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1、第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 一、淬火碳钢回火时组织转变一、淬火碳钢回火时组织转变 碳素钢淬火后在不同温度下回火时，组织将发生不同的变化。由于组织变化会带来物理性能的变化，而不同的组织变化，物理性能的变化也不同。通常根据物理性能的变化把回火转变分成四种类型。 第一类回火转变：M分解为回火M，80250； 第二类回火转变：残余A分解为回火M或B下，200300； 第三类回火转变：回火M转变为回火T（亚稳碳化物转变为稳定碳化物），250400； 第四类回火转变：回火T转变为回火S（碳化物聚集长大，再结晶），400700 。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （1 1）
2、马氏体的双相分解）马氏体的双相分解 回火温度在 125150以下，马氏体以双相分解方式进行分解。此时，随着碳化物的析出，出现两种正方度不同的相，即具有高正方度的保持原始碳含量的未分解的马氏体以及具有低正方度的碳已部分析出的相。 随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种相的碳含量均不发生改变，只是高碳区愈来愈少，而低碳区愈来愈多。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变马氏体双相分解示意图 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变马氏体双相分解时碳的分布 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 为什么会出现两种正方度？为什么会出现两种正方度？ 由于温度较低，碳原子扩散能力很
3、弱，-FeXC在马氏体某些碳的富集区通过能量、结构和成分起伏形核，并向马氏体中长大。在长大时，要吸收碳，所以碳化物附近的马氏体向其提供碳原子，而远离-FeXC的马氏体中碳原子保持不变。这样在同一片马氏体出现了成分不同，而结构相同的两个区域，每个区域相当于一相，所以称之为两相分解。合金元素对马氏体的两相式分解没有影响。 由马氏体中析出的-FeXC与基体保持共格联系，并有一定的惯习面100，与马氏体保持下述位向关系： （0001） （011 ） ，10-11 101 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散，高碳区与低碳区之间的浓度差不易消失，已经析出的
4、碳化物不能继续长大。马氏体的继续分解只能依靠在其他高碳区析出新的碳化物颗粒，并在其周围形成新的低碳区。 所以，随着分解过程的进行，高碳区愈来愈少，低碳区愈来愈多。当高碳区完全消失时双相分解即告结束。此时，相的平均碳含量亦降至 C1。经过测定，低碳区的碳含量 C1与马氏体原始碳含量及分解温度均无关，为一 恒定值，约为 0.25%0.30%。 双相分解的速度与温度有关，温度愈高，分解速度就愈快。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （2 2）马氏体的单相分解）马氏体的单相分解 回火温度高于125150时，马氏体将以单相分解亦即连续分解方式进行分解。此时，碳原子的活动能力增强，能够进行较
5、长距离的扩散。因此，已经析出的碳化物有可能从较远区域获得碳原子而长大，相内的碳浓度梯度也可以通过碳原子的扩散而消除。 所以，在分解过程中不再存在两种不同碳含量的相，相的碳含量及正方度随分解过程的进行不断下降。当温度达到 300时，正方度 c/a 接近 1，此时相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解过程基本结束。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2）低碳马氏体的分解）低碳马氏体的分解 低碳钢的 Ms点较高，在淬火形成马氏体的过程中，除了可能发生碳原子向位错的偏聚外，在最先形成的马氏体中还可能发生自回火，析出碳化物。 淬火后在 100200之间回火时，低碳板条状马氏体不
