8-2材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第八章 淬火与

返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT8.2回火回火——将淬火零件重新加热到低于临界点A1某一温度保温，使淬火亚稳组织转变为稳定的回火组织，并以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺过程。回火目的：提高淬火钢塑性和韧性，降低其脆性；降低或消除淬火引起的残余应力；稳定尺寸返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一、回火时钢的组织转变随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：•马氏体中碳原子偏聚（100℃以下）•马氏体的分解（100～250℃）产物：M回•残余奥氏体的转变（200～300℃）产物：M回（主要）+B下（微量）•碳化物析出和转变（250～400℃）产物：T回•α相状态变化及碳化物聚集长大（400℃)产物：S回返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一、回火时组织转变按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生，而是相互重叠的。1.碳原子偏聚（时效阶段）——(100℃以下)由于淬火马氏体为过饱和固溶体，组织中有大量亚结构。位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近孪晶马氏体，低温下C、N原子短程扩散聚集到某一晶面返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（1）高碳马氏体分解a.马氏体双相分解（100～150℃）当温度低于150℃时，回火后可出现两种不同正方度的M。2.马氏体分解（100--250℃）回火温度℃回火时间acc/a碳含量(%)室温10d2.8463.021.0621.41001h2.8463.021.0621.21251h2.8462.8861.0130.291501h2.8522.8861.0120.271751h2.8572.8841.0090.212001h2.8592.8781.0060.142251h2.8612.8741.0040.082501h2.8632.8721.0030.06含碳1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT双相分解机制：a)在碳原子的富集区，形成碳化物核，周围碳原子的扩散促使其长大。但由于温度低，进行的仅仅是近程扩散，从而形成具有二个浓度的α相，析出的碳化物粒子也不易长大。b)在高碳区继续形成新核，随时间延长，高碳区逐渐变成低碳区，高碳区减少。c)低碳区增多，平均成分将至0.250.3%，与原始碳量、分解温度无关。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTb.马氏体单相分解（150--250℃）当温度高于150℃时，碳原子扩散能力加大，α相中不同浓度可通过长程扩散消除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳原子而长大。故在分解过程中，不再存在两种不同碳含量的α相，碳含量和正方度不断下降，当温度达300℃时，正方度c/a接近1。（1）高碳马氏体分解2.马氏体分解（100--250℃）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（2）低碳及中碳马氏体的分解低碳钢及中碳钢MS点高，淬火过程中会发生碳原子偏聚及碳化物析出，这一特征称为自回火。淬火后，在150℃回火时，不再发生碳化物的析出。当回火温度高于200℃时，发生单相分解析出碳化物。中碳钢正常淬火得到板条与片状马氏体的混合组织，并有低碳、高碳马氏体特征。2.马氏体分解（100--250℃）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT总之，这一阶段转变完成后，钢的组织是由有一定过饱和度的α固溶体和与其有共格关系的ε碳化物所组成的复相混合组织，称为回火马氏体(如图)。M→M回（α’＋ε-碳化物）在普通金相显微镜下，观察不出回火马氏体中的ε碳化物。回火马氏体在形态上与淬火马氏体相似，但回火马氏体易腐蚀，呈黑色组织。产物：回火马氏体。性能：保留高硬度返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT20钢980℃淬火+200℃回火组织（400倍）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTT12钢1100℃淬火+200℃回火组织（400倍）M回+Ar返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTT12钢780℃淬火+200℃回火组织（400倍）M回+碳化物+Ar返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTε碳化物返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3.残余奥氏体分解（200--300℃）在200～300℃之间,钢中的残余奥氏体将发生分解，转变为回火马氏体或下贝氏体。其转变可用下式表示：Ar→M回或B下（α’＋碳化物）碳化物可能是ε－FexC，也可能是Fe3C。钢淬火后的残余奥氏体，与过冷奥氏体同属亚稳组织，但二者仍有不同点，如：(1)已发生的转变会对残奥氏体带来影响，如马氏体条间的残余奥氏体含碳量就大大高于平均含碳量，已转变的马氏体会使残奥处于三向压应力状态等。(2)回火过程中，马氏体将继续转变，这必然影响到残余奥氏体的转变。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT回火屈氏体4.碳化物的转变（250--400℃）亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在。高碳钢：MM+εM+ε+χM+ε+χ+θM+χ+θM+θ（稳定的回火屈氏体）中碳钢：MM+εM+θ（稳定的回火屈氏体）低碳钢：M位错处偏聚M+θ（稳定的回火屈氏体）产物：回火屈氏体（饱和α相＋细小粒状渗碳体）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT综上所述1.板条马氏体马氏体中的碳原子全部析出，在原马氏体内或晶界上析出渗碳体。α相仍保持原M的形态。2.