第七章 钢的回火转变

• 含碳量<0.2％的板条状马氏体在 淬火冷却时已发生自回火，析出 碳化物。在100-200℃之间回火 时，绝大部分碳原子都偏聚到位
错线附近，没有E碳化物析出。
(三)残留奥氏体的转变
• 钢淬火后总是多少存在一些残留奥氏体。
• 残留奥氏体随淬火加热时奥氏体中碳和合 金元素的含量的增加而增多。含碳量>0.5 ％的碳钢或低合金钢淬火后，有可观数量 的残留奥氏体。 • 高碳钢淬火后于250～300℃之间回火时， 将发生残留奥氏体分解。
• 当回火温度在150-350℃之间时，碳原子活动 能力增加，能进行较长距离扩散。因此，随 着回火保温时间延长，E碳化物可从较远处获 得碳原子而长大，故低碳a相增多，高碳a相 逐渐减少。最终不存在两种不同碳含量的a相， 马氏体的碳含量连续不断地下降。这就是所 谓连续式分解。 • 直到350℃ 左右，a相碳含量达到平衡时，正 方度趋近于l。至此，马氏体分解基本结束。 • 析出的E碳化物存在于马氏体形态的a相中。
• 回火温度越高，回火初期碳含量下降越多， 最终马氏体碳含量越低。
• 高碳钢在350℃以下回火时，马氏体分解后形 成的低碳a相和弥散E碳化物组成的双相组织称 为回火马氏体。这种组织较淬火马氏体容易腐 蚀，故在光学显微镜下呈黑色针状组织。 • 回火马氏体中a相含碳量0.2％-0.3％，E碳化物 具有密排六方晶格，通常用E-FexC表示，其中 x=2-3。 • 经x射线测出，E-FexC与母相之间有共格关系， 并保持一定的结晶学位向关系。
• 为了保证淬火钢回火获得所需的组
织和性能，必须研究淬火钢在回火
过程中的组织转变，探讨回火钢性
能和组织形态之关系，并为正确制
订回火工艺(温度、时间等)提供理论 依据。
为什么淬火钢要进行回火？
钢经淬火得到的组织主要由马氏体和少 量的残余奥氏体等亚稳定组织组成。 1、过饱和碳的马氏体要发生脱溶分解； 2、残余奥氏体是高温相处于过冷状态， 也要发生转变； 3、淬火过程还使钢存在着较大的淬火应 力。淬火应力要逐渐松弛。 以上这些变化会引起钢的性能、形状和 尺寸的变化。 4、太脆。
第七章
钢 的 回 火 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，使淬火组织转变为稳定的回 火组织，然后以适当方式冷却到室温的一种热 处理工艺。 • 淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残留奥 氏体。马氏体和残留奥氏体在室温下都处于亚 稳定状态，马氏体处于含碳过饱和状态，残留 奥氏体处于过冷状态，它们都趋于向铁素体加 渗碳体(碳化物)的稳定状态转化。但在室温下， 原子扩散能力很低，这种转化很困难，回火则 促进组织转化。 • 淬火钢中内应力很大，淬火钢件必须立即回火， 以消除或减少内应力，防止变形或开裂，并获 得稳定的组织和所需的性能。
• 高碳钢在80-150℃回火时，由于碳原子活动 能力低，马氏体分解只能依靠E碳化物在马 氏体晶体内不断生核、析出，而不能依靠E 碳化物的长大进行。在紧靠E碳化物的周围， 马氏体的碳含量急剧降低，形成贫碳区，而 距E碳化物较远的马氏体仍保持淬火后较高 的原始碳含量。于是在低温加热后，钢中除 弥散E碳化物外，还存有碳含量高、低不同 的两种a相(马氏体)。这种类型的马氏体分 解称为两相式分解。