6、析出碳化物，C 原子仍然偏聚在位错线附近，这是由于 C 原子偏聚的能量状态低于析出碳化物的能量状态。当回火温度高于 200时，才有可能通过单相分解析出碳化物，使基体中的碳含量降低。 中碳钢在正常淬火时得到板条位错马氏体与片状孪晶马氏体的混合组织，故回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 综上所述，在此阶段，随着回火温度的升高，固溶于正方马氏体中的过饱和碳不断以微小-碳化物的形式析出，使马氏体的碳含量不断下降，最终变成立方马氏体，并且立方马氏体的碳含量与淬火钢的碳含量无关。 原始碳含量不同的马氏体，随着碳化物的不断析出，在高于 200以后其碳
7、含量趋于一致。马氏体经过分解后获得的立方马氏体加-碳化物的混合组织称为回火马氏体。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 不同碳含量马氏体回火时碳浓度的变化 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3、残余奥氏体转变（回火第二阶段转变）、残余奥氏体转变（回火第二阶段转变） 回火温度在200-300时，将发生残余A的转变。由于M转变的不完全性，特别是C 0.4%的钢，淬火后会残留一部分奥氏体，随回火温度的升高，M的分解，使M对残余A的机械作用降低，同时Fe及C原子的活动能力加强，残余A将恢复转变的动力。残余A可能转变为回火M或下B，即和-FeXC的机械混合物。其中的C%与M
8、在该温度下分解后的C含量相近，-FeXC也与不同温度下M分解或下B中的碳化物相似。 通常在MS以下回火残余A转变为M，然后分解为回火M，而在B转变区回火，残余A转变为下B。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 二次淬火二次淬火 ：淬火时冷却中断或冷速较慢均将使奥氏体不易转变为马氏体而使淬 火至室温时的残余奥氏体量增多，即发生奥氏体热稳定化现象。奥氏体热稳定化现象可以通过回火加以消除。将淬火钢加热到较高温度回火，若残余奥氏体比较稳定，在回火保温时未发生分解，则在回火后的冷却过程中将转变为马氏体。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”。二次淬火现象的出现与否与回火工
9、艺密切相关。例如，淬火高速钢中存在大量的残余奥氏体，若加热到 560保温后，在冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体，即在 560保温过程中发生了某种催化，提高了残余奥氏体的 Ms点，增强了向马氏体转变的能力。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 4 4、碳化物析出与转变（回火第三阶段转变）、碳化物析出与转变（回火第三阶段转变） 250-400时，碳素钢 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。 在回火过程中除-FeXC外，常见的还有两种： 一种其组成与Mn5C2相近，称为碳化物，用-Fe5C2表示； 另一种是渗碳体，称碳化物，用-Fe3C表示。 这两种碳化物的稳
10、定性均高于-FeXC。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 1 1）碳化物形成的方式）碳化物形成的方式 碳化物的形成是通过形核长大方式进行的。 （1）低C钢 当回火温度高于200 ，直接由偏聚区析出-Fe3C，也有可能由M板条边界上析出。 （2）高C钢 低温回火时，M分解析出-FeXC， -FeXC与M保持共格联系，随-FeXC的长大将使母相的点阵畸变增大，当-FeXC长大到一定尺寸后，共格关系将被破坏，此时-FeXC将转变为更稳定的碳化物。一般可在250以上出现此过程。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变淬火高碳钢后火过程中的碳化物转变序列可能为 第六章第六章 钢在回
