第九章 鋼的回火轉(zhuǎn)變及回火

1第九章鋼的回火轉(zhuǎn)變及回火第一節(jié)淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變第二節(jié)碳鋼回火后的力學(xué)性能第三節(jié)合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響第四節(jié)回火脆性第五節(jié)鋼的回火工藝2將淬火鋼或鑄鐵加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。

淬火鋼的組織是亞穩(wěn)態(tài)，在性能上的表現(xiàn)是塑性、韌性低，內(nèi)應(yīng)力大，脆性大，變形、開裂傾向大，往往不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，因此淬火鋼必須回火，以消除內(nèi)應(yīng)力、防止變形或開裂，并獲得穩(wěn)定的組織和所需性能。

3第一節(jié)淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火鋼在熱力學(xué)上具有從非平衡態(tài)想平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向。平衡態(tài)與非平衡態(tài)的自由能差提供了這種轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)驅(qū)動力，但動力學(xué)上十分緩慢。Ac1臨界點(diǎn)以下的加熱回火，將使得動力學(xué)轉(zhuǎn)變明顯。

1）碳原子偏聚—回火預(yù)備階段（25~100oC以下）2）馬氏體分解—回火第一階段（100~250oC）3）殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變—回火第二階段（200~300oC）4）滲碳體的形成—回火第三階段（250~400oC）5）α相的回復(fù)再結(jié)晶和滲碳體的聚集長大—回火第四階段（400oC以上）41.碳原子的偏聚

在回火的預(yù)備階段，即25~100oC范圍內(nèi)，將發(fā)生碳原子的偏聚。低碳板條馬氏體中碳原子主要偏聚在位錯的張應(yīng)力區(qū)；高碳片狀馬氏體的碳原子主要偏聚在孿晶面等一定晶面上。

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ε碳化物時從過飽和固溶體中析出的亞穩(wěn)碳化物，可以保持到300oC以上。2.馬氏體的分解

在回火的第一階段100~250oC范圍，中高碳馬氏體將分解為由含碳量過飽和的ω(C)=0.2~0.3%的α相和與之共格的ε亞穩(wěn)碳化物組成的回火馬氏體；ω(C)≤0.2%的低碳馬氏體不發(fā)生馬氏體分解，碳原子將繼續(xù)偏聚而不析出。

。

6高碳馬氏體的分解：

1）高碳馬氏體的雙相分解

回火溫度在125~150oC以下，高碳馬氏體以雙相分解的方式進(jìn)行分解。隨著ε?Fe2.4C碳化物的不斷析出，出現(xiàn)兩種正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原始碳含量且未分解的馬氏體α相以及具有低正方度的已析出部分碳的α相。在分解過程中，始終存在這兩種含碳量不同的α相，且兩種相的含碳量不發(fā)生改變。

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2）高碳馬氏體的單相分解

回火溫度在150~300oC范圍內(nèi)，碳原子活動能力提高，能進(jìn)行較長距離的擴(kuò)散。因此隨著回火保溫時間延長，ε碳化物可以從較遠(yuǎn)處獲得碳原子而長大，馬氏體的碳濃度連續(xù)不斷下降，不會出現(xiàn)兩種碳濃度截然不同的α相，即所謂的連續(xù)式分解。

低碳馬氏體的分解：含碳量低于0.2%的板條馬氏體在100~200oC之間回火時沒有ε碳化物析出，碳原子仍然偏聚在位錯線附近。當(dāng)回火溫度超過200oC時，才有可能通過單相分解析出碳化物。8中碳鋼馬氏體的分解：中碳鋼在正常淬火時得到低碳板條位錯馬氏體與高碳片狀孿晶馬氏體的混合組織，因此回火時也兼具低碳馬氏體與高碳馬氏體的分解特征。

隨著回火溫度升高，固溶于體心正方馬氏體中的過飽和碳不斷以彌散微小的亞穩(wěn)碳化物的形式析出，使得馬氏體的碳含量不斷下降，最終變成體心立方馬氏體。93.殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變