• 当回火温度升高到400℃以后，淬火马氏 体完全分解，但a相仍保持针状外形，先 前形成的E碳化物和x碳化物此时已经消 失，全部转变为细粒状渗碳体。这种由 针状a相和无共格联系的细粒状渗碳体组 成的机械混合物叫做回火托氏体。 • 图9-64为淬火高碳钢400℃回火时得到的 回火托氏体金相显微组织，其渗碳体颗 粒难以分辨。在电子显微镜下可以清楚 地看出回火托氏体中a相和细粒状渗碳体( 见图9-65)。
(2)回火托氏体
• 淬火马氏体经 350～5000C中温回 火后得到的组织 称为回火托氏体。 • 回火托氏体组织 是铁素体基体中 弥散分布着极细 小的片状或粒状 渗碳体。 • 在光镜下，铁素 体仍基本保持原 马氏体的形貌特 征，分辨不出渗 碳体的颗粒。
• 回火温度高于200℃时，含碳量<0.2％的 马氏体将在碳原子偏聚区通过连续式分 解方式直接析出渗碳体。含碳量介于0.2 ％-0.4％的马氏体可由E碳化物直接转变 为渗碳体，而不形成x-碳化物。 • 0.2——0.4
(五)渗碳体的聚集长大和a相回复、再结晶
• 当回火温度升高至400℃以上时， 已脱离共格关系的渗碳体开始明显 地聚集长大。片状渗碳体长度和宽 度之比逐渐缩小，最终形成粒状渗 碳体。碳化物的球化和长大过程， 是按照细颗粒溶解、粗颗粒长大的 机制进行的(胶态平衡理论)。 • 淬火碳钢经高于500℃的回火后， 碳化物已经转变为粒状渗碳体。当 回火温度超过600℃时，细粒状渗 碳体迅速聚集并粗化。 • 含碳0.34％的钢中的渗碳体颗粒直 径与回火温度、回火时间的关系示 于图9-66中。
• 回火可以减少或消除应力，可以
得到稳定的组织、尺寸形状和性
能，使工件达到服役状态的要求。
• 所以钢一般不能在淬火状态下使
用，必须经过回火才能使用。
一、淬火钢的回火转变及其组织
• 淬火碳钢回火时，随着回火温度升高和回火 时间的延长，相应地要发生如下几种转变。 • (一)马氏体中碳的偏聚 • (二)马氏体分解 • (三)残留奥氏体的转变 • (四)碳化物的转变 • (五)渗碳体的聚集长大和a相回复、再结晶
(一)马氏体中碳的偏聚
• 马氏体中过饱和的碳原子处于体心立方 晶格扁八面体间隙位置，使晶体产生很 大的晶格畸变，处于受挤压状态的碳原 子有从晶格间隙位置脱溶出来的自发趋 势。但在80-100℃以下温度回火时，铁 原子和合金元素还难以进行扩散迁移， 碳原子也只能作短距离的扩散迁移。
• 板条状马氏体存在大量位借，碳原子倾向 于偏聚在位错线附近的间隙位置，形成碳 的偏聚区，降低马氏体的弹性畸变能。例 如含碳量<0.25％的低碳马氏体，间隙原子 进入马氏体晶格中刃型位错旁的拉应力区 形成所谓“柯氏气团”，使马氏体晶格不 呈现正方度，而成为立方马氏体。只有当 马氏体中含碳量>0.25％，晶格缺陷中容纳 的碳原子达到饱和时，多余碳原子才形成 碳原子偏聚区，从而使马氏体的正方度增 大（？）。
• 随着回火温度升高，马氏体中除析出x-碳化物以外， 还同时析出渗碳体，即Fe3C。析出Fe3C的惯习面有 两组：一组是{112}M晶面，与x-碳化物的惯习面相 同，说明这组Fe3C可能是从x-碳化物直接转变过来 的，即“原位析出”；另一组是{100}M晶面，说明 这组Fe3C不是由x-碳化物直接转变得到的，而是由 x-碳化物首先溶解，然后重新形核长大，以“离位 析出”方式形成的。刚形成的Fe3C与母相仍保持共 格关系，当长大到一定尺寸时，共格关系难以维持， 在300～400℃时共格关系陆续破坏，渗碳体脱离a 相而析出。
