，當一個位移發生時 到 grain 的邊緣，就再也不能前進了。 它無法跳到下一粒穀物上。 這就是它旅程的終點。 因此，如果您的金屬晶粒較小， 然後那些晶粒內部的位錯 他們的旅程結束前，還不到遠處的路程。 在到達晶界之前。 在宏觀層面上， 這意味著你的金屬延展性並不好。 你很難對它進行塑性變形。 如果你持續施加力量， 那它只是會以其他方式失敗而已。 然而，如果你增大顆粒的尺寸， 就像我們在這裡所做的這樣， 那樣的話，你只是讓這些錯位繼續移動得更遠。 你正在提升你金屬的容量 在破裂前產生塑性變形。 你正在提高金屬的延展性。 這就是我能演示的極限了 使用此型號。 顯而易見，這是一種過度簡化。 整個金屬學領域 因為有各種不同的方式 以不同方式熱處理金屬。 我所做的大概最接近於退火。 但也有回火和淬火。 而且有許多不同的變數 你要把金屬加熱到什麼溫度？ 高於還是低於再結晶溫度？ 你讓它冷卻的速度是快還是慢？ 你會獲得所有這些不同的特性。 這真的非常有趣。 而且這是我無法用這個模型展示的東西， 但我找到了幾段非常棒的影片。 如果你想深入探討一點， 我會把這些內容留在卡片和描述中。 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做了，別忘了按訂閱 下次見。