在回火的第二階段，即200~300oC范圍內(nèi)，將發(fā)生殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。含碳量大于0.4%的鋼中的殘余奧氏體或者在Ms點(diǎn)以上溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，或者在Ms以下的溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。含碳量低于0.4%的鋼淬火后不出現(xiàn)殘余奧氏體，因而不存在殘余奧氏體轉(zhuǎn)變問題。

104.滲碳體的形成在回火的第三階段，即250~400oC范圍內(nèi)，將有滲碳體（θ碳化物）形成，α相的含碳量逐漸降至0.1%以下，位錯重新排列，密度下降，孿晶逐漸消失，但仍保持馬氏體外形。

碳含量低于0.2%的低碳馬氏體200oC以上回火時，將在碳偏聚區(qū)直接析出θ碳化物；

高碳馬氏體在250oC以上回火時，將通過ε碳化物和χ碳化物等亞穩(wěn)碳化物的轉(zhuǎn)化，在(112)a’和(110)a’晶面上及馬氏體晶界上形成穩(wěn)定的碳化物（θ碳化物）。

115.α相回復(fù)再結(jié)晶和碳化物的聚集長大在回火的第四階段，即高于400oC范圍內(nèi)，α相基體將發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，片狀滲碳體也將逐漸球化并聚集長大，殘余內(nèi)應(yīng)力大幅度消失。

隨回火溫度升高，碳化物不斷析出，致使α固溶體的含碳量接近于平衡，即鐵素體開始回復(fù)?；貜?fù)過程中，位錯通過滑移和攀移而消失，位錯密度下降，剩余位錯重新排列形成二維位錯網(wǎng)，構(gòu)成亞晶粒的晶界。

回火溫度高于

500oC

以后，α相含碳量達(dá)到平衡，鐵素體由板條或片狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，此為鐵素體的再結(jié)晶。

12當(dāng)回火溫度高于600oC時將發(fā)生再結(jié)晶而使片狀特征消失，形成多邊形的鐵素體，此時滲碳體也聚集成較大的顆粒。

當(dāng)回火溫度升高至400oC以上時，已脫離共格關(guān)系的滲碳體開始明顯地聚集長大，最終形成粒狀滲碳體。高于600oC回火時，細(xì)粒狀滲碳體迅速聚集粗化。1314第二節(jié)碳鋼回火后的力學(xué)性能淬火鋼回火后，隨回火溫度不同，其機(jī)械性能將發(fā)生變化，這是顯微組織變化的結(jié)果。由右圖可見，不同碳含量鋼隨著回火溫度升高，鋼的硬度連續(xù)降低。但高碳鋼在100oC左右回火時，硬度略有提高。高碳鋼低溫會后峰值的出現(xiàn)是由于碳原子的偏聚和ε碳化物的共格析出造成的。15三種不同碳含量的鋼隨著回火溫度升高，強(qiáng)度和硬度都下降，但延伸率和斷面收縮率則提高。16第三節(jié)合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響

合金元素對鋼的回火轉(zhuǎn)變以及回火后的組織和性能都有很大影響，可歸納為：1）延緩鋼的軟化，提高鋼的回火抗力；2）引起二次硬化現(xiàn)象；3）影響鋼的回火脆性。171.回火抗力的提高

鋼抵抗回火硬度降低的能力成為回火抗力。合金元素一般都能提高鋼的回火抗力。

由圖可見，在回火溫度和時間相同情況下，合金鋼回火后的硬度要比含碳量相同的碳鋼高，表明合金元素提高了剛的回火抗力。18

合金元素提高回火抗力的原因包括以下幾點(diǎn)：

1）大多數(shù)合金元素（特別是強(qiáng)碳化物形成元素）降低碳原子的擴(kuò)散速度，從而降低馬氏體的分解速度；2）有的非碳化物形成元素（如Ni,P等）溶入馬氏體增強(qiáng)固溶強(qiáng)化作用，使得馬氏體不易分解；3）有的非碳化物形成元素（如Si,Co等）溶入ε碳化物使之更穩(wěn)定，推遲其向滲碳體的轉(zhuǎn)變；4）有的碳化物形成元素（如Cr等）溶入滲碳體使之不易聚集長大，有的碳化物形成元素（如Mo,W,V,Ti,Nb）等形成細(xì)小特殊合金碳化物使硬度提高。192.二次淬火

