第九章 钢的回火转变及回火

1第九章钢的回火转变及回火第一节淬火钢回火时的组织转变第二节碳钢回火后的力学性能第三节合金元素对回火转变的影响第四节回火脆性第五节钢的回火工艺2将淬火钢或铸铁加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。

淬火钢的组织是亚稳态，在性能上的表现是塑性、韧性低，内应力大，脆性大，变形、开裂倾向大，往往不能满足实际应用要求，因此淬火钢必须回火，以消除内应力、防止变形或开裂，并获得稳定的组织和所需性能。

3第一节淬火钢回火时的组织转变

淬火钢在热力学上具有从非平衡态想平衡态转变的自发倾向。平衡态与非平衡态的自由能差提供了这种转变的热力学驱动力，但动力学上十分缓慢。Ac1临界点以下的加热回火，将使得动力学转变明显。

1）碳原子偏聚—回火预备阶段（25~100oC以下）2）马氏体分解—回火第一阶段（100~250oC）3）残余奥氏体的转变—回火第二阶段（200~300oC）4）渗碳体的形成—回火第三阶段（250~400oC）5）α相的回复再结晶和渗碳体的聚集长大—回火第四阶段（400oC以上）41.碳原子的偏聚

在回火的预备阶段，即25~100oC范围内，将发生碳原子的偏聚。低碳板条马氏体中碳原子主要偏聚在位错的张应力区；高碳片状马氏体的碳原子主要偏聚在孪晶面等一定晶面上。

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ε碳化物时从过饱和固溶体中析出的亚稳碳化物，可以保持到300oC以上。2.马氏体的分解

在回火的第一阶段100~250oC范围，中高碳马氏体将分解为由含碳量过饱和的ω(C)=0.2~0.3%的α相和与之共格的ε亚稳碳化物组成的回火马氏体；ω(C)≤0.2%的低碳马氏体不发生马氏体分解，碳原子将继续偏聚而不析出。

。

6高碳马氏体的分解：

1）高碳马氏体的双相分解

回火温度在125~150oC以下，高碳马氏体以双相分解的方式进行分解。随着ε−Fe2.4C碳化物的不断析出，出现两种正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原始碳含量且未分解的马氏体α相以及具有低正方度的已析出部分碳的α相。在分解过程中，始终存在这两种含碳量不同的α相，且两种相的含碳量不发生改变。

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2）高碳马氏体的单相分解

回火温度在150~300oC范围内，碳原子活动能力提高，能进行较长距离的扩散。因此随着回火保温时间延长，ε碳化物可以从较远处获得碳原子而长大，马氏体的碳浓度连续不断下降，不会出现两种碳浓度截然不同的α相，即所谓的连续式分解。

低碳马氏体的分解：含碳量低于0.2%的板条马氏体在100~200oC之间回火时没有ε碳化物析出，碳原子仍然偏聚在位错线附近。当回火温度超过200oC时，才有可能通过单相分解析出碳化物。8中碳钢马氏体的分解：中碳钢在正常淬火时得到低碳板条位错马氏体与高碳片状孪晶马氏体的混合组织，因此回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征。

随着回火温度升高，固溶于体心正方马氏体中的过饱和碳不断以弥散微小的亚稳碳化物的形式析出，使得马氏体的碳含量不断下降，最终变成体心立方马氏体。93.残余奥氏体的转变

在回火的第二阶段，即200~300oC范围内，将发生残余奥氏体的转变。含碳量大于0.4%的钢中的残余奥氏体或者在Ms点以上温度范围内转变为下贝氏体，或者在Ms以下的温度范围内转变为马氏体。含碳量低于0.4%的钢淬火后不出现残余奥氏体，因而不存在残余奥氏体转变问题。

104.渗碳体的形成在回火的第三阶段，即250~400oC范围内，将有渗碳体（θ碳化物）形成，α相的含碳量逐渐降至0.1%以下，位错重新排列，密度下降，孪晶逐渐消失，但仍保持马氏体外形。

碳含量低于0.2%的低碳马氏体200oC以上回火时，将在碳偏聚区直接析出θ碳化物；

高碳马氏体在250oC以上回火时，将通过ε碳化物和χ碳化物等亚稳碳化物的转化，在(112)a’和(110)a’晶面上及马氏体晶界上形成稳定的碳化物（θ碳化物）。

115.α相回复再结晶和碳化物的聚集长大在回火的第四阶段，即高于400oC范围内，α相基体将发生回复和再结晶，片状渗碳体也将逐渐球化并聚集长大，残余内应力大幅度消失。

