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耿林哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学基础（材料相变原理）第6章淬火钢回火时的转变回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度，保温一定时间，使淬火钢组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工艺。钢淬火后的组织主要是马氏体和残余奥氏体，它们在室温下都是不稳定组织，有向铁素体加渗碳体的稳定态组织转变的趋势。室温下原子不易运动，转变不能完成，加热后转变可以发生。回火处理的目的是稳定组织，降低应力，改善性能。第6章淬火钢回火时的转变淬火碳钢回火时，比容逐渐减小，体积缩小：马氏体－－回火马氏体－－回火索氏体残余奥氏体比容最小，如果残余奥氏体分解，将使比容增大，体积膨胀。6.1淬火钢回火时的组织转变一、淬火钢回火时的组织转变概况淬火钢回火时，随着回火温度升高和时间的延长，将发生以下几种转变：①前期阶段：马氏体中碳的偏聚；②第一阶段：马氏体分解；③第二阶段：残余奥氏体的转变；④第三阶段：碳化物的转变；⑤后期阶段：渗碳体长大及铁素体回复与再结晶第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程淬火马氏体高能量的主要原因：碳原子在扁八面体间隙，过饱和，马氏体中高密度晶体缺陷。在80－100℃回火时，铁原子不能扩散，碳原子可以通过短距离扩散，在马氏体微观缺陷的间隙处偏聚，减低马氏体的能量。板条状马氏体中存在大量位错，碳原子偏聚于位错线附近的间隙位置；片状马氏体亚结构为孪晶，碳原子在马氏体的某些晶面上直接偏聚。碳原子在位错线上偏聚将导致淬火钢电阻率下降；碳原子在某些晶面上偏聚，形成片状富碳区，将使淬火钢的电阻率提高、硬度上升。可以通过测量电阻率的变化，反映淬火钢碳原子偏聚现象。1马氏体中碳原子的偏聚（回火前期阶段）第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程在80－170℃回火时，随回火温度升高，析出碳化物，马氏体碳含量下降，正方度降低。高碳钢在这一温度范围内以下回火时，马氏体分解析出ε-FexC化合物，马氏体的晶体结构变回体心立方，含碳量降至0.25%。这种体心立方马氏体与ε-FexC化合物的混合组织称为回火马氏体。含碳量小于0.2%的板条马氏体在淬火冷却时已发生自回火，碳原子已经偏聚，200℃以下不析出碳化物。2马氏体分解（回火第一阶段）回火马氏体组织ε-FexC化合物是尺寸非常细小的亚稳定碳化物，x=2-3，随温度升高，它将向稳定的Fe3C渗碳体转变。在回火马氏体中，马氏体仍然保持针状形态。第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程含碳量大于0.4%的碳钢淬火后，组织中含有一定量的残余奥氏体，在250－300℃温度区间回火时，这些残余奥氏体将发生分解。随回火温度升高，残余奥氏体数量逐渐减少。残余奥氏体在250－300℃的分解产物为过饱和铁素体和ε－碳化物的机械混合物，也可称为回火马氏体或下贝氏体。3残余奥氏体的转变（回火第二阶段）与过冷奥氏体相比，残余奥氏体中弹性畸变能较高，转变曲线相近，但有差别：残余奥氏体向贝氏体转变速度加快，向珠光体转变速度减慢。在珠光体和贝氏体两种转变之间，存在一个残余奥氏体的稳定区。含碳量1.1%的铬钢两种奥氏体等温转变图第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程在250－400℃回火时，马氏体中过饱和碳原子全部脱溶，生成比ε－碳化物更为稳定的碳化物。4碳化物的转变（回火第三阶段）含碳量大于0.4%的碳钢淬火后，250℃以上温度回火时，ε－碳化物逐渐溶解，析出较为稳定的χ－碳化物（Fe5C2）；温度继续升高，开始析出稳定的θ－碳化物（Fe3C渗碳体）。淬火高碳钢回火时碳化物转变示意图第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程碳含量小于0.4%的马氏体回火时不形成χ－碳化物；小于0.2%时，不析出ε－碳化物，直接形成θ－碳化物。