當(dāng)鋼中存在較多合金元素時，淬火后將產(chǎn)生大量殘余奧氏體。如果回火保溫時殘余奧氏體沒有分解，在隨后的冷卻中，殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，這一現(xiàn)象稱為二次淬火。

奧氏體熱穩(wěn)定化可以通過回火加以消除。將淬火零件加熱到某一溫度進(jìn)行回火，如在回火過程中殘余奧氏體未發(fā)生分解，則在回火后的冷卻過程中殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即回火使得殘余奧氏體恢復(fù)了轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的能力。這一現(xiàn)象稱為反穩(wěn)定化或催化。20

W18Cr4V高速鋼在淬火冷至室溫過程中，將產(chǎn)生奧氏體熱穩(wěn)定化，Ms點(diǎn)降低到室溫以下，殘余奧氏體可高達(dá)23%。淬火后在560oC回火，回火溫度正處于高速鋼的珠光體與貝氏體轉(zhuǎn)變之間的奧氏體穩(wěn)定區(qū)，故在回火時殘余奧氏體不分解，但在回火冷卻過程中部分殘余奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，同時前一次回火形成的二次淬火馬氏體得到回火。3~4次560oC每次1h的回火即可使殘余奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。213.二次硬化

一些高合金鋼在一次或多次回火后硬度上升的現(xiàn)象，稱為二次硬化。二次硬化主要是由于碳化物的彌散析出所致，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體的二次淬火也起到了重要作用。22

二次硬化效應(yīng)的大小取決于引起二次硬化的合金碳化物的種類、數(shù)量、大小和形態(tài)。

有明顯二次硬化效應(yīng)的合金碳化物是M2C和MC型碳化物。Mo,W,V,Ti,Nb等元素均能形成M2C和MC型碳化物，故有明顯的二次硬化效應(yīng)。

能夠引起二次硬化的合金碳化物的量決定于馬氏體的成分。

合金碳化物越細(xì)小越穩(wěn)定，則強(qiáng)化效應(yīng)越大。

同時加入多種碳化物形成元素可使析出顆粒更小，密度更大，而所用合金元素總量還有所下降。234.合金鋼回火時碳化物的轉(zhuǎn)變合金鋼淬火馬氏體回火時，隨著回火溫度的升高或回火時間的延長，碳原子也會從馬氏體中不斷析出形成亞穩(wěn)碳化物，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體；與此同時，合金元素將在α

基體和滲碳體之間重新分配，非碳化物形成元素不斷向α

相中富集，碳化物形成元素不斷向滲碳體中擴(kuò)散，使?jié)B碳體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹辖饾B碳體。

合金鋼淬火馬氏體回火時碳化物的轉(zhuǎn)變順序可能為：

ε

碳化物→滲碳體→合金滲碳體→亞穩(wěn)特殊碳化物→穩(wěn)定合金碳化物。24合金鋼回火時能否形成亞穩(wěn)特殊碳化物和特殊碳化物以及形成何種亞穩(wěn)特殊碳化物和特殊碳化物，取決于所含合金元素的性質(zhì)和含量、碳或氮的含量以及回火溫度和時間等條件。25（4）多元合金馬氏體的脫溶比較復(fù)雜，難以理論處理。回火時特殊碳化物也是按照原位轉(zhuǎn)變和獨(dú)立核長大兩種機(jī)制轉(zhuǎn)變的。26第四節(jié)回火脆性回火脆性：工件淬火后在某些溫度區(qū)間回火產(chǎn)生的脆性。鋼在淬火后進(jìn)行回火的目的是降低脆性，提高韌性。但隨回火溫度的升高，強(qiáng)度和硬度的降低，鋼的沖勁韌度并不是單調(diào)上升。在200~350oC之間和450~650oC之間出現(xiàn)兩個低谷。在這兩溫度區(qū)間回火，硬度下降，同時沖擊韌度不但未升高，反而顯著下降。

