6淬火钢在回火时的组织转变.doc

6淬火钢在回火时的组织转变概述：一、 回火定义：经淬火硬化的钢被加热至A1以下的某一温度，保温一段时间，然后以适当的冷速冷却至室温，这一工艺过程称回火二、 回火的目的1. 消除淬火应力，淬火应力（组织应力、热应力）s变形，b时引起裂纹，残余应力使钢的脆性上升2. 改善钢的韧性和塑性，使片状M中的Sv，使M正方度下降，内应力（晶格间）3.调整钢的力性指标4.稳定组织，稳定尺寸，使ARk；ARMM回B下6-1碳钢的淬火组织在回火时发生的转变钢中含碳量不同时，钢在淬火后的组织也不尽相同当0.8C 75M片+M板+AR1.0C 100M片+AR淬火组织为亚稳定组织，及相对稳定状态亚稳状态，一个系统内除可以出现一个稳定状态外，其他任何事件还可能发生，这种状态称之为亚稳状态，它是系统本身强制作用形成的，在一定条件下可转变为稳定状态淬火钢被重新加热（回火）时，随加热温度升高，其比容和体积均发生变化，说明系统有组织转变发生，而且不同温度阶段有不同变化发生，这是钢从亚温状态向稳定状态变化的过程一、 碳原子的偏聚 淬火时M的C、N原子被强制溶入相中，位于体心立方点阵（或体心正方点阵）的扁八面体间隙中心位置，使点阵畸变，使系统的能量上升，而处于不稳定状态另一方面淬火M中存在大量的缺陷，也使其处于不稳定状态在室温附近，Me和Fe原子已经不能扩散，但C、N原子尚可以做短距离扩散，计算表明在0时，在一分钟内C、N可以迁移2埃的距离由于间隙造成的应力场与晶体缺陷造成的应力场相互作用，C、N原子扩散到这些微观晶体缺陷处，可是系统的能量降低C、N原子发生偏聚偏聚，M中的C、N原子在一定的温度下向点阵缺陷处聚积的过程，成为C、N原子的偏聚，偏聚过程是一个自发过程，可以表示为C+C它是可逆过程，过程的方向取决于当时的系统能量状态1. 板条M中碳原子的偏聚发生温度范围，室温250，约在250基本完成，碳原子有相当强的扩散能力，板条M的亚结构为位错，发生C+C，可使系统能量下降发生偏聚的条件：当不具备从M中直接析出k的条件时，（例如C低或加热温度低）；或是形成碳化物的稳定性低于形成偏聚区时，偏聚可能发生在淬火的过程中，也可能发生在淬火后室温停留或回火过程当中性质：碳原子偏聚发生在固溶体内部，M仍为单相，而非析出状态影响偏聚过程的因素碳的偏聚时C原子向位错线附近扩散过程，因此偏聚过程与碳原子的扩散能力，M位错密度，及M中碳的含量有关a.马氏体中的位错密度增大，C发生的可能性增大、b.当T升高时，D C升高，C往位错扩散，产生偏聚区，但温度过高，C的扩散能力很强，会使偏聚区的碳原子脱离，即“蒸发”，使偏聚区消失c.当M中碳含量1碳含量0.2%,碳偏聚位置饱和，多余的碳原子存在于M中，故c/a10.2%正好是M中c/a最低碳含量M的自回火当M中C为0.2%时，Ms300，当A被冷却至Ms点时，将发生AM板,冷却过程一方面T下降，M板增多，另一方面，碳原子发生偏聚，至室温时90%偏聚M的自回火：淬火中M的碳原子在自然条件下，发生重新分布，完成偏聚过程2. 片状M中碳原子的偏聚温度范围20-100偏聚区的位置 首先为位错线，其次为晶界，孪晶区110M晶界上偏聚区的尺寸，1.0%C,偏聚在孪晶面的C原子组成一片片小富集区二、 M的分解 使单相M组织低碳M+k的两相组织，随着回火温度，碳原子将发生有序化转变，形成碳化物1. 板条M的分解当80，M片中的偏聚区形成细小片状-k，碳的扩散可以使-k长大（-k）Fe2.5C,由于T低，DC小，（）-k附近很小范围内做短距离扩散，扩散使（）-k长大，使其周围的M含碳量下降，形成M,在较远的地方仍为高碳M,即测量时，分别是两种正方度M,当T，-k不断增加长大，是高碳M继续分解，直到高碳区域全部消失故称为双相分解M的含碳量与M的原始碳含量及分解温度无关，为恒定值0.25-0.3%片状M的连续分解当T150, DC，M区分部整个片，使c/a变为一致，碳原子可做远距离扩散，-k可以从较远处M获得C原子长大；当T=300，M的c/a=1，此时M+（）-k组织，称为回火M,M分解完成，-k的位置即为原偏聚区，其惯习面（100）M，且与M保持共格和一定的位向关系影响M分解速度的因素i回火时间的影响250分解是在碳原子偏聚区和M板条边界形成-k小薄片，并与母相共格，当温度为300-400，-k长大到一定尺寸，因共格畸变能太大，使其与母相的共格关系遭到破坏，成为与母相非共格关系的渗碳体，也就是从母相中析出2.