淬火钢的回火转变
回火中组织变化.
淬火钢回火时组织和性能的变化
80～200℃，发生马氏体的分解
由淬火M中析出薄 片状细小的ε碳化物, 使M中碳的过饱和 度降低，通常把这 种过饱和α+ε碳化物 的组织称为回火马 氏体（M回）。在显 微镜下观察呈黑色 针叶状。
回火马氏体
淬火钢回火时组织和性能的变化
200～300℃发生残余奥氏体分解
残余奥氏体完 全分解为过饱 和的α+ε碳化 物的混合物， 这种组织与马 氏体分解的组 织基本相同。 组织为M回。
回火马氏体
淬火钢回火时组织和性能的变化
300～400℃，发生碳化物的转变 马氏体分解完成，过饱和的α中的含碳量达饱和 状态，M→F，但这时的铁素体仍保持着马氏体 的针叶状外形，这பைடு நூலகம்ε碳化物转变为极细的颗粒 状的渗碳体。 这种由针叶状F和极细粒状渗碳体组成的机械混 合物称为回火托氏体（T回）。
回火托氏体
淬火钢回火时组织和性能的变化
400℃以上，发生渗碳体的长大与固溶体再结晶
400℃以上粒状渗碳体将逐渐聚集长大，α相 开始回复，500℃以上时发生再结晶，从针 叶状转变为多边形的粒状，同时粒状渗碳体 聚集长大成球状，即在500℃以上（500650℃）得到由粒状铁素体+球状Fe3C组成 的回火组织——回火索氏体。（S回）
淬火钢回火时组织转变介绍
淬火钢回火时组织转变介绍淬火钢回火是一种常见的热处理工艺，通过控制加热和冷却过程中的温度和时间，可以改善淬火后的钢材组织和性能。
淬火后的钢材通常具有硬度高、脆性大等特点，回火处理可以使其获得一定的韧性和塑性，提高其综合性能。
淬火钢回火的基本原理是通过加热淬火后的钢材到一定温度，然后进行恒温保温一段时间，最后再进行冷却。
在这个过程中，钢材的组织会发生转变，主要表现为马氏体分解、析出出现和晶粒长大。
以下将详细介绍这些组织转变的过程。
淬火后的钢材主要为马氏体，而马氏体是一种脆性组织，回火时需要改变其组织形态。
在回火过程中，钢材受热到一定温度，马氏体开始分解成为一种较为稳定的组织形态，称为回火组织。
回火组织主要由贝氏体、残余奥氏体和回火渗碳体组成。
其中，贝氏体是一种具有韧性和塑性的组织，可以提高钢材的韧性。
残余奥氏体主要是未完全转变的马氏体，其含有适量的碳和合金元素，也具有一定的韧性和塑性。
回火渗碳体是在回火温度下，一部分由马氏体转变而来，富含碳元素，具有一定的韧性。
在回火过程中，马氏体析出出现也是重要的组织转变现象。
大部分马氏体靠较高的回火温度和长时间的回火使其尽量析出出现，以增加钢材的韧性。
马氏体析出的主要方式有两种：一种是基于长时间回火，由于较高温度使马氏体逐渐转变为贝氏体和残余奥氏体，从而使马氏体开始析出出现；另一种是基于高回火温度和短时间回火，使马氏体内部的残余奥氏体转变为贝氏体，从而使马氏体开始析出出现。
无论是哪种方式，都可以通过在适当的时间和温度下进行回火处理来增加马氏体的析出出现，提高钢材的韧性。
晶粒长大是淬火钢回火过程中的另一种组织转变。
在淬火过程中，钢材的晶粒会因快速冷却而变小，而小晶粒往往与碳化物结合更紧密，导致材料更加脆性。
回火时，由于较高的温度和较长的时间，晶粒开始重新长大，形成较大的晶粒。
较大的晶粒可以形成多个晶界，使得材料更加具有韧性。
总结起来，淬火钢回火时组织转变主要包括马氏体分解、马氏体析出出现和晶粒长大。
碳钢淬火回火过程
碳钢淬火回火过程
碳钢淬火过程
1.加热：
-钢件首先被加热到高于其临界温度（Ac3或Ac1），使原始组织完全奥氏体化。
对于大多数碳钢而言，这个温度通常在700℃至900℃之间，具体取决于材料的碳含量和其他合金元素。
2.保温：
-在达到奥氏体化温度后，钢件会在炉内保持一段时间以确保整个截面都均匀地转变为奥氏体组织。
3.快速冷却：
-随后迅速将钢件移出加热炉，并放入一种冷却介质中进行淬火，如水、油、盐浴或者空气，以获得马氏体组织。