• 回火温度高于250℃时，含碳量>0.4％的马 氏体中E碳化物逐渐溶解，同时沿{112}M 晶面析出x-碳化物。x-碳化物呈小片状平 行地分布在马氏体中，尺寸约5nm，它和 母相马氏体有共格界面并保持一定的位向 关系。 • 由于x-碳化物与E-碳化物的惯习面和位向 关系不同，所以x-碳化物不是由E碳化物直 接转变来的，而是通过E碳化物溶解并在 其他地方重新形核、长大的方式形成的。 这种所谓“单独形核”的方式，通常叫做 “离位析出”。
• 在碳化物聚集长大的同时，a相的状态也在不断 发生变化。马氏体晶粒不呈等轴状，而且是通过 切变方式形成的，晶格缺陷密度很高，因此，在 回火过程中a相也会发生回复和再结晶。 • 板条状马氏体的回复过程主要是a相中位错胞和 胞内位错线逐渐消失，使晶体的位错密度减少， 位错线变得平直。回火温度从400℃到500℃以上 时，剩余位错发生多边化，形成亚晶粒，a相发 生明显地回复，此时a相的形态仍然具有板条状 特征(见图9-67)。
• 片状马氏体的亚结构主要为孪晶，除少 量碳原子向位错线偏聚外，大量碳原子 将向垂直于马氏体C轴的(100)面富集， 形成小片富碳区，碳原子偏聚区厚度只 有零点几个纳米，直径约为1.0nm。
• 碳原子的偏聚现象不能用金相方法直接 观察到，但可用电阻法或内耗法间接证 实。
(二)马氏体分解
• 当回火温度超过80℃时，马氏体开始发 生分解，碳原子偏聚区的碳原子将发生 有序化，继而转变为碳化物从过饱和a固 溶体中析出。 • 随着马氏体的碳含量降低，晶格常数c逐 渐减小，a增大，正方度c／a减小。马氏 体的分解持续到350℃以上，在高合金钢 中可持续到600℃ 。
• 温度对马氏体的分解起决定作用。马氏 体的含碳量随回火温度的变化规律如图 9-58所示。马氏体的含碳量随回火温度 升高不断降低，高碳钢的马氏体含碳量 降低较快。
• 回火时间对马氏体中含碳量影响较小。当回火温 度高于150℃后，在一定温度下，随回火时间延长， 在开始1-2h内，过饱和碳从马氏体中析出很快， 然后逐渐减慢，随后再延长时间，马氏体中含碳 量变化不大。因此钢的回火保温时间常在2h左右。
• 随着回火温度的升高，亚晶粒逐渐长大， 亚晶界移动的结果可以形成大角度晶界。 当回火温度超过600℃时，a相开始发生 再结晶，由板条晶逐渐变成位错密度很 低的等轴晶。图9-68为a相发生部分再结 晶的组织。
• 对于片状马氏体，当回火温度高于250℃ 时，马氏体片中的孪晶亚结构开始消失， 出现位错网络。回火温度升高到400℃以 上时，孪晶全部消失，a相发生回复过程。 当回火温度超过600℃时，a相发生再结 晶过程，a相的针状形态消失，形成等轴 的铁素体晶粒。
• 马氏体分解及残留奥氏体转变形成的E碳 化物是亚稳定的过渡相。当回火温度升 高至250～400℃时，形成比E碳化物更稳 定的碳化物。 • 碳钢中比E碳化物稳定的碳化物有两种： 一种是x-碳化物，化学式是Fe5C2，具有 单斜晶格；另一种是更稳定的渗碳体 （ Fe3C）。
• 碳化物的转变主要取决于回火温度，也 与回火时间有关。图9-63表示回火温度 和回火时间对淬火钢中碳化物变化的影 响。由图可见，随着回火时间的延长， 发生碳化物转变的温度降低。回火温度 升高，达到相同效果所需时间减少。