11、火时的转变钢在回火时的转变 （3 3）碳化物转变方式）碳化物转变方式 碳化物转变也是一个形核及长大过程，具有可分为两种类型，一是原位形核长大，另一是独立形核长大。 a、原位形核长大（原位转变） 在原碳化物基础上发生成分变化和点阵重构，形成更稳定的碳化物。 b、独立形核长大（离位转变） 原碳化物回溶到母相中，而新的、更稳定的碳化物在其他部位重新形核长大。 转变为或时只能按独立形核长大方式，而转变为时可以独立形核，也可以原位转变。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2）温度及时间对碳化物转变的影响）温度及时间对碳化物转变的影响 碳化物类型的转变与回火温度有关，随回火温度的升高，由亚
12、稳定状态向稳定状态过渡。另外，碳化物类型的转变与回火时间也有一定的关系，通常随回火保温时间的延长，碳化物类型的转变温度降低。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3）碳化物的形态及分布）碳化物的形态及分布 -FeXC碳化物转变为其他类型碳化物时，新生成的碳化物往往呈薄片状，且常分布在M的孪晶界或M边界处。随M的含碳量降低，薄片状碳化物减少。研究表明，不论M的形态如何，在回火过程中，当回火温度较低时，都存在这样的薄片状碳化物。碳化物本身是一个脆性相，特别是当它呈薄片，分布在M的孪晶界或M的晶界上时，将使钢材的脆性增大。一般认为，这种状态分布的碳化物是产生第一类回火脆性的原因之一。
13、通常在250-400回火的淬火M，所得到的组织为回火屈氏体，用T表示。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 5 5、 相状态变化及碳化物聚集长大（回火第四阶段转变）相状态变化及碳化物聚集长大（回火第四阶段转变） 发生在400-700时的回火转变。 1 1）淬火应力的消除）淬火应力的消除 淬火时由于热应力与组织应力的存在，使工件淬火后存在较大的内应力。通常分为三类： 第一类内应力是区域性的； 第二类内应力是晶粒内部晶胞之间； 第三类内应力是晶胞内原子之间的(由C溶入引起)。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 回火时这些内应力，会随回火温度的升高而逐渐消除。回火时这些内应力
14、，会随回火温度的升高而逐渐消除。 当回火温度达到300左右时，随M分解结束，第三类内应力基本消除。 当回火温度达到500左右时，第二类内应力基本消除。 当回火温度达到500左右时，第一类内应力接近全部消除。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2）相的回复与再结晶相的回复与再结晶 由于淬火M的晶粒形状不是等轴状，而且晶体内的位错等缺陷密度较高，与冷变形金属相似，在回火过程中也会发生回复与再结晶。 （1 1）低碳板条状马氏体）低碳板条状马氏体 低C板条M的内部亚结构为高密度的位错，随回火温度的升高，位错线将逐渐消失，晶体内的位错密度逐渐下降，剩余的位错将重新排列成墙，形成多边化亚
15、结构。回复的确切温度不易测出，但是当回火温度高于400时，回复已明显出现。回复后的相仍然保持细板条状。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 当温度高于600时，由于Fe原子的活动能力加强可进行明显的扩散，回复后的相开始发生再结晶。结果由位错密度较低的等轴相新晶粒逐步代替回复后的板条状的相。 第二相颗粒对晶界具有钉扎作用，回火时析出的碳化物颗粒，对相的再结晶具有阻碍作用。钢中碳含量愈高，相的再结晶愈困难。 通过此过程得到的组织为回火索氏体，一般用S表示。组织为等轴状的铁素体加上粒状渗碳体。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （2 2）高碳片状马氏体）高碳片状马氏体 高碳片
16、状M内部的亚结构主要是高密度的孪晶，因此，这类M的回复与再结晶过程不同于板条状M。 当温度高于250时，随回火温度的升高，马氏体内部的孪晶亚结构逐渐消失，同时在马氏体内出现位错线，当温度高于400时，孪晶亚结构全部消失，全部变成位错。400以上的过程与板条M的回复、再结晶过程完全相同。 位错线的产生可能是渗碳体析出时造成的体积变化引起的。所得到的组织同样是回火索氏体S（等轴铁素体加尺寸较大的粒状渗碳体的混合组织 ）。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3）碳化物聚集长大）碳化物聚集长大 淬火碳素钢在回火时，当温度较高时，渗碳体会发生聚集长大和球化。 当温度高于400时，渗碳体