马氏体是一种高硬度但脆性的组织形态。
碳钢回火过程
4.再加热：
-经过淬火后的钢件，为了降低其内部应力和改善机械性能，需要再次加热到一个低于临界温度的特定回火温度。
5.回火保温：
-回火温度的选择依据所需的最终性能，可以分为低温回火（约150-250℃）、中温回火（约300-500℃）以及高温回火（大于500℃）。
在选定的温度下保持一段时间，让内部组织发生转变。
6.缓慢冷却：
-回火结束后，钢件通常在空气中自然冷却，或者根据需要采用缓冷的方式，而不是像淬火那样急剧冷却。
淬火钢回火时的组织转变
3 残余奥氏体的转变
200~300℃范围属于回火的第二阶段。在这个阶段，将发生残余奥氏体的
分解。含碳量w（C）低于0.4%的钢淬火后不出现残余奥氏体，故不存在残余奥 氏体的分解转变问题。含碳量w（C）大于0.4%的钢淬火后可能得到马氏体和残
余奥氏体。残余奥氏体或者在较高温度范围内（下贝氏体转变区）转变为下贝氏 体；或者在Ms点以下较低温度范围内转变为马氏体。
含碳量w（C）低于0.2%的板条马氏体在100~ 200℃之间回火时没有ε碳化物的
析出，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a基体中的碳含量降低。
2.3 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， 故回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征。
• 回火第一阶段转变后，钢的组织由过饱和度 降低了的a固溶体和高度弥散分布、与母相a 保持共格联系的ε亚稳碳化物组成，这种组 织称为回火马氏体。
• 体心立方马氏体的含碳量与淬火钢的原含碳 量无关，如前所述，均为
w(C)0.25%~0.30%。
图7 不同碳含量马氏体回火时碳浓度的变化
图8 w(C)1.84%高碳马氏体回火时三种碳化物的析出范围
图4 Fe-15Ni-1C马氏体150℃×lh回火后ε-FexC的TEM照片
2.1 高碳马氏体的分解——(1) 高碳马氏体的双相分解
(a) (a)
(b) (b)
图5 图马1氏1.1体5 双马相氏分体双解相示分意解图示意图
((cc) )
图6图马11氏.16体马双氏相体分双解相时分碳解的时分碳布的分布
第7章 淬火钢在回火时的转变
第7章淬火钢在回火时的转变Ø7.1 淬火钢在回火时的组织变化Ø7.2 淬火钢回火后的机械性能的变化Ø7.3 合金元素对回火的影响Ø7.4 回火脆性现象7.1 淬火钢在回火时的组织变化Ø淬火组织是高度不稳定的6M中的碳是高度过饱和的6M有很高的应变能和界面能6与M并存的还有一定量的ArØ回火目的6提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性6降低或消除淬火引起的残余内应力Ø回火分为五个阶段：7.1 淬火钢在回火时的组织变化一、过渡碳化物（ε/η或ε`）的析出—回火第一阶段（100‾200 ℃）6M 中的碳原子发生偏聚，碳浓度降低，正方度减小，并析出碳化物h ε碳化物，密排六方，成分介于Fe2C 与Fe3C 之间（ε-FexC)，但低碳钢中沉淀ε碳化物可能性较小。
位向关系为h Fe2C(η或ε`碳化物），片状，正交晶系，与基底保持共格联系，位向关系为6薄片状ε碳化物分布在低过饱和度的M 中，此即回火M （M 回）二、残余A的分解—回火第二阶段（200‾300℃）6随着M→M 回转变时，由于压应力的减小，残余奥氏体发生分解生成B下（α相+ε-碳化物）6此时由于碳化物的析出，使M回极易腐蚀，在光镜下呈黑色，与B 下极相似，很难区分三、过渡碳化物（ε/η或ε`）转变为Fe3C —回火第三阶段（200‾350 ℃）6渗碳体（θ相）在M 板条中形核，位向关系为6高碳M 此阶段析出的是Х-Fe5C2,复杂斜方点阵，呈薄片状6α相的过饱和度明显减少转变为F ，内应力大大消除，这时的组织为在针状铁素体上均匀分布极细的渗碳体，称为回火屈氏体（T 回）。
