回火及回火脆性

1、精品文档i欢迎下载回火脆性!回火temperi ng将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度， 保 温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。钢铁工件 在淬火后具有以下特点：得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等 不平衡（即不稳定）组织。存在较大内应力。力学性能不能满足 要求。因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。作用 回火的作用在于：提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。 消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。调整钢铁的力学性能以满足使用要求。回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增 强，钢铁中的

2、铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实 现原子的重 新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳 定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一 般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提 高。回火温度越高，这些 力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度 范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。要求 用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250C以下 进行低温回火。低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有精品文档2欢迎下载提高。弹簧在350500

3、C下中温回火，可获得较高的弹性和必要 的韧性。中碳结构钢制作的零件通常在500600C进行高温回火， 以获得适宜的强度与韧性的良好 配合。淬火加高温回火的热处理工 艺总称为调质。钢在300C左右回火时，常使其脆性增大，这种现象称为第一 类回火脆性。一般不应在这个温度区间回火。 某些中碳合金结构钢在 高温回火后，如果缓慢冷至室温，也易于变脆。这种现象称为第二类回火脆性。在钢中加入钼，或回火时在油或水中冷却，都可以防止 第二类回火脆性。将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温 度，便可以消除这种 脆性。回火temperi ng将淬火成 马氏体的钢加热到临界点A1以下某个温度，保温适当 时间，再冷

4、到室温的一种热处理工艺。回火的目的在于消除淬火应力， 使钢的组织转变为相对稳定状态。在不降低或适当降低钢的硬度和强度的条件下改善钢的塑性和韧性，以获得所希望的性能。中碳和高碳钢淬火后通常硬度很高，但很脆，一般需经回火处理才能使用。钢 中的淬火马氏体，是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结 构，其正方度c/a随含碳量的增加而增大(c/a=1+0.045wt%C)。马氏体组 织在热力学上是不稳定的，有向稳定组织过渡的趋势。许多钢 淬火后还有一定量的残留奥氏体， 也是不稳定的，回火过程中将发生 转变。因此，回火过精品文档3欢迎下载程本质上是在 一定温度范围内加热粹火钢，使 钢中的热力学不稳定

5、组织结构向稳定状态过渡的复杂转变过程。转变的内容和形式则视淬火钢的化学成分和组织，以及加热温度而有所不同（见马氏体相变。碳钢的回火过程 淬火碳钢回火过程中的组织转变对于各种钢来说都有代表性。回火过程包括马氏体分解，碳化物的析出、转化、聚集和长大，铁素体回复和再结晶，残留奥氏体分解等四类反应。低、中碳钢回火过程中的转变示意地归纳在图1中。根据它们的反应温度，可描述为相互交叠的四个阶段。第一阶段回火（250C以下）马氏体在室温是不稳定的，填隙的 碳原子可以在马氏体内进行缓慢的移动，产生某种程度的碳偏聚。随 着回火温度的升高，马氏体开始分解，在中、高碳钢中沉淀出 -碳 化物（图2）,马氏体的正方度减

6、小。高碳钢在50100C回火后观 察到的硬度增高现象，就是由于 -碳化物在马氏体中产生沉淀硬化 的结果（见脱溶）。-碳化物具有密排六方结构，呈狭条状或细棒 状，和基体有一定的取向关系。初生的-碳化物很可能和基体保持 共格。在250C回火后，马氏体内仍保持含碳约0.25%。含碳低于0.2%的马氏体在200C以下回火时不发生-碳化物沉淀，只有碳的 偏聚，而在更高的温度回火则直接分解出渗碳体。第二阶段回火（200300C）残留奥氏体转变。回火到200300C的温度范围，淬火钢中原来没有完全转变的残留奥氏体，此时 将会发生分解，形成贝氏体组织。在中碳和高碳钢中这个转变比较精品文档4欢迎下载明显。含碳低

7、于0.4%的碳钢和低合金钢，由于残留奥氏体量很少，所以这一转变基本上可以忽略不计。第三阶段回火（200350C）马氏体分解完成，正方度消失。-碳化物转化为渗碳体（Fe3C）。这一转化是通过碳化物的溶解和 渗碳体重新形核长大方式进行的。最初形成的渗碳体和基体保持严格 的取向关系。渗碳体往往在 -碳化物和基体的界面上、马氏体界面 上、高碳马氏体片中的孪晶界上和原始奥氏体晶粒界上形核（图3）。形成的渗碳体开始时呈薄膜状，然后逐渐球化成为颗粒状的Fe3C第四阶段回火（350700C）渗碳体球化和长大，铁素体回复和 再结晶。渗碳体从400C开始球化，600C以后发生集聚性长大。过 程进行中，较小的渗碳体