随回火温度升高，碳化物不断析出，致使α固溶体的含碳量接近于平衡，即铁素体开始回复。回复过程中，位错通过滑移和攀移而消失，位错密度下降，剩余位错重新排列形成二维位错网，构成亚晶粒的晶界。

回火温度高于

500oC

以后，α相含碳量达到平衡，铁素体由板条或片状逐渐转变为等轴晶粒，此为铁素体的再结晶。

12当回火温度高于600oC时将发生再结晶而使片状特征消失，形成多边形的铁素体，此时渗碳体也聚集成较大的颗粒。

当回火温度升高至400oC以上时，已脱离共格关系的渗碳体开始明显地聚集长大，最终形成粒状渗碳体。高于600oC回火时，细粒状渗碳体迅速聚集粗化。1314第二节碳钢回火后的力学性能淬火钢回火后，随回火温度不同，其机械性能将发生变化，这是显微组织变化的结果。由右图可见，不同碳含量钢随着回火温度升高，钢的硬度连续降低。但高碳钢在100oC左右回火时，硬度略有提高。高碳钢低温会后峰值的出现是由于碳原子的偏聚和ε碳化物的共格析出造成的。15三种不同碳含量的钢随着回火温度升高，强度和硬度都下降，但延伸率和断面收缩率则提高。16第三节合金元素对回火转变的影响

合金元素对钢的回火转变以及回火后的组织和性能都有很大影响，可归纳为：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。171.回火抗力的提高

钢抵抗回火硬度降低的能力成为回火抗力。合金元素一般都能提高钢的回火抗力。

由图可见，在回火温度和时间相同情况下，合金钢回火后的硬度要比含碳量相同的碳钢高，表明合金元素提高了刚的回火抗力。18

合金元素提高回火抗力的原因包括以下几点：

1）大多数合金元素（特别是强碳化物形成元素）降低碳原子的扩散速度，从而降低马氏体的分解速度；2）有的非碳化物形成元素（如Ni,P等）溶入马氏体增强固溶强化作用，使得马氏体不易分解；3）有的非碳化物形成元素（如Si,Co等）溶入ε碳化物使之更稳定，推迟其向渗碳体的转变；4）有的碳化物形成元素（如Cr等）溶入渗碳体使之不易聚集长大，有的碳化物形成元素（如Mo,W,V,Ti,Nb）等形成细小特殊合金碳化物使硬度提高。192.二次淬火

当钢中存在较多合金元素时，淬火后将产生大量残余奥氏体。如果回火保温时残余奥氏体没有分解，在随后的冷却中，残余奥氏体将转变为淬火马氏体，这一现象称为二次淬火。

奥氏体热稳定化可以通过回火加以消除。将淬火零件加热到某一温度进行回火，如在回火过程中残余奥氏体未发生分解，则在回火后的冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体，即回火使得残余奥氏体恢复了转变为马氏体的能力。这一现象称为反稳定化或催化。20

W18Cr4V高速钢在淬火冷至室温过程中，将产生奥氏体热稳定化，Ms点降低到室温以下，残余奥氏体可高达23%。淬火后在560oC回火，回火温度正处于高速钢的珠光体与贝氏体转变之间的奥氏体稳定区，故在回火时残余奥氏体不分解，但在回火冷却过程中部分残余奥氏体将转变为淬火马氏体，同时前一次回火形成的二次淬火马氏体得到回火。3~4次560oC每次1h的回火即可使残余奥氏体全部转变为马氏体。213.二次硬化

一些高合金钢在一次或多次回火后硬度上升的现象，称为二次硬化。二次硬化主要是由于碳化物的弥散析出所致，残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体的二次淬火也起到了重要作用。22

二次硬化效应的大小取决于引起二次硬化的合金碳化物的种类、数量、大小和形态。

有明显二次硬化效应的合金碳化物是M2C和MC型碳化物。Mo,W,V,Ti,Nb等元素均能形成M2C和MC型碳化物，故有明显的二次硬化效应。

能够引起二次硬化的合金碳化物的量决定于马氏体的成分。

合金碳化物越细小越稳定，则强化效应越大。

同时加入多种碳化物形成元素可使析出颗粒更小，密度更大，而所用合金元素总量还有所下降。234.合金钢回火时碳化物的转变合金钢淬火马氏体回火时，随着回火温度的升高或回火时间的延长，碳原子也会从马氏体中不断析出形成亚稳碳化物，逐渐转变为渗碳体；与此同时，合金元素将在α