271.第一類回火脆性

1）第一類回火脆性的主要特征及影響因素

工件淬火后在200~350oC回火時產(chǎn)生的脆性稱為第一類回火脆性，又稱不可逆回火脆性、低溫回火脆性。

如果出現(xiàn)第一類回火脆性后再加熱到更高溫度回火，可以將脆性消除，使沖勁入讀重新升高。此時若在200~350oC溫度范圍內(nèi)回火時將不再產(chǎn)生這種脆性，因此第一類回火脆性是不可逆的。28第一類回火脆性的特點(diǎn)是：1）只要在此溫度內(nèi)回火，其韌性的降低是無法避免的；2）具有不可逆性，即將已產(chǎn)生這種脆性的工件愛更高溫度回火后，其脆性消失。再在此溫度回火，脆性將不會重現(xiàn)；3）脆性出現(xiàn)同時，不會影響其它力學(xué)性能變化。

幾乎所有鋼都存在第一類回火脆性。29影響第一類回火脆性的主要因素是化學(xué)成分：1）有害雜質(zhì)元素，包括S,P,As,Sn,Sb,Cu,N,H,O等；2）促進(jìn)第一類回火脆的元素，如Mn,Si,Cr,Ni,V,C等；3）減弱第一類回火脆性的元素，如Mo,W,Ti,Al等。

除了化學(xué)成分外，影響第一類回火脆性的因素還有奧氏體晶粒的大小以及殘余奧氏體量的多少。奧氏體晶粒越細(xì)，第一類回火脆越弱；殘余奧氏體量越多則越嚴(yán)重。30

2）第一類回火脆性形成機(jī)理

目前對第一類回火脆性的形成機(jī)理的認(rèn)識尚未完全統(tǒng)一。三種理論：片狀碳化物沉淀理論；雜質(zhì)元素晶界偏聚理論；殘余奧氏體薄膜分解理論，三種理論各有自己的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。

一般認(rèn)為，第一類回脆性主要是由于馬氏體復(fù)分解所形成的χ-Fe5C2和θ-Fe3C片狀碳化物薄膜沿板條馬氏體的條界、束界和群界或在片狀馬氏體的孿晶帶和原奧氏體晶界上析出所導(dǎo)致。

雜質(zhì)元素P,Sn,Sb,As等偏聚晶界，促進(jìn)了回火脆性的發(fā)展。313）防止或減輕第一類回火脆性的方法

目前尚不能完全消除第一類回火脆性，減輕第一類回火脆性的方法包括：

1）降低鋼中雜質(zhì)元素含量；2）用Al脫氧或加入Nb,Ti,V等元素細(xì)化奧氏體晶粒；3）加入Mo,W等能減輕第一類回火脆性的合金元素；4）加入Cr,Si以調(diào)整發(fā)生第一類回火脆性的溫度范圍，使之避開所需的回火溫度；5）采用等溫淬火代替淬火加高溫回火。322.第二類回火脆性

含有Cr,Mn,Cr-Ni等元素的合金鋼工件淬火后，在脆化溫度區(qū)（450~650oC）回火，或在更高溫度回火后緩慢冷卻所產(chǎn)生的脆性，稱為第二類回火脆性，又稱可逆回火脆性、高溫回火脆性。1）第一類回火脆性的主要特點(diǎn)

第一個特點(diǎn)是第二類回火脆性的產(chǎn)生與回火后的冷卻速度有關(guān)?；鼗鸷笕绻炖洌ㄋ浠蛴屠洌?，不出現(xiàn)回火脆性，如果慢冷（空冷），則出現(xiàn)回火脆性。

33第二個也是最重要的特點(diǎn)是第二類回火脆性的過程可逆。如果將已出現(xiàn)第二類回火脆性的鋼重新加熱回火并快速冷卻到室溫，則可以消除回火脆性，使沖擊韌度升高，恢復(fù)到韌化狀態(tài)。如果將回火脆性已消除的鋼重新在第二類回火脆性溫度范圍內(nèi)加熱回火并緩慢冷卻，那么它又會再次脆化，這就是第二類回火脆性稱為可逆回火脆性的原因。

第三個特點(diǎn)是出現(xiàn)第二類回火脆性時，斷口呈沿晶斷裂。這表明第二類回火脆性與原奧氏體晶界上存在的某些雜質(zhì)元素有密切關(guān)系。

