8 回火转变与钢的回火

1、第8章 回火转变与钢的回火1本章主要内容回火过程中的组织变化(5个阶段)回火后力学性能的变化回火脆化现象的产生及其避免回火工艺(3种)8.0 概述回火：将淬火后的钢在A1以下的温度加热、保温，并以适当速度冷却的工艺过程。目的：使淬火得到的亚稳组织转变为稳定的回火组织；提高淬火钢的塑性和韧性，降低脆性；降低或消除淬火引起的残余内应力，稳定尺寸。 8.1 淬火钢在回火时的组织变化淬火钢亚稳组织：马氏体(M)：C在-Fe中呈过饱和，使晶格承受应力。比容最大，储存了部分相变潜热。残余奥氏体(AR)：过冷、承受应力和应变。比容最小，储存了大量相变潜热。淬火钢在回火时的组织转变碳原子的重新分布时效(100

2、以下)；过渡碳化物的沉淀(100300)；AR的分解(200300)； 过渡碳化物转变为Fe3C(200350)；Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成(350以上)。8.1.1 碳原子的重新分布时效阶段(100以下)温度较低，碳原子只能做短程扩散，进行偏聚。(1) 低碳M在位错线附近偏聚亚结构为位错，C原子倾向于偏聚在位错线附近的间隙位置。(2) 高碳M在孪晶界面上聚集亚结构为孪晶，C原子将在一定晶面上聚集，形成富C聚集区。8.1.2 过渡碳化物的析出回火第一阶段(100300)现象：随T，M中C%，晶格常数c ，a，正方度c/a过饱和程度下降。实质：马氏体发生了分解。MM(过饱和+

3、-FexC，含碳量约为0.25%)-FexC(x=23)，HCP结构，与基体马氏体保持共格关系。过渡相。8.1.2 过渡碳化物的析出回火第一阶段(100300)产物：回火马氏体(M)。有一定过饱和度的固溶体(立方马氏体)和与其有共格关系的碳化物所组成的复相混合组织。在普通金相显微镜下，观察不出回火马氏体中的碳化物。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，成黑色组织。性能：保留高硬度。8.1.3 残余奥氏体的分解回火第二阶段(200300)ARM或B下(相+-FexC碳化物)。相的C%：与M在该温度下分解后的C%相近，也与过冷A在该温度下形成的B下的C%相近。-FexC：与相同温

4、度下，M分解或B下中碳化物相似。残余奥氏体与过冷奥氏体钢淬火后的AR，与过冷A同属亚稳组织，本质相同，但AR存在于M之间，受M影响：(1) 马氏体条间的AR含碳量高于平均含碳量，已转变的马氏体会使AR处于三向压应力状态。(使AR在低温较难分解)(2) 回火过程中(T200300)，M分解，对AR压力降低，影响到AR的转变。8.1.4 过渡碳化物转变为Fe3C回火第三阶段(200350)在250400回火时，碳钢M中过饱和的C几乎全部析出，将形成比-FexC更稳定的碳化物-Fe5C2和-Fe3C，其稳定性均高于-FexC。转化是通过-碳化物的溶解和-碳化物重新从马氏体基体中析出的方式完成的。8.

5、1.4 过渡碳化物转变为Fe3C回火第三阶段(200350)(1) 碳化物转变：低温高温低中碳马氏体(C%0.40.6%) (0.2%C钢)中高碳马氏体(C%0.40.6%) 8.1.4 过渡碳化物转变为Fe3C回火第三阶段(200350)(2) 相状态：低温高温低中碳马氏体(C%0.40.6%)初期相与相保持共格关系，但当相长大到一定尺寸及其转变为其他相时，共格关系将被破坏。 碳化物的形态及分布 -FexC转变为其他碳化物时，新生成的碳化物常呈薄片状，若分布在原马氏体晶界上，将引起钢的韧性显著降低。随回火温度升高，片状碳化物将转化为粒状，且会出现小颗粒溶解、大颗粒粗化现象。8.1.4 过渡碳

6、化物转变为Fe3C回火第三阶段(200350)产物：回火屈氏体。由饱和的相和细小片状的渗碳体组成。性能：强度、硬度，塑性、韧性，淬火时晶格畸变所造成的内应力大大消除。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(350以上)(1) 淬火应力的消失 350时，第三类应力(晶格畸变)消除 由于C原子从基体相中析出。350时，第二类应力(微观应力)开始下降，到500基本消除由相回复所致。500600时，第一类应力(宏观应力)接近完全消除(再结晶所致)。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(350以上)(2)相回复与再结晶1) 低碳板条马氏体