17、开始聚集长大和球化。 当温度高于600时，细粒状的渗碳体会迅速聚集粗化。 机理：小颗粒溶解，大颗粒长大。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 二、合金元素对回火转变的影响二、合金元素对回火转变的影响 总的规律是：合金元素的加入都会使转变推迟、转变温度升高。 1 1、合金元素对、合金元素对M M分解的影响分解的影响 合金钢中的M分解和碳素钢相似，但其分解速度相差较大。合金元素主要是通过影响C原子的扩散来影响M分解的。因此，合金元素对C的偏聚、两相式分解的影响不大，而对连续式分解影响较大。其规律如下： 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 1 1）非碳化物形成元素）非碳化物形
18、成元素 Ni、Mn对C的扩散影响不大，对M分解的影响也不大 Si、Co虽然不形成碳化物，但可溶入-FeXC中，提高-FeXC的稳定性。使-FeXC不易聚集，推迟M的分解。 2 2）强碳化物形成元素）强碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti在钢中可形成特殊碳化物，阻碍C原子的扩散，可以将M分解终了温度推迟到300 甚至500 。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3）回火稳定性（抗回火性）回火稳定性（抗回火性） 在合金钢中，由于合金元素的作用，M分解温度将推向高温，即在较高温度下回火，仍然可以保持相具有一定的过饱和度和细小的碳化物，使钢保持较高的强度和硬度。通常把这种性质称为回火
19、稳定性。 或：合金元素阻碍相中碳含量的降低和碳化物颗粒长大，而使淬火钢在回火时保持高强度、高硬度的性质，称为回火稳定性。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2、合金元素对残余奥氏体转变的影响、合金元素对残余奥氏体转变的影响 合金钢中残余奥氏体的转变与碳素钢中残余A的转变情况基本相似，只是合金元素可以改变残余A分解的温度和速度，从而可能对残余A转变的性质和类型产生影响。 通常合金钢中的残余A比碳素钢中的残余A稳定性高。对淬火合金钢回火时，残余A的转变与回火温度、残余A的稳定性有关，主要可发生以下三种转变： 1、A在B区域内转变为B； 2、 A在P区域内转变为P； 3、 A在回火
20、加热保温过程中，不发生分解，而在随后的冷却过程中转变为M。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3、合金元素对碳化物转变的影响、合金元素对碳化物转变的影响 钢中加入合金元素，对回火时碳化物转变的性质并无影响，但可以改变碳化物转变的温度范围。钢中能否形成特殊碳化物，取决于所含合金元素的性质和含量、碳 氮的含量以及回火温度和时间等条件。合金钢在回火过程中，通常都是渗碳体通过亚稳碳化物再转变为稳定特殊碳化物。 1 1）非碳化物形成元素）非碳化物形成元素 Si可溶入-FeXC中使其稳定性提高，不易溶解，可使-FeXC转变为其他类型碳化物的温度升高，而Co、Cu、Ni、Al的影响较小。 2
21、 2）弱碳化物形成元素）弱碳化物形成元素 Cr、Mn使碳化物稳定性提高，C扩散系数减小，渗碳体不易析出，使碳化物的转变温度升高，Cr的作用大于Mn。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3）强碳化物形成元素）强碳化物形成元素 Mo、W、V、Ti使碳化物稳定性显著提高，C的扩散能力显著下降，显著提高碳化物的转变温度，提高回火稳定性。 合金元素不仅影响碳化物的转变温度，同时对碳化物聚集粗化也有很大的影响，使粗化温度升高，使碳化物能保持较细小的状态。 合金钢回火时，随着回火温度升高或回火时间延长，将发生合金元素在渗碳体和 相之间的重新分配。碳化物形成元素不断向渗碳体中扩散，而非碳化物
22、形成元素逐渐向 相中富集，从而发生由更稳定的碳化物逐渐代替原先不稳定的碳化物，使碳化物的成分和结构都发生变化。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 合金钢回火时除了有-FeXC、-Fe5C2、-Fe3C外还会出现特殊类型的碳化物，当回火析出后，继续升高回火温度会发生渗碳体向更稳定的特殊类型碳化物的转变。合金元素不同时，可以形成不同类型的特殊类型的碳化物。 合金钢回火时碳化物转变的可能顺序为 ： 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 4 4、回火时的二次硬化现象、回火时的二次硬化现象 1 1）二次硬化）二次硬化 通常淬火钢回火时，硬度随回火温度的升高是逐渐下降的，但当钢中含有