4碳化物的转变（回火第三阶段）当回火温度升高到400℃时，淬火马氏体完全分解，但铁素体仍保持针状，碳化物全部变为θ－碳化物。这种由针状铁素体和与其无共格关系的细小渗碳体组成的机械混合物，称为回火屈氏体。回火屈氏体第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程淬火板条马氏体回火温度高于400℃时，铁素体相开始发生回复，位错胞和胞内位错线逐渐消失，晶内位错密度下降，剩余位错重新排列，形成二维网络，构成亚晶粒，但铁素体相仍具有板条状特征。回火温度达到600℃时，铁素体发生再结晶，由位错密度很低的等轴状晶粒逐渐取代板条状晶粒。片状马氏体回火温度高于250℃时，马氏体孪晶亚结构消失，出现位错网络，400℃时，孪晶全部消失，铁素体发生回复，600℃时发生再结晶。5α相状态的变化及碳化物聚集长大（回火后期阶段）第6章淬火钢回火时的转变6.1淬火钢回火时的组织转变二、淬火碳钢的回火转变过程淬火钢在500－650℃回火时，渗碳体聚集成较大颗粒，马氏体针状形态消除，形成多边形铁素体，这种铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体。5α相状态的变化及碳化物聚集长大（回火后期阶段）回火温度达到300℃时，碳原子从铁素体中析出，第三类内应力得到消除；350℃时，铁素体回复，第二类内应力下降；500－600℃，第一类内应力消除。回火索氏体第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响一、合金元素对马氏体分解的影响合金元素通过影响碳的扩散而影响马氏体的分解。强碳化物形成元素于碳的结合能力强，提高碳在马氏体中的扩散激活能，阻碍碳原子扩散，降低马氏体分解速度。同时，强碳化物形成元素于碳原子结合力很强，将阻碍碳从固溶体中脱溶。这种合金元素阻碍马氏体中碳含量降低和碳化物脱溶，时钢保持高硬度和高强度的性质称为“抗回火性”。非（弱）碳化物形成元素Ni(Mn)与碳的结合力和铁比较相当，所以对马氏体分解影响不大。非碳化物形成元素Si和Co能溶解到ε碳化物中，使ε碳化物稳定，降低碳化物聚集速度，推迟马氏体分解。合金元素可使完全脱溶温度提高100-200℃。第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响二、合金元素对残余奥氏体转变的影响在Ms点以下温度回火时，残余奥氏体将转变为马氏体。在Ms点以上温度回火时，可能发生以下三种转变：(1)残余奥氏体在贝氏体转变温度区域内等温转变为贝氏体。(2)残余奥氏体在珠光体转变温度区域内等温转变为珠光体。(3)残余奥氏体在加热和保温过程中不分解，在随后冷却过程中转变为马氏体，二次淬火。第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响三、合金元素对碳化物转变的影响钢中加入非碳化物形成元素（Cu,Ni,Co,Al,Si），一般可提高碳化物类型的转变温度。钢中加入强碳化物形成元素（Mo,V,W,Ti），不仅可以推迟碳化物类型转变温度，还会发生渗碳体到其它类型的特殊碳化物的转变。一般把渗碳体到特殊碳化物的转变称为回火第四阶段。回火过程中合金元素的重新分配：随回火温度升高，碳化物形成元素不断向渗碳体中扩散，非碳化物形成元素逐渐向α相中扩散。随回火温度升高或保温时间延长，碳化物的转变顺序为：ε碳化物→渗碳体→合金化渗碳体→亚稳特殊碳化物→稳定特殊碳化物第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响三、合金元素对碳化物转变的影响钢中是否形成特殊碳化物，取决于碳含量和合金元素含量及性质，同时碳取决于回火温度和保温时间。合金钢在回火过程中，由渗碳体转变为特殊碳化物时，通常都使通过亚稳定碳化物再转变为稳定碳化物。回火时特殊碳化物的形成由两种形成机制：原位转变：碳化物形成元素首先在渗碳体中富集，当其浓度超过合金渗碳体的溶解度极限时，渗碳体的点阵就改组成特殊碳化物点阵。独立形核长大：直接从α相中析出特殊碳化物，并同时伴有合金渗碳体的溶解。第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响四、回火时的二次硬化与二次淬火当钢中含有强碳化物形成元素时，将减弱软化倾向，继续提高回火温度，将析出特殊碳化物，导致钢的再次硬化，称为二次硬化。