7、T400时，开始回复。位错密度下降，板条状形态保持。T600时，开始再结晶。位错密度低的等轴铁素体新晶粒逐步取代板条。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(350以上)(2)相回复与再结晶2) 高碳片状马氏体T250时，孪晶消失，出现位错线。T400时，回复。T600时，开始再结晶。片状特征也消除，得到等轴铁素体。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(350以上)(3) 碳化物聚集长大 长期保温或提高回火温度，使碳化物聚集长大。1) 片、杆状的第二相粒子，各处的曲率半径不同，小半径处易于溶解，而使片、杆断开，并进一步球化。2)

8、 小粒子溶解，大粒子长大。Ostwald熟化机制8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(350以上)产物：回火索氏体。由等轴状铁素体和球状渗碳体所组成的混合物。性能：强度、硬度，塑性、韧性。碳固溶强化作用消失，强度取决于Fe3C质点的尺寸和弥散度。回火温度越高，渗碳体质点越大，弥散度越低，强度越低。淬火碳钢回火组织总结200回火，得到(过饱和C)+碳化物回火马氏体M(碳化物存在于板条或片内) 400回火，得到(饱和C)+碳化物回火屈氏体T(细小碳化物及针状)600回火，得到平衡态等轴+回火索氏体S(细粒碳化物及等轴)8.2 淬火钢回火后机械性能的变化淬火碳钢在回

9、火时，随温度上升，力学性能发生变化，力学性能(包括强度、硬度、塑性、韧性、淬火裂纹等)的变化规律与组织的变化有密切的关系。8.2.1 低碳钢回火后力学性能低碳钢随回火温度的升高，钢的硬度逐渐降低。200回火，强度和塑性降低。渗碳体在板条之间或沿位错线析出，而使钢的强度和塑性降低。300400回火，硬度和强度逐渐降低。400700回火，硬度、强度显著降低，塑性逐渐升高。发生碳化物聚集、长大和球化以及相的回复、再结晶。8.2.1 低碳钢回火后力学性能回火温度对低碳钢韧性的影响有其独特的规律，在400以下，随回火温度的增高，冲击韧性及断裂韧性一般随之而降低。这是由于低碳钢淬火组织，存在大量位错，在低

10、温回火时并不消失。在外力作用下，位错尚有一定的迁移能力，使钢不易产生裂纹，因此钢的韧性较高。在300以上回火时，从M中析出的碳化物，增加了位错运动的阻力，使钢韧性降低。8.2.1 低碳钢回火后力学性能综上所述，低碳钢淬火获得板条M后，经低温回火处理，可以获得较优良的综合机械性能。8.2.2 高碳钢回火后的力学性能高碳钢一般采用不完全淬火，淬火组织为M片+AR+碳化物。300回火，硬度降低，塑性有所上升。碳化物继续析出和随后的聚集长大、球化以及相的回复再结晶。与低碳钢相比，由于高碳钢的碳含量高，回火时析出碳化物的数量较多，经相同温度回火后，钢的硬度仍然较低碳钢为高。高碳钢淬火裂纹在回火时可发生自

11、动“焊合”，消除或减少裂纹。 8.2.2 高碳钢回火后的力学性能结论：高碳钢一般采用不完全淬火，使奥氏体中碳含量在0.5%左右。淬火后低温回火以获高的硬度，并生成大量弥散分布的碳化物以提高耐磨性， 细化奥氏体晶粒。8.2.3 中碳钢回火后的力学性能中碳钢淬火后回火时，当低于200回火，析出少量的碳化物，硬化效果不大，可维持硬度不降。当高于300回火，随回火温度升高，塑性升高，断裂韧性KIC剧增。强度虽然下降，但仍比低碳钢高的多。结论： 中碳钢一般采用高温回火，塑韧性好，强度适中，具有良好的综合力学性能。碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结 (1) 硬度：随回火温度的升高而下降。随回火温度升高，

12、M中C%不断脱溶，固溶强化减弱；碳化物转变并聚集长大，弥散强化减弱；回复再结晶，相变强化减弱(亚结构消失)所致。(2) 强度和塑性：随回火温度升高，强度(b、s)不断下降，塑性(、)不断升高。但低温回火时强度略有上升，塑性基本不变。碳钢淬火后回火时的力学性能的变化总结(3) 弹性极限在300400之间出现峰值。(4) 韧性：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。8.3 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。8