23、某些特殊类型碳化物形成元素时，回火温度达到某一温度后，硬度反而随回火温度的升高而升高的现象，称为二次硬化。 2 2）二次硬化产生的原因）二次硬化产生的原因 当钢中含有合金元素时，在回火过程中，由于合金元素扩散能力很低，新生成的碳化物弥散度极高，又与相保持共格联系。随回火温度的升高，特殊碳化物尺寸加大，数量增多，从而使相的共格畸变增大，导致钢材在随回火温度升高，出现硬度升高的现象，即二次硬化。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变低,中碳钢在 100-700回火 1h 的硬度变化 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变回火温度对低碳钼钢马氏体硬度的影响 第六章第六章 钢在回火时
24、的转变钢在回火时的转变 可以通过下述途径来提高钢的二次硬化效应可以通过下述途径来提高钢的二次硬化效应 ： 第一，增大钢中的位错密度，以增加特殊碳化物的形核部位，从而进一步增大碳化物的弥散度。例如采用低温形变淬火方法等； 第二，钢中加入某些合金元素，以减慢特殊碳化物形成元素的扩散，抑制细小碳化物的长大和延缓这类碳化物过时效现象的发生。例如钢中加入 Co、A1、Si、Nb、Ta 等元素，都可以使特殊碳化物细小弥散并与相保持共格畸变状态，从而增大钢的回火稳定性。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 5 5、合金元素对、合金元素对相回复与再结晶的影响相回复与再结晶的影响 所有合金元素均阻碍
25、相的回复与再结晶，将此阶段推向高温，提高回火稳定性。 合金钢在高温回火时，如果能形成特殊碳化物，由于碳化物细小弥散又与相保持共格联系，而使相保持较高的C过饱和度，显著推迟相的回复与再结晶。因而，使相处于较大的畸变状态，此时钢的硬度、强度仍然可以保持较高的数值，具有很高的回火稳定性。 总之，合金钢具有较高的回火稳定性，同时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，这对高温下工作的零件是非常重要的。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 三、钢在回火时机械性能的变化三、钢在回火时机械性能的变化 1 1、硬度和
26、强度的变化、硬度和强度的变化 各种碳钢在回火时硬度和强度的变化规律，与其显微组织的变化有着密切的关系，低C钢和高C钢的M组织形态和残余A含量是不同的，回火时组织变化规律也不尽相同。因此，它们在回火时机械性能的变化规律也是有差别的。 1 1）低碳钢回火时机械性能的变化）低碳钢回火时机械性能的变化 不同碳含量的低、中碳钢随回火温度的升高，钢的硬度逐渐降低。低碳钢在低于250回火时，不析出-FeXC碳化物，而碳原子偏聚在位错线附近，因此，钢的组织状态变化不大，硬度变化也不大。此外，低碳钢Ms较高，在淬火过程中将出现自回火现象，碳原子已发生偏聚，因此回火时，硬度也无大的变化。 第六章第六章 钢在回火时
27、的转变钢在回火时的转变 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 但是，在低温回火时，随着回火温度的升高，低碳板条M中C原子向位错线附近偏聚的倾向增大，所以屈服强度、特别是弹性极限随着回火温度的升高（低于250）而增高。 由于淬火应力的降低，塑性也随回火温度的升高稍有增大。回火温度高于250时，可能由于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。 在300-400之间回火，由于析出片状或条状渗碳体，钢的硬度和强度显著降低，塑性开始回升。回火温度高于400直至700，发生碳化物聚集、长大和球化以及相的回复、再结晶，钢的硬度、强度逐渐降低，塑性逐渐升高。 第六章第六章 钢在回火时