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2）影響第二類回火脆性的因素1）化學(xué)成分影響

雜質(zhì)元素，如P,Sn,Sb,As,B,S等，第二類回火脆主要是由這些雜質(zhì)元素引起的。但當(dāng)鋼中不含Ni,Cr,Mn,Si等合金元素時，這些雜質(zhì)元素的存在不會引起第二類回火脆性。

促進(jìn)第二類回火脆性的合金元素，如Ni,Cr,Mn,Si,C等。這些元素單獨(dú)存在時也不會引起第二類回火脆性，必須與雜質(zhì)元素同時存在才會引起第二類回火脆性。

扼制第二類回火脆性的元素，如Mo,W,V,Ti。往鋼中加入這類元素可以扼制和減輕第二類回火脆性。352）熱處理工藝參數(shù)的影響

回火溫度一定時，隨等溫時間延長，脆化程度增加。

第二類回火脆性不僅與回火溫度及時間有關(guān)，更主要的是與回火后的冷速有關(guān)。緩冷使得脆性增加。3）組織因素的影響

不論鋼具有何種原始組織均有第二類回火脆性。馬氏體的回火脆性最嚴(yán)重，貝氏體次之，珠光體最輕。

第二類回火脆性與奧氏體晶粒度有關(guān)，奧氏體晶粒越細(xì)，第二類回火脆性越輕。36

3）第二類回火脆性形成機(jī)理

一般認(rèn)為，第二類回火脆性是由P,Sn,Sb和As等各種雜質(zhì)在晶界的偏聚所引起的，Mn,Cr,Ni等合金元素則導(dǎo)致了雜質(zhì)元素的偏聚。

鋼呈現(xiàn)第二類回火脆性時，沿原奧氏體晶界的極薄層內(nèi)偏聚了某些合金元素以及雜質(zhì)元素，且回火脆化傾向隨雜質(zhì)元素在原始奧氏體晶界上偏聚程度的增大而增大。37促進(jìn)第二類回火脆性的合金元素與雜質(zhì)元素的親和力適中，在回火時其本身也向晶界偏聚，同時將雜質(zhì)元素帶至晶界，引起脆化；抑制第二類回火脆性的合金元素與雜質(zhì)親和力很大，在晶內(nèi)就形成穩(wěn)定的化合物而析出，故能起到凈化晶界的作用而抑制回火脆性的發(fā)生；若合金元素與雜質(zhì)元素親和力不大，即使其向晶界偏聚，也不會將雜質(zhì)元素帶至晶界，故不會引起脆化。這就是雜質(zhì)晶界偏聚理論。384）防止和減輕第二類回火脆性的方法

1）選用高純度鋼，降低鋼中雜質(zhì)元素含量；2）用加入適量的能扼制第二類回火脆性的合金元素Mo,W等；3）加入能細(xì)化奧氏體晶粒的元素，如Nb,V,Ti等，細(xì)化奧氏體晶粒，增加晶界面積，減低單位面積雜質(zhì)元素偏聚量；4）避免在450~650oC范圍內(nèi)回火，在650oC以上回火后應(yīng)采取快冷；5）對亞共析鋼采用亞溫淬火方法，淬火加熱時，使P元素溶入殘留的α相中，降低P在奧氏體晶界的偏聚。6）采用形變熱處理方法，細(xì)化奧氏體晶粒并使晶界呈鋸齒狀，增大晶界面積，減輕回火時雜質(zhì)元素向晶界的偏聚。39第五節(jié)鋼的回火工藝一般來說，淬火鋼都要進(jìn)行回火，原因在于：1）通常情況下，工件淬火后強(qiáng)度與硬度雖有很大提高，但塑性和韌性明顯下降；2）淬火組織處于亞穩(wěn)態(tài)，具有自發(fā)的向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢，因而將引起工件性能和尺寸穩(wěn)定性的改變；3）淬火鋼通常具有很大的內(nèi)應(yīng)力，有可能引起工件的變形甚至開裂。

401.回火溫度的確定鋼回火后的性能主要取決于回火溫度

1）根據(jù)鋼的回火溫度—硬度曲線或圖來確定回火溫度；2）采用經(jīng)驗(yàn)公式來確定回火溫度，如對于碳素結(jié)構(gòu)鋼，回火溫度可參考下列公式：

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