片状M 回火时碳化物的转化I当0.4-0.6%时，250，（）-k溶入M中，分别在112M析出与母相共格的-k400-500时，-k脱离母相，形成渗碳体350时，中含碳量为0.2%，接近平衡成分II C%0.6%250, （）-k重新溶解，在112M析出-k(Fe5C2)350-450, -k有两种去向原位析出，在-k形核长大，形成-k与母相共格离位析出112M -k溶入M中，另在111M面上析出-k450，-k脱离与共格形成cm3.影响转化因素温度和回火时间见图T -k（）+（）+ 转化温度下降Me成分不同影响-k稳定化程度，从而影响k的转化温度Me含量低时，碳化物形成元素，Ti、Zr、Ni、V、W、Mo、Cr（P94）使Dc，推迟转化，移向高温其中Si溶入-k，提高其稳定性，使-k溶解温度由250提高到350四、碳化物聚积球化和长大温度范围（400-700）对一般的碳钢（Me含量低时），400,原子扩散Q,脱离母相共格为cm，开始球化当颗粒大小不均一，小颗粒周围的母相溶解速度大，大颗粒周围相的溶解速度小，导致小颗粒溶解，大颗粒长大聚积长大从界面能考虑，小颗粒的界面相对多，使界面能升高，聚积大颗粒后，使相界面下降，界面能下降，系统总能量下降当k呈针状，杆状，层片状，由于各处曲率半径不同，而使周围的溶解度不同，尖角处溶解，平滑处长大，直至曲率半径相同，k呈球形由化学位考虑，直到？当T回600,聚积球化过程加快Me的存在将强烈推迟k聚积长大的过程Si溶入-k但不溶于-k，形成高Si墙五、相的回复与再结晶1.相的回复与再结晶的驱动力相变硬化使晶体的缺陷增多，使位错密度增多，使孪晶增多淬火应力：组织应力、热应力k与母相共格造成晶格间应力（引起点阵畸变造成内应力）2. 低碳板条M回火时相回复与再结（400-700）相回复，温度范围（400-500）当T400时，相发生回复，位错密度下降，位错包消失，发生？，位错线排成网络，但仍保持原M的轮廓，此时得到的组织称为回火屈氏体，即板条M轮廓+其上细小k当T500-600时，板条轮廓逐渐消失，逐渐形成等轴晶，此时位错密度更低，此时组织为等轴的晶粒+其上细小分布粒状k为回火索氏体，当温度升高时，相晶粒将长大（粗化）3.片状M中相的回复与再结晶相的回复（250-500）250回火时，M片中的孪晶开始消失，出现位错线，位错包。400回火时，M片中的孪晶全部消失，500回火时，M片中形成多边化亚晶，但仍保持M片的轮廓组织为+细小k，回火屈氏体 (P96)相的再结晶（600-700）600回火时，M片消失，位错密度很低的等轴晶粒组织为等轴晶粒+粒状k，称为回火屈氏体因为M片一般为高碳，回火时析出的k数量多，k有阻碍相再结晶过程的作用，固其再结晶温度范围比低中碳钢略高4、当Me加入钢中将使相回复再结晶发生温度范围提高，将延缓回复再结晶过程的进行六、残余奥氏体的转变1、 残余奥氏体转变特点AR与过冷奥氏体相比所处的应力状态不同AR三向应力状态，由AM,AR被加工硬化成分不同，如B转变时，AR高碳,M转变时AR高碳AR转变产物当T200(ms)时，ARMM当T=200-300时，ARB下以上两种产物在显微镜下均呈黑色针状，统称为回火M当T300，残余奥氏体基本分解完成AR与过冷奥氏体在筒温度下分解相比，转变方式相同，但ARB下时所需孕育期较短，转变速度快，因为M的存在可加速B的转变回火过程中合金元素对AR转变的影响存在于AR中的Me使AR稳定性升高，AR的分解温度上升，当Me含量很高时，甚至要在等温后或在回火后冷却时才能转变为M，B下,或P二次淬火现象 当A中Me的含量高时，过冷的A稳定性升高，淬火后含有较多的AR，回火时AR向M的转变量多，可使钢的硬度提高2-3HRC，且AR是在回火冷却过程中转变为M,故称为二次淬火二次淬火：钢中AR在回火冷却过程当中转变为M，使钢的硬度上升的现象例如W18Cr4V 560三次回火使AR降为最低总之：M和AR在回火时的转变可用下图表示七、回火时内应力的消除1.钢淬火后的组织中的内应力，因其产生的原因不同，可将其分为组织应力和热应力，按其分布不同，可将其分为三类。 （P96） 第一类内应力：由于工件淬火时各部分的温度不一致或相变不同时而造成工件上宏观区域的内应力，又称为宏观应力，它往往是造成工件在淬火冷却或室温放置时变形开裂的重要原因内1 第二类内应力：分布于各晶粒之间的或各亚晶之间的内应力内2 第三类内应力：由于C、N等间隙原子是过饱和状态，固溶于基体中使机体金属的点阵发生畸变而产生的内应力内3分布于晶胞之内的应力通常将第二三类应力统称为微观应力2.