搜索
111.2钢中的回火转变回火就是在淬火处理后将工件加热到低于临界点的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的一种热处理操作。回火的目的是为了获得所需要的稳定组织和性能，并消除或减少淬火内应力。井式回火炉2钢件淬火M或M+A残，在室温下这两种组织都处于亚稳状态，F+碳化物(稳定状态)。加热到某一温度并保温，将加速由亚稳状态稳定状态的转变过程。实质上，钢在回火时所发生的马氏体分解以及二次硬化现象等也是一种过饱和固溶体的脱溶过程。3回火温度对性能的影响411.2.1淬火碳钢回火时的组织转变可将淬火碳钢的回火转变按回火温度为如下几个阶段。回火过程中的各种转变，往往不是单独发生，而是相互重叠的。1．马氏体中碳原子偏聚（前期阶段）2．马氏体分解（第一阶段转变）3．残余奥氏体转变（第二阶段转变）4．碳化物析出与转变（第三阶段转变）5．α相状态变化及碳化物聚集长大（第四阶段转变）51．马氏体中碳原子偏聚（前期阶段，亦称预备阶段或时效阶段）回火温度在80～100℃以下。在此阶段，从金相组织和硬度上都观察不到明显变化，但此时在马氏体中发生C原子的偏聚。6马氏体是C在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，C原子分布在体心立方点阵的扁八面体间隙位置，使晶体点阵产生严重的弹性变形，加之晶体点阵中的微观缺陷较多，因此使马氏体的能量较高，处于不稳定状态。7C原子在马氏体点阵中的可能位置是分布在α-Fe体心立方单胞的各棱边中央和面心位置。8在室温附近，Fe及合金元素原子都难以扩散迁移，但C、N等间隙原子尚能作短距离扩散。当C、N原子扩散到上述微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。因此处于不稳定状态的淬火马氏体在室温附近，甚至在更低温度下停留时，C、N原子可以作一定距离的迁移，出现C、N原子向微观缺陷处的偏聚现象。9板条状马氏体的亚结构为大量位错，C原子倾向于在位错线附近偏聚，形成C的偏聚区，导致马氏体弹性畸变能下降。由于马氏体中的C原子分布在正常间隙位置时比偏聚在位错线附近时的电阻率高，因此可通过测定淬火钢的电阻率变化来间接地推测C原子的偏聚行为。对于板条状马氏体：10将不同碳含量的薄片试样在真空加热后淬入冰盐水并立即移至液氮中以避免在冷却过程中析出碳化物，在-196℃测定其电阻率变化，结果如图11.14所示。可见，以0.2％碳含量为界可以将电阻率的变化分为两个区域。碳含量小于0.2％时，随马氏体中的碳含量增加，电阻率增加较慢，与完全偏聚状态（150℃回火10天）非常接近。这表明大部分碳原子都已经偏聚于位错等晶体缺陷处，所以对电阻率的影响不大。11图11.14淬火Fe-C合金电阻率与碳含量的关系12而当碳含量超过0.2％时，偏聚于位错等晶体缺陷处的碳原子已经达到饱和状态，多余的碳原子只能处于无缺陷晶格的扁八面体间隙位置，即处于非偏聚状态，从而导致对电阻率有较大贡献。用碳原子在晶体缺陷处偏聚的观点能够较圆满地解释碳含量小于0.2％时，马氏体不呈现正方度，为立方点阵结构，而当碳含量高于0.2％时，才可能测出正方度的现象。“海龟”与“海待”13片状马氏体的亚结构主要是孪晶，可被利用的低能量位错很少，因此除少量C原子可以向位错偏聚外，大量C原子可能在某些孪晶界面上富集，形成厚度和直径均小于1nm的小片状富碳区。随着马氏体中的碳含量增多，所形成的富碳区数量增多。富碳区的形成将使马氏体的电阻率以及硬度有所提高。对于片状马氏体：142．马氏体分解（回火第一阶段转变）回火温度在80～250℃之间。随着回火温度升高以及回火时间延长，富集区的碳原子将发生有序化，继而转变为碳化物而析出，即马氏体发生分解。随着碳化物的析出，马氏体中的碳含量不断降低，点阵常数c减小，a增大，正方度c/a减小。15马氏体的点阵结构及其畸变C原子在马氏体点阵中的可能位置是分布在α-Fe体心立方单胞的各棱边中央和面心位置。16马氏体分解1）高碳马氏体的分解（1）马氏体的双相分解（2）马氏体的单相分解2）低碳马氏体的分解171）高碳马氏体的分解对于1.4%C的高碳马氏体，当回火温度低于125℃时，α相呈现两种正方度，即由于碳化物析出，同时出现碳含量不同的两种α相：一种与未经回火的淬火高碳马氏体接近（c/a=1.062～1.054），碳含量为1.4%～1.2%；另一种为低碳马氏体（c/a=1.012～1.013），碳含量为0.27%～0.29%。