基体和渗碳体之间重新分配，非碳化物形成元素不断向α

相中富集，碳化物形成元素不断向渗碳体中扩散，使渗碳体逐渐转变为合金渗碳体。

合金钢淬火马氏体回火时碳化物的转变顺序可能为：

ε

碳化物→渗碳体→合金渗碳体→亚稳特殊碳化物→稳定合金碳化物。24合金钢回火时能否形成亚稳特殊碳化物和特殊碳化物以及形成何种亚稳特殊碳化物和特殊碳化物，取决于所含合金元素的性质和含量、碳或氮的含量以及回火温度和时间等条件。25（4）多元合金马氏体的脱溶比较复杂，难以理论处理。回火时特殊碳化物也是按照原位转变和独立核长大两种机制转变的。26第四节回火脆性回火脆性：工件淬火后在某些温度区间回火产生的脆性。钢在淬火后进行回火的目的是降低脆性，提高韧性。但随回火温度的升高，强度和硬度的降低，钢的冲劲韧度并不是单调上升。在200~350oC之间和450~650oC之间出现两个低谷。在这两温度区间回火，硬度下降，同时冲击韧度不但未升高，反而显著下降。

271.第一类回火脆性

1）第一类回火脆性的主要特征及影响因素

工件淬火后在200~350oC回火时产生的脆性称为第一类回火脆性，又称不可逆回火脆性、低温回火脆性。

如果出现第一类回火脆性后再加热到更高温度回火，可以将脆性消除，使冲劲入读重新升高。此时若在200~350oC温度范围内回火时将不再产生这种脆性，因此第一类回火脆性是不可逆的。28第一类回火脆性的特点是：1）只要在此温度内回火，其韧性的降低是无法避免的；2）具有不可逆性，即将已产生这种脆性的工件爱更高温度回火后，其脆性消失。再在此温度回火，脆性将不会重现；3）脆性出现同时，不会影响其它力学性能变化。

几乎所有钢都存在第一类回火脆性。29影响第一类回火脆性的主要因素是化学成分：1）有害杂质元素，包括S,P,As,Sn,Sb,Cu,N,H,O等；2）促进第一类回火脆的元素，如Mn,Si,Cr,Ni,V,C等；3）减弱第一类回火脆性的元素，如Mo,W,Ti,Al等。

除了化学成分外，影响第一类回火脆性的因素还有奥氏体晶粒的大小以及残余奥氏体量的多少。奥氏体晶粒越细，第一类回火脆越弱；残余奥氏体量越多则越严重。30

2）第一类回火脆性形成机理

目前对第一类回火脆性的形成机理的认识尚未完全统一。三种理论：片状碳化物沉淀理论；杂质元素晶界偏聚理论；残余奥氏体薄膜分解理论，三种理论各有自己的实验证据支持。

一般认为，第一类回脆性主要是由于马氏体复分解所形成的χ-Fe5C2和θ-Fe3C片状碳化物薄膜沿板条马氏体的条界、束界和群界或在片状马氏体的孪晶带和原奥氏体晶界上析出所导致。

杂质元素P,Sn,Sb,As等偏聚晶界，促进了回火脆性的发展。313）防止或减轻第一类回火脆性的方法

目前尚不能完全消除第一类回火脆性，减轻第一类回火脆性的方法包括：

1）降低钢中杂质元素含量；2）用Al脱氧或加入Nb,Ti,V等元素细化奥氏体晶粒；3）加入Mo,W等能减轻第一类回火脆性的合金元素；4）加入Cr,Si以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；5）采用等温淬火代替淬火加高温回火。322.第二类回火脆性

含有Cr,Mn,Cr-Ni等元素的合金钢工件淬火后，在脆化温度区（450~650oC）回火，或在更高温度回火后缓慢冷却所产生的脆性，称为第二类回火脆性，又称可逆回火脆性、高温回火脆性。1）第一类回火脆性的主要特点