回火过程中内应力的消除，以碳钢在淬火回火时内应力的变化为例第三类内应力的消除，T回=100-300时,M分解，k析出,M中含碳量下降，间隙原子造成的畸变程度下降，内应力随之下降，直到M的分解完成，第三类内应力基本消除第二类内应力消除，300随k转化脱离母相共格开始迅速下降当T=500时，由于相回复而基本消除第一类内应力的消除，随回火温度上升，而逐渐得到消除回火过程应力变化规律开始回火半小时，内应力，而后缓慢下降，延长保温时间对一定温度内应力为一定值即钢中总存在一定的残余应力T回温度越低，组织保留的残余应力越高。八、淬火钢回火时力学性能的变化1碳钢低碳钢回火时力学性能变化P172，图7-26T回300, -k数量增多，并逐渐脱离共格，使HB，强度（bs sk）T回=400-700,k聚积长大，球化，回复再结晶，使硬度强度下降，塑韧性上升高碳钢（0.6%C）M片+AR P173图7-28T回80，只有碳原子偏聚，各种性能变化不大T回500时，发生回复，T回600，发生再结晶使硬度进一步下降，、，各类内应力基本消除。高碳钢M中微裂纹在回火过程中将得到填合T回200时，因M发生双相分解，（）-k析出，内3显著下降，而使微裂纹敏感度Sv又，但最后仍有较大的裂纹存在，Sv，ak中碳钢，混合M符合上述分析的规律总的说随回火温度的提高，硬度下降T回200，由于残奥少，转变少，因此转变显示不出对硬度的影响，但s、e有所提高，约300时，e0.2达峰值，当T回300，硬度强度都下降，而、不断上升2合金钢淬火后回火时力学性能变化回火稳定:淬火钢在回火时抵抗强度硬度下降的能力称为回火稳定性回火稳定性的提高I随T回升高，硬度下降幅度较少II随T回升高，硬度下降的速度较小在生产上意义重大Me对回火稳定性的影响300,强碳化物形成元素作用明显，阻碍k的聚积长大，阻碍回复再结晶两种钢的硬度相同，则合金钢的回火温度高于碳钢 二次硬化二次硬化：淬火钢如含有足够的强k形成元素，回火时析出特殊碳化物弥散的分布于相中，并与相保持共格，造成共格界面的严重畸变，使钢的硬度提高的现象能使钢产生二次硬化的碳化物类型,Mo2C Mo6C W2C W6C VC TiC等若回火温度过高会使k发生聚积长大，则钢的硬度会下降3.回火脆性（回火在一定温度下发生韧性下降）第一类回火脆性250-400回火，韧性下降特点：I几乎所有工业用钢均会出现第一类回火脆性II具备不可逆性，把出现回火脆性的钢加热至足够高的温度保温冷却至室温，脆性消失，再将加热至出现第一类回火脆性的温度回火，不再出现回火脆性影响因素i成分：杂质，P、As、Sb、Cu、H、O、N 促进 B、Si、Mn、Cr、Ni 促进 Si+Cr 使脆性温度上升 Mo、W、Ti、Al 减轻抑制ii组织因素A晶粒粗大，AR数量增多，使脆性严重第一类回火脆性形成机理a、AR转变理论 250-400回火ARM，故塑性相减少，脆性相增多，产生脆性，更高温回火，AR发生完转变，再回火不发生脆性不可逆性b、k薄壳理论，（250-400）回火时恰好是-k（-k）-k温度范围，因沿晶界有k薄壳出现，割裂机体组织，故产生脆性，T回，-k脱离母相聚积球化，故脆性消失，再回火时不发生脆性c、晶界偏聚理论杂质主要分布在A晶界，发生偏聚使晶界强度下降，导致沿晶断裂产生脆性，Si、Mn、Cr、Ni促进偏聚，促进脆性产生；Mo、W、Ti等阻碍偏聚，抑制回火脆性产生减轻防止第一类回火脆性的方法i 钢中杂质尽量少II 加入强碳化物形成元素（Mo、W、Ti等）或用Al脱氧细化晶粒III Si+Ni加入使回火脆性温度上升IV 避免在此温度区回火V 防止晶粒粗大第二类回火脆性1.主要特点：较高的温度回火缓慢通过450-600引起脆化高温脆性2.具有可逆性，对出现此种回火脆性的钢重新加热至该温度范围回火，快冷脆性消失，慢冷又会出现3.影响因素不含Me碳钢和低碳合金钢不产生二回脆钢中含有Si、Mn、Cr、Ni时，微量杂质元素引起二回脆在Cr-Ni钢Sb危害大；CrMn钢中，P的危害大适量加入Mo、W、V及Re可以抑制二回脆，高了反而促进。原因：W、Ti使C的扩散激活能升高，减少偏聚组织因素：A粗大促进机理i脆性相析出理论：氯化物、碳化物、磷化物脆性相沿晶界析出产生脆性，回火后慢冷，T,C、N溶解度下降，析出脆性相，快冷