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1、耿 林 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院 材料科学基础 （材料相变原理） 第6章 淬火钢回火时的转变 回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度， 保温一定时间，使淬火钢组织转变为稳定的回火组 织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工 艺。 钢淬火后的组织主要是马氏体和残余奥氏体，它们 在室温下都是不稳定组织，有向铁素体加渗碳体的 稳定态组织转变的趋势。室温下原子不易运动，转 变不能完成，加热后转变可以发生。 回火处理的目的是稳定组织，降低应力，改善性能 。 第6章 淬火钢回火时的转变 淬火碳钢回火时，比容逐渐减小，体积缩小： 马氏体回火马氏体回火索氏体 残余奥氏体比容最小，如果残余奥
2、氏体分解，将使比容增大，体积膨胀 。 6.1 淬火钢回火时的组织转变 一、淬火钢回火时的组织转变概况 淬火钢回火时，随着回火温度升高和时间的延长，将发生以下几种转变： 前期阶段：马氏体中碳的偏聚； 第一阶段：马氏体分解； 第二阶段：残余奥氏体的转变； 第三阶段：碳化物的转变； 后期阶段：渗碳体长大及铁素体回复与再结晶 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 淬火马氏体高能量的主要原因：碳原子在扁八面体间隙，过饱和，马氏 体中高密度晶体缺陷。 在80100回火时，铁原子不能扩散，碳原子可以通过短距离扩散，在 马氏体微观缺陷的间隙处偏聚，减低马氏体的
3、能量。 板条状马氏体中存在大量位错，碳原子偏聚于位错线附近的间隙位置； 片状马氏体亚结构为孪晶，碳原子在马氏体的某些晶面上直接偏聚。 碳原子在位错线上偏聚将导致淬火钢电阻率下降；碳原子在某些晶面上 偏聚，形成片状富碳区，将使淬火钢的电阻率提高、硬度上升。 可以通过测量电阻率的变化，反映淬火钢碳原子偏聚现象。 1 马氏体中碳原子的偏聚（回火前期阶段） 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 在80170回火时，随回火温度升高，析 出碳化物，马氏体碳含量下降，正方度降低 。 高碳钢在这一温度范围内以下回火时，马氏 体分解析出-FexC化合物，马氏体的
4、晶体 结构变回体心立方，含碳量降至0.25%。这 种体心立方马氏体与-FexC化合物的混合 组织称为回火马氏体。 含碳量小于0.2%的板条马氏体在淬火冷却时 已发生自回火，碳原子已经偏聚，200以 下不析出碳化物。 2 马氏体分解（回火第一阶段） 回火马氏体组织 -FexC化合物是尺寸非常细 小的亚稳定碳化物，x=2-3 ，随温度升高，它将向稳定 的Fe3C渗碳体转变。 在回火马氏体中，马氏体仍 然保持针状形态。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 含碳量大于0.4%的碳钢淬火后，组织中含有 一定量的残余奥氏体，在250300温度区 间回火时
5、，这些残余奥氏体将发生分解。随 回火温度升高，残余奥氏体数量逐渐减少。 残余奥氏体在250300的分解产物为过饱 和铁素体和碳化物的机械混合物，也可 称为回火马氏体或下贝氏体。 3 残余奥氏体的转变（回火第二阶段） 与过冷奥氏体相比，残余奥氏体中弹性畸变能较高，转变曲线相近，但有 差别：残余奥氏体向贝氏体转变速度加快，向珠光体转变速度减慢。在珠 光体和贝氏体两种转变之间，存在一个残余奥氏体的稳定区。 含碳量1.1%的铬钢两种 奥氏体等温转变图 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 在250400回火时， 马氏体中过饱和碳原子 全部脱溶，生成比