28、的转变钢在回火时的转变 2 2）高碳钢回火时机械性能的变化）高碳钢回火时机械性能的变化 高碳钢淬火组织，主要为片状M和一定数量的残余A。 在200以下回火，高碳钢的硬度不仅不降低，而且还稍有提高。 这是由于高碳片状M在低温回火时，C原子形成富集区（低于100），与低碳钢中的偏聚区相比，点阵畸变较大。回火时也可能析出大量细小碳化物（低于200），因而产生较大的弥散硬化作用。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 在200-300温度范围内回火时，硬度的变化与钢中残余A含量密切相关。虽然，钢中M将因碳化物的析出，而使硬度逐渐降低，但又因残余A转变为回火M或贝氏体而使硬度升高，这两种相互矛
29、盾因素的作用可使钢的硬度变化从缓慢下降到保持不变。这种硬度的变化情况取决于残余A量的多少。 一般在250以下回火，由于M基体碳含量仍在0.25%左右，且有大量弥散分布的-FeXC碳化物，所以回火后钢的硬度仍可保持在HRC60以上。 回火温度高于300，由于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，硬度逐渐降低。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，钢的硬度较低碳钢为高。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3)3)中碳钢回火时机械性能的变化中碳钢回火时机械性能的变化 中碳钢经普通
30、淬火后的组织，一般是板条M和片状M的混合物，因此这类钢回火时机械性能的变化规律，也兼有低碳钢和高碳钢的特性。 中碳钢的硬度随回火温度的升高而逐渐降低，这是因为在低温回火时，因C形成偏聚区和析出-FeXC而增高硬度的作用较小，所以钢的硬度降低。在200-300之间回火，因残余A量较少，其分解后能够增高的硬度，远远小于回火M继续分解而降低的硬度，因此硬度继续下降。高于300回火，其硬度降低情况与低碳钢和高碳钢的相似。 钢中加入合金元素能减小硬度和强度降低的趋势，与相同碳含量的碳钢相比，在高于 300回火时，如果回火温度和时间相同， 则合金钢常常具有较高的强度。 二次硬化二次硬化 第六章第六章 钢在
31、回火时的转变钢在回火时的转变 2 2、塑性和韧性的变化、塑性和韧性的变化 淬火钢在回火时，随回火温度升高，由于淬火内应力消除、碳化物聚集长大和球化以及相回复和再结晶，在硬度和强度不断下降的同时，塑性（断面收缩率、延伸率）不断上升。 但高碳钢在低温（低于 300）回火时其塑性几乎等于零，而低碳马氏体却具有良好的综合性能。淬火钢在回火时的冲击韧性并不一定随回火温度升高而单调地增高，许多钢可能在两个温度区域内出现韧性下降的现象，这种随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象，称为回火脆性。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变CiNi 钢冲击韧性与回火温度的关系 第六章第六章 钢在回火时的转变
32、钢在回火时的转变 3 3、钢的回火脆性、钢的回火脆性 1 1）第一类回火脆性）第一类回火脆性 在250400之间出现的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性。几乎所有的钢均存在第一类回火脆性。 （1 1）主要特征）主要特征 a)具有不可逆性； b)与回火后的冷却速度无关； c)断口为沿晶脆性断口。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （2 2）影响因素）影响因素 主要是化学成分的影响。可以将钢中元素按其作用分为三类： 有害杂质元素，如 S、P、As、Sb、Cu、N、H、O等。钢中存在这些元素时均将导致出现第一类回火脆性； 促进第一类回火脆性的元素，如 Mn、Si、Cr、Ni、V
33、等。这些类合金元素能促进第一类回火脆性的发展，还有可能将第一类回火脆性推向较高的温度； 减弱第一类回火脆性的元素，如 Mo、W、Ti、Al 等。钢中含有这些合金元素时第一类回火脆性将被减弱，其中尤以 Mo的效果最显著。 此外，奥氏体晶粒愈粗大，残余奥氏体量愈多，则第一类回火脆性就愈严重。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3）形成机制）形成机制 到目前为止有很多种不同的说法，尚无定论，很可能是多种因素综合作用的结果，而对于不同的钢材来说，也可能是不同因素所致。大致有以下三种观点： （1 1）残余）残余A A转变理论转变理论 最初认为第一类回火脆性产生的原因是由于残余A转变所致