第一个特点是第二类回火脆性的产生与回火后的冷却速度有关。回火后如果快冷（水冷或油冷），不出现回火脆性，如果慢冷（空冷），则出现回火脆性。

33第二个也是最重要的特点是第二类回火脆性的过程可逆。如果将已出现第二类回火脆性的钢重新加热回火并快速冷却到室温，则可以消除回火脆性，使冲击韧度升高，恢复到韧化状态。如果将回火脆性已消除的钢重新在第二类回火脆性温度范围内加热回火并缓慢冷却，那么它又会再次脆化，这就是第二类回火脆性称为可逆回火脆性的原因。

第三个特点是出现第二类回火脆性时，断口呈沿晶断裂。这表明第二类回火脆性与原奥氏体晶界上存在的某些杂质元素有密切关系。

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2）影响第二类回火脆性的因素1）化学成分影响

杂质元素，如P,Sn,Sb,As,B,S等，第二类回火脆主要是由这些杂质元素引起的。但当钢中不含Ni,Cr,Mn,Si等合金元素时，这些杂质元素的存在不会引起第二类回火脆性。

促进第二类回火脆性的合金元素，如Ni,Cr,Mn,Si,C等。这些元素单独存在时也不会引起第二类回火脆性，必须与杂质元素同时存在才会引起第二类回火脆性。

扼制第二类回火脆性的元素，如Mo,W,V,Ti。往钢中加入这类元素可以扼制和减轻第二类回火脆性。352）热处理工艺参数的影响

回火温度一定时，随等温时间延长，脆化程度增加。

第二类回火脆性不仅与回火温度及时间有关，更主要的是与回火后的冷速有关。缓冷使得脆性增加。3）组织因素的影响

不论钢具有何种原始组织均有第二类回火脆性。马氏体的回火脆性最严重，贝氏体次之，珠光体最轻。

第二类回火脆性与奥氏体晶粒度有关，奥氏体晶粒越细，第二类回火脆性越轻。36

3）第二类回火脆性形成机理

一般认为，第二类回火脆性是由P,Sn,Sb和As等各种杂质在晶界的偏聚所引起的，Mn,Cr,Ni等合金元素则导致了杂质元素的偏聚。

钢呈现第二类回火脆性时，沿原奥氏体晶界的极薄层内偏聚了某些合金元素以及杂质元素，且回火脆化倾向随杂质元素在原始奥氏体晶界上偏聚程度的增大而增大。37促进第二类回火脆性的合金元素与杂质元素的亲和力适中，在回火时其本身也向晶界偏聚，同时将杂质元素带至晶界，引起脆化；抑制第二类回火脆性的合金元素与杂质亲和力很大，在晶内就形成稳定的化合物而析出，故能起到净化晶界的作用而抑制回火脆性的发生；若合金元素与杂质元素亲和力不大，即使其向晶界偏聚，也不会将杂质元素带至晶界，故不会引起脆化。这就是杂质晶界偏聚理论。384）防止和减轻第二类回火脆性的方法

1）选用高纯度钢，降低钢中杂质元素含量；2）用加入适量的能扼制第二类回火脆性的合金元素Mo,W等；3）加入能细化奥氏体晶粒的元素，如Nb,V,Ti等，细化奥氏体晶粒，增加晶界面积，减低单位面积杂质元素偏聚量；4）避免在450~650oC范围内回火，在650oC以上回火后应采取快冷；5）对亚共析钢采用亚温淬火方法，淬火加热时，使P元素溶入残留的α相中，降低P在奥氏体晶界的偏聚。6）采用形变热处理方法，细化奥氏体晶粒并使晶界呈锯齿状，增大晶界面积，减轻回火时杂质元素向晶界的偏聚。39第五节钢的回火工艺一般来说，淬火钢都要进行回火，原因在于：1）通常情况下，工件淬火后强度与硬度虽有很大提高，但塑性和韧性明显下降；2）淬火组织处于亚稳态，具有自发的向稳定组织转变的趋势，因而将引起工件性能和尺寸稳定性的改变；3）淬火钢通常具有很大的内应力，有可能引起工件的变形甚至开裂。

401.回火温度的确定钢回火后的性能主要取决于回火温度

1）根据钢的回火温度—硬度曲线或图来确定回火温度；2）采用经验公式来确定回火温度，如对于碳素结构钢，回火温度可参考下列公式：

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