13、.3.1 提高钢的回火抗力Me对低温回火的影响较小；中、高温时，Me阻碍碳的扩散，延缓马氏体的分解；高温，Me阻碍碳化物长大和F等轴化，延缓了硬度的下降。发生二次淬火现象。二次淬火某些高合金钢(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。产生了二次淬火的钢必须再次回火。8.3.2 引起二次硬化定义：某些淬火钢在500650回火后硬度又增加的现象。本质：共格析出的合金碳化物的弥散强化。意义：红硬性、高温强度。但随着温度继续上升，合金碳化物长大，共格关系被破坏，会使硬度迅速下

14、降。高速钢三次560回火，在560回火时，产生二次硬化合金元素对回火的影响总之，合金钢具有较高的回火抗力，使硬度下降变缓，同时由于回火时可以出现二次淬火和二次硬化现象，使零件回火后仍具有较高的硬度和强度，且使钢具有红硬性和热强性，这对高温下工作的零件是非常重要的。8.4 回火脆化现象定义：随回火温度上升，冲击韧性反而下降的现象。分类：第一类回火脆性(低温回火脆性)：在250400温度范围内出现的回火脆性。第二类回火脆性(高温回火脆性)：在450650温度范围内出现的回火脆性。8.4.1 第一类(低温)回火脆性(1) 定义：是指淬火钢在250400回火时出现的脆性。(2) 特征：不可逆；与回火后

15、的冷速无关；断口为沿晶脆性断口。几乎所有的钢均有第一类回火脆性。不可逆回火脆性：再加热到更高温度时脆性可消失，若再在200350回火将不再出现。(3) 影响因素(1) 化学成分有害杂质元素：包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O；促进回火脆性元素：Mn、Si、Cr、Ni、V；减弱回火脆性元素：Mo、W、Ti、Al的影响。(2) 奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒愈小，回火脆性愈弱。(4) 第一类回火脆性的产生机理残余奥氏体转变理论碳化物析出理论 杂质偏聚理论 (5) 第一类回火脆性的防止措施降低杂质元素含量；用Al脱氧或加入Nb、V、Ti，细化奥氏体晶粒；加入减轻回火脆性元素(Mo、W)；用等温

16、淬火代替淬火+低温回火；避开产生回火脆性的温度回火。8.4.2 第二类(高温)回火脆性(450650) (1) 定义：指淬火钢在450650范围内回火后缓冷时出现的脆性。多发生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢中。(2) 特征：与冷速有关(快冷不产生)；可逆性；断口为沿晶断裂。可逆：重新在600短时加热并随之快冷，可消除，还可再次发生。(3) 影响因素1) 化学成分引起第二类回火脆性的杂质元素：S、P、As、Sn、Sb、B；促进第二类回火脆性元素：Ni、Cr、Mn、Si、C；(以上两类元素必须同时存在时才会产生)。抑制第二类回火脆性元素：Mo、V、W、Ti以及稀土元素La、Nd、Pr等。

17、(3) 影响因素2) 热处理工艺参数与回火温度、时间、冷却速度密切相关，缓冷使脆性增加。3) 组织因素M回火脆性最严重，B次之，P最弱；晶粒愈细，回火脆性愈轻。(4) 第二类回火脆性产生的机理析出理论、偏聚理论。与碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出及杂质元素的晶界偏聚有关。(5) 第二类回火脆性的防止方法降低钢中杂质元素；加入能细化A晶粒元素，如Nb、V、Ti；加入适量抑制二类回火脆性的元素：Mo、W；避开在450650范围回火，650以上回火要快冷。8.5 回火工艺8.5.1 回火温度的确定(1) 低温回火(150250)组织：M(低过饱和固溶体+碳化物)。目的：在于保持淬火钢的高硬度

18、和高耐磨性，降低淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂刀具或过早损坏。应用：高碳的切削刀具、量具、冷冲模具、滚动轴承。回火后的硬度一般为HRC5864。(2) 中温回火(350500)组织：回火屈氏体(针叶状铁素体+极细小颗粒渗碳体组成)。目的：获得较高的屈服强度，弹性极限，较高的韧性。应用：各种弹簧和模具。回火后的硬度HRC3545。(3) 高温回火(500650)组织：回火索氏体(由等轴状的铁素体和球状渗碳体组成)。目的：获得强度、硬度和塑性、韧性较好的综合力学性能。应用：用于重要的结构零件，连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后的硬度一般为HRC2535。调质处理：淬火+高温回火。8.5.2 回火时间的确定根据工件材料