6、碳化物更为稳定的碳化 物。 4 碳化物的转变（回火第三阶段） 含碳量大于0.4%的碳钢淬火后，250以上温度回火时，碳化物 逐渐溶解，析出较为稳定的碳化物（Fe5C2）；温度继续升高， 开始析出稳定的碳化物（Fe3C渗碳体）。 淬火高碳钢回火时碳化物转变示意图 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 碳含量小于0.4%的马氏 体回火时不形成碳 化物；小于0.2%时，不 析出碳化物，直接 形成碳化物。 4 碳化物的转变（回火第三阶段） 当回火温度升高到400时，淬火马氏体完全分解，但铁素体仍保持 针状，碳化物全部变为碳化物。这种由针状铁素体和与其无
7、共格 关系的细小渗碳体组成的机械混合物，称为回火屈氏体。 回火屈氏体 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 淬火板条马氏体回火温度高于400时，铁素体相开始发生回复 ，位错胞和胞内位错线逐渐消失，晶内位错密度下降，剩余位错 重新排列，形成二维网络，构成亚晶粒，但铁素体相仍具有板条 状特征。回火温度达到600时，铁素体发生再结晶，由位错密 度很低的等轴状晶粒逐渐取代板条状晶粒。 片状马氏体回火温度高于250时，马氏体孪晶亚结构消失，出 现位错网络，400时，孪晶全部消失，铁素体发生回复，600 时发生再结晶。 5 相状态的变化及碳化物聚集长大（回
8、火后期阶段） 第6章 淬火钢回火时的转变 6.1 淬火钢回火时的组织转变 二、淬火碳钢的回火转变过程 淬火钢在500650回火时，渗碳体 聚集成较大颗粒，马氏体针状形态消 除，形成多边形铁素体，这种铁素体 和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回 火索氏体。 5 相状态的变化及碳化物聚集长大（回火后期阶段） 回火温度达到300时，碳原子从铁素 体中析出，第三类内应力得到消除； 350时，铁素体回复，第二类内应 力下降；500600，第一类内应力 消除。 回火索氏体 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 一、合金元素对马氏体分解的影响 合金元素通过影响碳的扩散而影响马氏体的分解。
9、 强碳化物形成元素于碳的结合能力强，提高碳在马氏体中的扩散激 活能，阻碍碳原子扩散，降低马氏体分解速度。同时，强碳化物形 成元素于碳原子结合力很强，将阻碍碳从固溶体中脱溶。这种合金 元素阻碍马氏体中碳含量降低和碳化物脱溶，时钢保持高硬度和高 强度的性质称为“抗回火性”。 非（弱）碳化物形成元素Ni(Mn)与碳的结合力和铁比较相当，所以 对马氏体分解影响不大。 非碳化物形成元素Si和Co能溶解到碳化物中，使碳化物稳定， 降低碳化物聚集速度，推迟马氏体分解。 合金元素可使完全脱溶温度提高100-200。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 二、合金元素对残余奥氏体转变的影
10、响 在Ms点以下温度回火时，残余奥氏体将转变为马氏体。 在Ms点以上温度回火时，可能发生以下三种转变： (1)残余奥氏体在贝氏体转变温度区域内等温转变为贝氏体。 (2)残余奥氏体在珠光体转变温度区域内等温转变为珠光体。 (3)残余奥氏体在加热和保温过程中不分解，在随后冷却过程中转 变为马氏体，二次淬火。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 三、合金元素对碳化物转变的影响 钢中加入非碳化物形成元素（Cu, Ni, Co, Al, Si），一般可提高 碳化物类型的转变温度。 钢中加入强碳化物形成元素（Mo, V, W, Ti），不仅可以推迟碳化 物类型转变温度，还会发生渗
11、碳体到其它类型的特殊碳化物的转变 。一般把渗碳体到特殊碳化物的转变称为回火第四阶段。 回火过程中合金元素的重新分配：随回火温度升高，碳化物形成元 素不断向渗碳体中扩散，非碳化物形成元素逐渐向相中扩散。 随回火温度升高或保温时间延长，碳化物的转变顺序为： 碳化物渗碳体合金化渗碳体亚稳特殊碳化物稳定特殊碳 化物 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 三、合金元素对碳化物转变的影响 钢中是否形成特殊碳化物，取决于碳含量和合金元素含量及性质， 同时碳取决于回火温度和保温时间。 合金钢在回火过程中，由渗碳体转变为特殊碳化物时，通常都使通 过亚稳定碳化物再转变为稳定碳化物。 回火时