34、。但有些钢第一类回火脆性与残余A转变并不完全对应，故残余A转变理论，不能解释各种钢的第一类回火脆性。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （2 2）碳化物析出理论）碳化物析出理论 钢回火时，-FeXC转变为-Fe5C2或-Fe3C的温度与产生第一类回火脆性的温度相近，而新形成的碳化物呈薄片状，且沿板条M的板条间、板条束的边界或片状M的孪晶带或晶界上析出，从而使材料的脆性增加。回火温度如进一步提高，薄片状碳化物将聚集长大和球化，将导致脆性降低，冲击韧性升高。这种观点已为许多实验所证实。 （3 3）晶界偏聚理论）晶界偏聚理论 即认为奥氏体化时杂质元素 P、S、As、Sn、Sb等在晶界、
35、 亚晶界偏聚导致晶界弱化是引起第一类回火脆性的原因。前面所述的第二类元素能促进杂质元素在奥氏体晶界的偏聚，故能促进第一类回火脆性的发展。第三类元素能阻止杂质元素在奥氏体晶界的偏聚，故能抑制第一类回火脆性的发展。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 4 4）防止方法）防止方法 目前，第一类回火脆性是无法消除的。没有一个有效的热处理方法能消除钢中这种回火脆性，除非不在这个温度范围内回火，也没有能够有效抑制产生这种回火脆性的合金元素。但可以采取以下措施减轻第一类回火脆性： （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
36、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。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2）第二类回火脆性）第二类回火脆性 在450600之间出现的回火脆性称为第二类回火脆性，也称高温回火脆性。试验表明，出现这种回火脆性时，钢的冲击韧性降低，脆性转折温度升高，但抗拉强度和塑性并不改变，对许多物理性能（如矫顽力、比重、电阻等）也不产生影响。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 1 1）主要特征）主要特征 （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）
37、与组织状态无关，但以M的脆化倾向大； （4）在脆化区内回火，回火后脆化与冷却速度无关； （5）断口为沿晶脆性断口。这表明第二类回火脆性与原奥氏体晶界存在某些杂质元素有密切关系。 一般用脆化处理前后脆性转折温度之差（）来描述钢的回火脆性敏感度，也叫称为“回火脆度”。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 2 2）影响因素）影响因素 (1)(1)化学成分的影响化学成分的影响 钢的化学成分是影响第二类回火脆性的最重要的因素。 a、钢出现明显回火脆性需要有一定的碳含量，含碳极低时不出现回火脆性或很微弱。 b、钢出现明显回火脆性要有一定数量的Mn或Cr，不含Mn和Cr的钢回火脆性可大大降低。M
38、n、Cr促进回火脆性发展的原因：一方面Mn、Cr向晶界偏聚，另一方面Mn、Cr促进P等杂质元素向晶界上偏聚。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 c、钢含有少量的P族元素包括砷As、锑Sb等，可增大回火脆性敏感度，使回火脆性增大。因为，这些元素在晶界上偏聚，将使晶界弱化，而不含此类元素的钢回火脆性很小。 d、钢中加入Mo、W、V、Ti等可以减小回火脆性，降低。因为， Mo、W本身不向晶界偏聚，同时还阻碍其它杂质元素在晶界处偏聚。因此要求在回火脆化温度范围内回火时，常采用含Mo的钢材。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 (2)(2)热处理工艺参数的影响热处理工艺参数的影响