（如表11.2所示）。18表11.2高碳（1.4%C）马氏体正方度和碳含量及回火温度的关系回火温度,℃回火时间a,Åc,Åc/aC%室温10年2.8462.880,3.021.012,1.0620.27,1.41001h2.8462.882,3.021.013,1.0540.29,1.21251h2.8462.8861.0130.291501h2.8522.8861.0120.271751h2.8572.8841.0090.212001h2.8592.8781.0060.142251h2.8612.8721.0040.082501h2.8632.8701.0030.0619当回火温度高于125℃时，α相的正方度只有一种，即只存在一种α相，而且随回火温度升高，c/a逐渐减小，α相中碳含量逐渐降低。这表明，由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方式，即双相分解和单相分解。20（1）马氏体的双相分解回火温度在125～150℃以下，马氏体以双相分解方式进行分解。此时，随着碳化物的析出，出现两种正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原始碳含量的未分解的马氏体以及具有低正方度的碳已部分析出的α相。随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种α相的碳含量均不发生改变，只是高碳区愈来愈少，而低碳区愈来愈多。（图11.15）21图11.15马氏体双相分解示意图蚕食22在碳原子富集区，经过有序化后析出碳化物晶核并依靠周围α相提供的碳原子长大成碳化物颗粒。由于碳化物的析出，在其周围出现低碳（C1）的α相，而远处的α相仍保持原有碳含量C0，如图11.16所示。23图11.16马氏体双相分解时碳的分布“远水不解近渴”型24由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散，已经析出的碳化物不能继续长大。马氏体的继续分解只能依靠在其它高碳区析出新的碳化物颗粒，并在其周围形成新的低碳区。随着分解过程进行，高碳区愈来愈少，低碳区愈来愈多。当高碳区完全消失时双相分解即告结束。此时，α相的平均碳含量降至C1。低碳区的C1与马氏体原始C0及分解温度无关，为一恒定值，约为0.25%～0.30%。25表11.3不同温度回火时马氏体的半分解期温度,℃020406080100120时间340年6.4年2.5月3天8小时50分钟8分钟双相分解的速度与温度有关，温度愈高，分解速度就愈快。经计算得出在不同温度下马氏体分解一半所需时间，如表11.3所示。可见，提高温度将使高碳马氏体的双相分解速度大大加快。26（2）马氏体的单相分解回火温度高于125～150℃时，马氏体将以单相分解亦即连续分解方式进行分解。此时，碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散。因此，已经析出的碳化物有可能从较远区域获得碳原子而长大，α相内的碳浓度梯度也可以通过碳原子的扩散而消除。27所以，在分解过程中不再存在两种不同碳含量的α相，α相的碳含量及正方度随分解过程的进行不断下降。当温度达到300℃时，正方度c/a接近1，此时α相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解过程基本结束。282）低碳马氏体的分解低碳钢的Ms点较高，在淬火形成马氏体的过程中，除了可能发生碳原子向位错的偏聚外，在最先形成的马氏体中还可能发生自回火，析出碳化物。钢的Ms点愈高，淬火冷却速度愈慢，则自回火析出的碳化物就愈多。29自回火回顾：理论计算和电阻分析都表明，马氏体在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可以通过原子扩散而产生时效强化。在-60℃以上温度，时效就能进行，发生C原子偏聚和析出从而产生时效强化作用。因此，对于在-60℃以上形成的含碳马氏体都可能发生时效强化，即所谓的马氏体自回火现象。