12、特殊碳化物的形成由两种形成机制： 原位转变：碳化物形成元素首先在渗碳体中富集，当其浓度超过合 金渗碳体的溶解度极限时，渗碳体的点阵就改组成特殊碳化物点阵 。 独立形核长大：直接从相中析出特殊碳化物，并同时伴有合金渗 碳体的溶解。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 四、回火时的二次硬化与二次淬火 当钢中含有强碳化物形成元素时，将减弱软化倾向，继续提高回火温度 ，将析出特殊碳化物，导致钢的再次硬化，称为二次硬化。 二次硬化是由弥散细小的特殊碳化物在位错区沉淀析出造成的。这些特 殊碳化物呈针状或薄片状，与相保持共格关系。 对二次硬化有贡献的因素是：特殊碳化物的弥散度、相中
13、的位错密度 和碳化物与相之间的共格畸变等。 提高钢的二次硬化效应的途径： (1)提高钢中位错密度，增加特殊碳化物形核部位，增大碳化物弥散度。 (2)钢中加入某些合金元素，减慢合金元素扩散，抑制细小碳化物长大。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.2 合金元素对回火转变的影响 四、回火时的二次硬化与二次淬火 当残余奥氏体比较稳定，在较高温度回火加热保温时未发生分解， 而在随后的冷却过程中发生马氏体转变。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”。 高速钢利用二次淬火，可以提高硬度、耐磨性和尺寸稳定性。 在回火温度发生反稳定化，碳原子气团蒸发，相变阻力减小。 五、合金元素对相回复和
14、再结晶的影响 合金元素能延缓相的回复和再结晶过程，合金含量越高，延缓作 用越强 第6章 淬火钢回火时的转变 6.3 钢在回火时机械性能的变化 一、硬度 淬火钢随回火温度的升高，硬度连续下降 。碳含量较高时，在100左右由于碳原子 偏聚和碳化物析出，使硬度略有升高 ，在200300回火时，由于残余奥氏体 分解为下贝氏体或回火马氏体，硬度下降 平缓。 回火温度超过300后，碳化物转变为渗碳体，渗碳体长大，共格 界面破坏，硬度持续下降。 钢中合金元素可以减小回火过程硬度下降速度，提高回火稳定性。强 碳化物形成元素可以在高温回火时析出弥散的特殊合金碳化物，造成 二次硬化。 回火温度对硬度的影响 第6章
15、 淬火钢回火时的转变 6.3 钢在回火时机械性能的变化 二、强度和塑性 随回火温度升高，钢的强度不断下降，塑性不断提高。300以上回 火使钢的塑性提高明显；350左右回火时，钢的弹性极限达到极大 值。 合金元素提高钢的回火稳定性，如果要求轻度相同，合金钢要采用 较高的回火温度。 三、韧性 随回火温度升高，钢的韧性增大，但在250-400和450-600两个 温度范围内可能出现韧性下降现象回火脆性。 第6章 淬火钢回火时的转变 6.3 钢在回火时机械性能的变化 四、钢的回火脆性 在250400温度范围内回火时出现的脆化现象称为第一类回火脆 性，或低温回火脆性。 第一类回火脆性的特点：已经产生回火
16、脆性的工件在更高温度回 火时，脆性消失，再在回火脆性温度区间回火，不会重新变脆，不 可逆性；第一类回火脆性与回火后的冷却速度无关；脆化工件 的断口为晶间断裂或穿晶断裂。 第一类回火脆性产生原因：碳化物析出状态不良。 避免方法：不在发生回火脆性的温度范围内回火。 第一类回火脆性 第6章 淬火钢回火时的转变 6.3 钢在回火时机械性能的变化 四、钢的回火脆性 在450650温度范围内回火时出现的脆化现象称为第二类回火脆 性，或高温回火脆性。 第二类回火脆性的特点：对冷却速度的敏感性；可逆性；脆 化工件的断口为晶间断裂。 第二类回火脆性敏感度： 韧性状态的冲击韧性（aK1）与脆性状态 的冲击韧性（aK2）之比，比值大于1，比值越大，回火脆性倾向越严 重。 脆化处理前后脆性转变温度之差（），回火脆度。 产生机制：P等杂