7.1 淬火钢在回火时的组织变化四、Fe3C 的粗化和球化及等轴F 的形成—回火第四阶段（350℃以上）6400℃以上，Fe3C 聚集长大，600℃以上F 粗化，同时450℃以上α相开始再结晶形成多边形F ，固溶强化作用消失，HB 、σb ↓，AK ↑6得到平衡状的多边形铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为回火索氏体（S回）。
钢的热处理——钢的回火转变
四 碳化物转变(250~400℃) ——转变第三阶段
（一）高碳马氏体
碳钢中马氏体过饱和的C几乎全部脱溶，但仍 具有一定的正方度。形成两种比ε-FexC更加稳定 的碳化物： 一种是c-Fe5C2——单斜晶系
一种是θ-Fe3C——正交晶系
(1)碳化物转变取决于回火温度，也和时间有关， 随着回火时间的延长，转变温度可以降低。 (2)是否出现χ-Fe5C2与钢的C%有关，C%增加有利 于χ-Fe5C2产生(板条马氏体不易产生χ-Fe5C2)。
c
c/a
3.02 3.02 2.886 2.886 2.884 2.878 2.874
1.062 1.062 1.013 1.012 1.009 1.006 1.004
碳含量 (%) 1.4
1.2 0.29 0.27 0.21 0.14 0.08
250
1h
2.863
2.872
1.003
0.06
2. 马氏体单相分解 当温度高于150℃时，碳原子扩散能力 加大，a-Fe中不同浓度可通过长程扩散消 除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳 原子而长大。故在分解过程中，不再存在 两种不同碳含量的a相，碳含量和正方度不 断下降，当温度达300℃时，正方度c/a接 近 1。
淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的 组织： 250℃以下回火，得到α+碳化物(ε,η)， 即回火马氏体 (碳化物存在于板条或片内)， 记作M‘ ----低温回火 350~500℃回火，得到α （0.25%C）+θ 碳 化物，即回火屈氏体(细小碳化物及针状 α )， 记作T‘。----中温回火 500~650℃回火，得到平衡态等轴α+θ碳 化物，即回火索氏体(细粒碳化物及等轴 α)，记作S‘。-----高温回火
钢的回火转变知识点总结
抑制回火脆性。
8.哪些机械性能产生变化？
（1）硬度。 （2）强度和韧性。
9.回火脆性
[例题]将共析钢加热至 780℃，经保温后，请回答：
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（1）若以图示的 V1、V2、V3、V4、V5 和 V6 的速度进行冷却，各得到什么组织？ （2）如将 V1 冷却后的钢重新加热至 530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性 能有何变化？
①离位析出；原位析出。（本质：扩散）
回火第三阶段 （250-400℃）
碳化物的转变
②一般规律：随温度升高，碳化物由亚稳态向稳态 转变。
③随时间的延长，碳化物转变温度逐渐降低。
回火第四阶段 渗碳体的聚集长大 亚结构全部消失。
（400℃以上） 和α相回复、再结晶
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4.回火的目的
稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适
具有强度、塑性和 韧性都较好的综 合机械性能。