8、颗粒溶于基体，而将碳输送给选择生长的较大颗粒。位于马氏体晶界和原始奥氏体晶粒间界上的碳化物颗粒球 化和长大的速度最快，因为在这些区域扩散容易得多。铁素体在350600C发生回复过程。此时在低碳和中碳钢中， 板条马氏体的板条内和板条界上的位错通过合并和重新排列，使位错密度显著降低，并形成和原马氏体内板条束密切关联的长条状铁素 体晶粒。原始马氏体板条界可保持稳定到600C;在高碳钢中，针状 马氏体内孪晶消失而形成的铁素体，此时也仍然保持其针状形貌。在600700C间铁素体内发生明显的再结晶，形成了等轴铁素体晶粒。此后，Fe3C颗粒不断变粗，铁素体晶粒逐渐长大。合金元素的影响 对一般回火过程的影响

9、合金元素硅能推迟碳 化物的形核精品文档5欢迎下载和长大，并有力地阻滞-碳化物转变为渗碳体；钢中加 入2%左右硅可以使e-碳化物保持到400C。在碳钢中，马氏体的 正方度于300C基本消失，而含Cr、Mo W V、Ti和Si等元素的 钢，在450C甚至500C回火后仍能保持一定的正方度。说明这些元 素能推迟铁碳过饱和固溶体的分解。反之，Mn和Ni促进这个分解过程（见合金钢）。合金元素对淬火后的残留奥氏体量也有很大影响。残留奥氏体围绕马氏体板条成细网络；经300C回火后这些奥氏体分解，在板条界 产生渗碳体薄膜。 残留奥 氏体含量高时， 这种连续薄膜很可能是造 成回火马氏体脆性（300350C）的原

10、因之一。合金元素，尤其是Cr、Si、W Mo等，进入渗碳体结构内，把 渗碳体颗粒粗化温度由350400C提高到500550C，从而抑制回火软化过程，同时也阻碍铁素 体的晶粒长大。特殊碳化物和次生硬化 当钢中存在浓度足够高的强碳化物形成 元素时，在温度为450650C范围内，能取代渗碳体而形成它们自 己的特殊碳化物。形成特殊碳化物时需要合金元素的 扩散和再分配，而这些元素在铁中的扩散系数比CN等元素要低几个数量级。因此 在形核长大前需要一定的温度条件。 基于同样理由，这些特殊碳化物的长大速度 很低。在450650C形成的高度弥散的特殊碳化物，即 使长期回火后仍保持其弥散性。图4表明，在45065

11、0C之间合金 碳化物的形成对基体产生强化 作用，使钢的硬度重新升高，出现峰值。这一现象称为次生硬化精品文档6欢迎下载钢在回火后的性能 淬火钢回火后的性能取决于它的内部显微组 织；钢的显微组织又随其化学成分、淬火工艺及回火工艺而异。碳钢 在100250C之间回火后能获得较好的力学性 能。合金结构钢在200700C之间回火后的力学性能的典型变化如图5所示。从图5可以看出，随着回火温度的升高，钢的抗拉强度（7 b单调下降；屈服强度70.3先稍升高而后降低；断面收缩率和伸长率5不断改 善；韧性（用断裂韧度K1c为指标）总的趋势是上升，但在300400C之间和500550C之间出现两个极小值，相应地被称

12、为低温回火脆 性与 高温回火脆性。因此，为了获得良好的综合力学性能，合金结 构钢往往在三个不同温度范围回火：超高强度钢约在200300C;弹 簧钢在460C附近；调质 钢在550650C回火。碳素及合金工具钢 要求具有高硬度和高强度，回火温度一般不超过200C。回火时具有 次生硬化的合金结构钢、模具钢和高速钢等都在500650C范围内回火。回火脆性 是回火中必须注意的问题:低温回火脆性 许多合金钢淬火成马氏体后在250400C回火中 发生的脆化现象。已经发生的脆化不能用重新加热的方法消除，因此又称为不可逆回火脆性。引起低温回火脆 性的原因已作了大量研究。 普遍认为，淬火钢在250400C范围内