片状马氏体ε碳化物溶解，形成χ碳化物（χ—Fe5C2），χ碳化物再转变成渗碳体。χ碳化物仍与基体保持共格关系。渗碳体与基体无共格关系。α相中的孪晶亚结构消失。这一阶段转变完成后,钢的组织由饱和的针状α相和细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为回火屈氏体。回火屈氏体仍保持原马氏体的形态，但模糊不清。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT5.α相状态变化和碳化物聚集长大（400--700℃）主要发生如下变化：内应力消除：宏观区域性内应力（工件内外），550℃全部消除；微观区域性内应力（晶粒之间），500℃基本消除；晶格弹性畸变应力（碳过饱和），ε转变完即消除。回复与再结晶：回火使亚结构（位错、孪晶）消失；板条和片状马氏体特征保留（回复）、消失（再结晶）。碳化物聚集长大：原棒状、片状、粒状渗碳体消失、溶解，并逐渐球化长大，越来越粗大。产物：等轴状铁素体＋均匀的球状碳化物——回火索氏体。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT回火索氏体返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT回火组织（M回、T回、S回）比较返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT回火组织（M回、T回、S回）比较返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTT8钢的回火组织（M回、T回、S回）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT问题：1、回火组织M回、T回、S回的性能有何差别？2、T回与T、S回与S，在组织和性能上有何差别？返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二、回火组织机械性能回火组织机械性能取决于回火组织返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT硬度返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT强度返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结钢在回火时力学性能变化如下：（1）硬度：回火时硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而下降但低、中碳钢在250℃以下回火硬度下降不多，高碳钢在100℃回火时硬度略有上升，出现一个峰值。250℃以上回火硬度持续下降。（2）强度和塑性：回火时强度变化的趋势是随回火温度的升高，强度（σb、σs、SK）不断下降，塑性（δ、ψ）不断升高。但低温回火时强度略有上升，塑性基本不变。弹性极限σe在300～400℃有一峰值。（3）韧性：回火时韧性变化的趋势是随回火温度的升高，韧性升高，但合金钢的韧性升高是不连续的，在T-aK和T-KIC曲线上出现两个谷值，即回火脆性。（4）高碳钢淬火裂纹：回火时可发生自动“焊合”，消除或减少裂纹。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化：•马氏体中碳原子偏聚（100℃以下）•马氏体的分解（100～250℃）产物：M回•残余奥氏体的转变（200～300℃）产物：M回（主要）+B下（微量）•碳化物析出和转变（250～400℃）产物：T回•α相状态变化及碳化物聚集长大（400℃)产物：S回返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT三、合金元素对回火的影响合金元素对钢回火时组织转变的影响表现在：1.延缓钢的软化，提高钢的回火抗力；2.引起二次硬化现象；3.影响钢的回火脆性。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT1、提高钢的回火抗力返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT1.提高钢的回火抗力Me对低温回火的影响较小中、高温下，Me阻碍碳的扩散，显著提高了马氏体的分解温度。Me可阻止碳化物长大和F等轴化，延缓了硬度的下降。发生二次淬火现象。某些高合金钢（如高速钢）中的Ar十分稳定，在回火加热时Ar发生部分分解，导致Ar稳定性下降，在随后的快速冷却过程中剩余的Ar转变为马氏体，使钢的硬度有较大提高，这种现象称为二次淬火。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2、引起二次硬化定义：某些淬火钢在500～650℃回火后硬度又增加的现象。本质：合金碳化物的弥散强化意义：红硬性、高温强度返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTMo钢中碳化物在550℃时产生二次硬化。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT高速钢三次560℃回火，在560℃回火时,产生二次硬化返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT合金钢回火时碳化物析出序列返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT四、回火脆性在某些温度区间回火时，钢的韧性显著下降的现象。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT第一类（低温）回火脆性:是指淬火钢在250-400℃回火时出现的脆性。特征:不可逆；与冷速无关，与回火时间无关。当出现了第一类回火脆性后，再加热到较高温度回火，可将脆性消除；如再在此温度范围回火，就不会出现这种脆性。故称之为不可逆回火脆性。只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。除弹簧钢之外，其它零件淬火后应避免在250〜400℃回火。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT第二类（高温）回火脆性：（450〜650℃）是指淬火钢在450-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中，特征:可逆性，与冷速有关（快冷不产生），与回火时间有关（回火时间、脆性增加），预防措施：（1）高温回火后，在水中快速冷却。一般适用于较小截面的零件。（2）加入降低回火脆性倾向的元素Mo或W。适用大截面零件或合金钢(如Cr-Ni钢等)。影响因