二次硬化是由弥散细小的特殊碳化物在位错区沉淀析出造成的。这些特殊碳化物呈针状或薄片状，与α相保持共格关系。对二次硬化有贡献的因素是：特殊碳化物的弥散度、α相中的位错密度和碳化物与α相之间的共格畸变等。提高钢的二次硬化效应的途径：(1)提高钢中位错密度，增加特殊碳化物形核部位，增大碳化物弥散度。(2)钢中加入某些合金元素，减慢合金元素扩散，抑制细小碳化物长大。第6章淬火钢回火时的转变6.2合金元素对回火转变的影响四、回火时的二次硬化与二次淬火当残余奥氏体比较稳定，在较高温度回火加热保温时未发生分解，而在随后的冷却过程中发生马氏体转变。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”。高速钢利用二次淬火，可以提高硬度、耐磨性和尺寸稳定性。在回火温度发生反稳定化，碳原子气团蒸发，相变阻力减小。五、合金元素对α相回复和再结晶的影响合金元素能延缓α相的回复和再结晶过程，合金含量越高，延缓作用越强第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化一、硬度淬火钢随回火温度的升高，硬度连续下降。碳含量较高时，在100℃左右由于碳原子偏聚和ε－碳化物析出，使硬度略有升高，在200－300℃回火时，由于残余奥氏体分解为下贝氏体或回火马氏体，硬度下降平缓。回火温度超过300℃后，ε－碳化物转变为渗碳体，渗碳体长大，共格界面破坏，硬度持续下降。钢中合金元素可以减小回火过程硬度下降速度，提高回火稳定性。强碳化物形成元素可以在高温回火时析出弥散的特殊合金碳化物，造成二次硬化。回火温度对硬度的影响第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化二、强度和塑性随回火温度升高，钢的强度不断下降，塑性不断提高。300℃以上回火使钢的塑性提高明显；350℃左右回火时，钢的弹性极限达到极大值。合金元素提高钢的回火稳定性，如果要求轻度相同，合金钢要采用较高的回火温度。三、韧性随回火温度升高，钢的韧性增大，但在250-400℃和450-600℃两个温度范围内可能出现韧性下降现象－回火脆性。第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化四、钢的回火脆性在250－400℃温度范围内回火时出现的脆化现象称为第一类回火脆性，或低温回火脆性。第一类回火脆性的特点：①已经产生回火脆性的工件在更高温度回火时，脆性消失，再在回火脆性温度区间回火，不会重新变脆，不可逆性；②第一类回火脆性与回火后的冷却速度无关；③脆化工件的断口为晶间断裂或穿晶断裂。第一类回火脆性产生原因：碳化物析出状态不良。避免方法：不在发生回火脆性的温度范围内回火。第一类回火脆性第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化四、钢的回火脆性在450－650℃温度范围内回火时出现的脆化现象称为第二类回火脆性，或高温回火脆性。第二类回火脆性的特点：①对冷却速度的敏感性；②可逆性；③脆化工件的断口为晶间断裂。第二类回火脆性敏感度：①韧性状态的冲击韧性（aK1）与脆性状态的冲击韧性（aK2）之比，比值大于1，比值越大，回火脆性倾向越严重。②脆化处理前后脆性转变温度之差（∆θ），回火脆度。产生机制：P等杂质元素在原奥氏体晶界的偏聚。第二类回火脆性第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化四、钢的回火脆性第二类回火脆性的影响因素：①化学成分：需要一定的C含量，C含量极低的钢一般不发生第二类回火脆；P元素增大回火脆敏感性，P含量很低的钢回火脆倾向很小；Cr，Mn，Ni等元素促进杂质元素向晶界偏聚，同时本身也向晶界偏聚，使回火脆性倾向增大；Mo和W元素可抑制杂质元素向晶界偏聚，能够减弱回火脆性倾向。②奥氏体化温度提高，奥氏体晶粒长大，回火脆性增大。第二类回火脆性第6章淬火钢回火时的转变6.3钢在回火时机械性能的变化四、钢的回火脆性第二类回火脆性的预防与减轻方法：①回火快冷，低温去应力退火，工件尺寸小。②在钢中添加Mo元素。③降低钢中P等杂质元素含量。④亚共析钢采用亚温淬火方法。⑤采用