13、回火时，渗碳体在原奥氏体 晶界或在马氏体界面上精品文档7欢迎下载析出，形成薄壳，是导致低温回火脆性的主要原因。钢中加入一定量的硅，推迟回火时渗碳体的形成，可提高发生低温回火脆性的温度，所以含硅的超高强度钢可在300320C回火而不发生脆化，有利于改进综合力学性能。高温回火脆性 许多合金钢淬火后在500550C之间回火,或在600C以上温度回火后以缓慢的冷却速度通过500550C区间时发生 的脆化现象。如果重新加热到600C以上温度后快速冷却，可以恢复 韧性，因此又称为可逆回火脆性。已经证明，钢中P、Sn Sb As等杂质元素在500550C温度向原奥氏体晶 界偏聚，导致高温回火脆性;Ni、Mn

14、等元素可以和P、Sb等杂质元素发生晶界协同偏聚(cosegregation),Cr元素则又促进这种协同偏聚，所以这些元素都加剧钢的高温回火脆性。相反，钼与磷交互作用，阻碍磷在晶界的偏 聚，可以减轻高温回火脆性。稀土元素也有类似的作用。钢在600C以上温度回火后快速冷却可以抑止磷的偏析，在热处理操作中常用来避免发生高温回火脆性。淬火钢回火时，随着回火温度的升高，通常其强度，硬度降低，而塑性， 韧性提高。但在某些温度范围内回火时，钢的冲击韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。因此，一般不在250350度进行回火，这就是因为淬火钢在这个温 度范围内回火时要发生回火脆性。这种回火脆

15、性称为低温回火脆性或 第一类回火脆性。产生低温回火脆性的原因，目前还不十分清楚。一般认为是由于碳化 物以断续的薄片状沿马氏体片或马氏体条的界面析出所造成的。这种精品文档8欢迎下载硬而脆的薄片碳化物与马氏体间的结合较弱，降低了马氏体晶界处的强度，因而使冲击韧性反而下降。凡是淬成马氏体的钢均有这类脆性，具有不可逆性。400550C发生的回火脆性经快速冷却可以消除。Mn钢、Cr钢、Cr-Mn钢、Cr-Ni钢等钢易发生第二类回火脆性。补充一下，常用材料的回火脆性温度范围钢号第一类回火脆性第二类回火脆性30Mn225035050055020MnV30036025Mn2V25035051061035SiM

16、n50065020Mn 2B 25035045M n2B45055015MnVB 25035020MnVB 200260520左右40MnVB 20035050060040Cr30037045065038CrSi25035045055035CrMo 250400无明显脆性20Cr MnM o25350精品文档9欢迎下载30Cr Mn Ti40045030CrMnSi 25038046065020CrNi3A 250350450550 12CrNi4A 25035037CrNi3 30040048055040CrNiMo 300400一般无脆性38CrMoAIA30（450无脆性70Si3 Mn

17、 A 4004254506005Mn 60Si2 Mn50CrVA 200300 4CrW2Si 2503505CrW2Si 3004006CrW2Si 300450MnCrWV 250左右4SiCrV6003Cr2W8V5506509SiCr210250CrWMn2503009Mn 2V190230T8T12200300GCr152002401Cr135205604Cr9Si2有回火脆性精品文档10欢迎下载2Cr134505606007503Cr133505506007501Cr17Ni2 400580 1#tegong3333回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。回火脆性：淬火钢在回

18、火时，随着回火温度的升高，硬度降低，韧性升高，但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了 两个低谷，一个在200400C之间，另一个在450650C之间。随回 火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象，回火脆性可分为第一类回 火脆性和第二类回火脆性。第一类回火脆性第一类回火脆性又称不可逆回火脆性， 低温回火脆性，主要发生 在回火温度为250400C时，特征（1）具有不可逆性；（2）与回火后的冷却速度无关；（3）断口 为沿晶脆性断口。1、产生的原因三种观点：（1）残余A转变理论2）碳化物析出理论（3）杂质偏聚理论2、防止方法精品文档11欢迎下载无法消除,不在这个温度范围内回火，没有能够有效抑制产生这 种回火脆性的合金元素（1）降低钢中杂质元素的含量；（2）用Al脱氧或加入Nb V、Ti等合金元素细化A晶粒；（3）加入Mo W等可以减轻；（4）加入Cr、Si调整温度范围（推向高温）；（5）采用等温淬火代替淬火回火工艺。第二类回火脆性第二类回火脆性又称可逆回火脆性， 高温回火脆性。发生的温度 在400650C,特征（1）具有可逆性；（2）与回火后的冷却速度有关；回火保温后，缓冷出现，快冷 不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。（3）与组织状态无关，但以M的脆化倾向