39、脆化速度和脆化程度均与回火温度和回火时间密切相关。温度一定时，随回火时间延长，脆化程度增大。在 550以下，回火温度愈低，脆化速度就愈慢，但能达到的脆化程度也愈大；在 550以上，随回火温度升高，脆化速度减慢，能达到的脆化程度下降。所以，第二类回火脆性的等温脆化动力学曲线亦呈“C”字形，鼻尖温度为 550。 第二类回火脆性与回火后的冷却速度密切相关。缓慢冷却将使脆性增加，冷却速度愈低，脆化程度就愈大。而快速冷却则可消除或减轻第二类回火脆性。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （3 3）组织因素的影响）组织因素的影响 与第一类回火脆性不同，不论钢具有何种原始组织，经脆化处理后均可产
40、生第二类 回火脆性。但以马氏体组织的回火脆性最为严重，贝氏体次之，珠光体最小。 第二类回火脆性还与奥氏体晶粒度有关，奥氏体晶粒粗大，则回火脆性敏感性增大。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 3 3）形成机制）形成机制 根据上述特征来看，第二类回火脆性的脆化过程必然是一个受扩散控制的、发生于晶界的、能使晶界弱化的、与马氏体及残余奥氏体无直接关系的可逆过程。而可逆过程只可能有两种情况，即脆性相沿晶界的析出与回溶以及溶质原子在晶界上的偏聚与消失，因此提出了脆性相析出理论和杂质元素偏聚理论。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （1 1）脆性相析出理论）脆性相析出理论 最初认
41、为，碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出引起第二类回火脆性。其理论依据是脆性相在Fe中的溶解度随温度降低而减小，在回火后的缓冷过程中脆性相沿晶界析出而引起脆化。温度升高时，脆性相重新回溶而使脆性消失。这一理论可以解释回火脆性的可逆性以及脆化与原始组织无关的现，但无法解释等温脆化以及化学成分的影响。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 （2 2）杂质元素偏聚理论）杂质元素偏聚理论 近年来实验已经证明，钢在呈现第二类回火脆性时，沿原始奥氏体晶界的极薄层内确实偏聚了某些合金元素（如 Cr、Ni 等）以及杂质元素（如 Sb、Sn、P 等），而且回火脆化倾向随杂质元素在原始奥氏体晶界上偏
42、聚程度的增大而增大。处于韧化状态时，未发现元素在原始奥氏体晶界上的偏聚。因此认为，Sb、Sn、P等杂质元素向原始奥氏体晶界的偏聚是产生第二类回火脆性的主要原因。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 促进第二类回火脆性的合金元素（如 Cr、Ni等）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（如 Mo等）与杂质元素的亲和力很大，在晶内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的亲和力不大时，即使其向晶界偏聚，也不能将杂质元素带至晶界，故不会引起脆化。 杂质元素晶界偏聚理
43、论能较好地解释回火脆性的可逆性、晶间断裂和粗大晶粒的回火脆性倾向性大等现象。 第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 4 4）防止方法）防止方法 （1）提高钢材的纯度，尽量减少杂质； （2）加入适量的Mo、W等有益的合金元素； （3）对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法； （4）采用亚温淬火（A1-A3）： 细化晶粒，减少偏聚。加热后为A+F（F为细条状），杂质会在F中富集，且F溶解杂质元素的能力较大，可抑制杂质元素向A晶界偏聚。第六章第六章 钢在回火时的转变钢在回火时的转变 各元素在F和A中溶解度的分配比为（F/A）： Mn0.43，Ni0.50，V1.70，Sb11.8，Sn2.2，P3.0。 很明显，在F中杂质元素的溶解度大于在A中杂质元素的溶解度，故可减轻回火脆性。 （5）采用高温形变热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大，降低杂质元素偏聚的浓度。 把已经产生回火脆性的钢材加热到发生回火脆性以上的温度时，回火脆性消除，重新在出现回火脆性的温度回火时，回火脆性不重复出现。71 结束语结束语