30淬火后在100～200℃之间回火时，低碳板条状马氏体不析出碳化物，C原子仍然偏聚在位错线附近，这是由于C原子偏聚的能量状态低于析出碳化物的能量状态。当回火温度高于200℃时，才有可能通过单相分解析出碳化物，使α基体中的碳含量降低。31综上所述，在此阶段，随着回火温度的升高，固溶于正方马氏体中的过饱和碳不断以微小碳化物（ε-碳化物，后述）的形式析出，使马氏体的碳含量不断下降，最终变成立方马氏体，并且立方马氏体的碳含量与淬火钢的碳含量无关。32如图11.17所示，原始碳含量不同的马氏体，随着碳化物的不断析出，在高于200℃以后其碳含量趋于一致。马氏体经过分解后获得的立方马氏体+ε-碳化物的混合组织称为回火马氏体。33图11.17不同碳含量马氏体回火时碳浓度的变化34中碳钢在正常淬火时得到板条位错马氏体与片状孪晶马氏体的混合组织，故回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征。353．残余奥氏体转变（回火第二阶段转变）回火温度在200～300℃之间。此阶段是残余奥氏体向低碳马氏体(～0.25％C)和ε-碳化物分解的过程，所得组织为回火马氏体。钢淬火后的残余奥氏体量主要取决于钢的化学成分。36残余奥氏体本质上与过冷奥氏体相同，过冷奥氏体可能发生的转变，残余奥氏体都可能发生。但与过冷奥氏体相比，已经发生的转变将给残余奥氏体带来化学成分上以及物理状态上的变化，如塑性变形、弹性畸变以及热稳定化等等，这些因素都会影响残余奥氏体的转变动力学。37残余奥氏体转变1）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变2）残余奥氏体向马氏体的转变（1）等温转变成马氏体（2）二次淬火381）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变将淬火钢加热到Ms点以上、A1点以下各个温度等温保持，残余奥氏体在高温区将转变为珠光体，在中温区将转变为贝氏体。Fe-0.7C-1Cr-3Ni钢中残余奥氏体的等温转变动力学曲线如图11.18所示，图中虚线为过冷奥氏体，实线为残余奥氏体。39图11.18Fe-0.7C-1Cr-3Ni钢奥氏体等温转变动力学图40可见，两者的等温转变动力学曲线十分相似，但一定量马氏体的存在促进残余奥氏体转变，尤其使贝氏体转变显著加速。此时的贝氏体均在马氏体与残余奥氏体的交界面上形核，故马氏体的存在增加了贝氏体的形核部位，从而使贝氏体转变加速。41（1）等温转变成马氏体若将淬火钢加热到低于Ms点的某一温度等温保持，则残余奥氏体有可能等温转变成马氏体。实验证实，此时在Ms点以下发生的转变是受马氏体分解所控制的马氏体等温转变，即在已形成的马氏体发生分解以后，残余奥氏体才能等温转变为马氏体。42（2）二次淬火如前所述，淬火时冷却中断或冷速较慢均将发生奥氏体热稳定化现象。奥氏体热稳定化现象可以通过回火加以消除。将淬火钢加热到较高温度回火，若残余奥氏体比较稳定，在回火保温时未发生分解，则在回火后的冷却过程中将转变为马氏体。这种在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为“二次淬火”。43二次淬火现象的出现与回火工艺密切相关。例如，淬火高速钢中存在大量残余奥氏体，560℃加热保温后在冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体，即在560℃保温过程中发生了某种催化，提高了残余奥氏体的Ms点，增强了向马氏体转变的能力。若在560℃回火后冷至250℃停留5分钟，残余奥氏体又将变得稳定，在冷至室温过程中不再发生转变。即在250℃保温过程中发生了反催化（稳定化），降低了残余奥氏体的Ms点，减弱了向马氏体转变的能力。上述这种催化与稳定化可以反复进行多次。44基于上述现象，可以认为这种催化是热稳定化的逆过程。在奥氏体中存在位错等晶体缺陷并固溶有C、N等间隙原子。在250℃保温过程中，为了降低畸变能，C、N原子进入位错区形成原子气团并对位错起钉扎作用，从而增大了相变阻力，起到了稳定化作用。45若将处于稳定化状态的残余奥氏体再加热至560℃保温，为了增加熵以降低系统自由能，C、N原子将从位错逸出而使原子气团“蒸发”，从而减小相变阻力，起到催化（反稳定化）作用。即C、N