中碳结构钢和低合金结 构钢（发动机曲轴、连杆、 连杆螺栓、汽车半轴、机 床主轴、齿轮）
6.回火时间
一般不超过 2h。
7.回火后的冷却 （1）一般采用空冷，防止重新产生内应力和变形、开裂。
（2）对于具有第二类回火脆性的某些合金钢工件，高温回火后应进行油冷或水冷，以
马氏体的分解
钢降低较缓。 ③回火时间对马氏体中含碳量影响较小，初期下降
很快，随后趋于平缓。
④较低温时，二相式分解（两种正方度的马氏体）；
较高温时，连续式分解（一种正方度的马氏体）。
回火第二阶段 （200-300℃）
残余奥氏体的转变
①随回火温度的升高，残余奥氏体的数量逐渐减少。 ②残余奥氏体和过冷奥氏体无本质区别，只是两者 所处的物理状态不同，使转变速度有所差异。
淬火碳钢回火时的组织转变
双相分解的速度 与温度有关，温度愈高，分解速度就愈快。经计算得出在不同温度下马氏体分解 一半所需时间，如表11.3所示。
表11.3 不同温度回火时马氏体的半分解期
温度,
0
20
40
℃
时间
340年 6.4年
2.5
月
60
80
100
120
3
8
50
8
天
小时
分钟
分钟
可见，提高温度将使高碳马氏体的双相分解速度大大加快。
随回火温度升高，c/ a逐渐减小，α相中碳含量逐渐降低。
这表明，由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方式，即双相分解和
单相分解。
（1）马氏体的双相分解 回火温度在125～150℃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α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α相。
由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散，已经析出的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。
随着分解过程进行，高碳区愈来愈少，低Байду номын сангаас区愈来愈多。当高碳区完全消失时 双相分解即告结束。此时，α相的平均碳含量降至C1。
低碳区的C1与马氏体原始C0及分解温度无关，为一恒定值，约为0.25%～ 0.30%。
在室温附近，Fe及合金元素原子都难以扩散迁移，但C、N等间隙原子尚能作 短距离扩散。当C、N原子扩散到上述微观缺陷处后，将降低马氏体的能量。
因此处于不稳定状态的淬火马氏体在室温附近，甚至在更低温度下停留时，C、 N原子可以作一定距离的迁移，出现C、N原子向微观缺陷处的偏聚现象。 对于板条状马氏体：
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1、新鲜马氏体在低温回火时性能的变化
在马氏体形成最初就开始过饱和固溶体的脱溶，即回火转变。一般的被 称为“淬火马氏体”的组织，实质上是脱溶初期阶段的某种状态（碳原 子的偏聚）。
为了研究Fe-C马氏体回火脱溶的全过程，尤其是脱溶初期的行为，首先 要获得一个“新鲜”的即未发生任何脱溶的马氏体。
3、θ-Fe3C的过渡相
碳化物的晶体学参数
Fe3C
ε-Fe2.4C
过渡相ε-Fe2.4C是20世纪50年 代初测定的。
70年代以后测定出η-Fe2C， 认为ε-Fe2.4C就是η-Fe2C，因 而出现六方和正交之争。
目前，人们还在不同钢中进 行逐一测定，尚不能作出普 遍性的结论。
η-Fe2C是20 世纪70年代弘津测定
中、高碳钢的淬冷硬度，在低速淬冷时，硬 度高；在高速淬冷时，硬度变低。低速的代表 值v1约为1500℃/s。在此冷速范围，马氏体的 硬度（H1）与一般工业淬火硬度没有什么差异。 高速（v2）的代表值约为23000℃/s。用此速度 或更快的速度淬冷，得到的硬度（H2）显然较 低，而且保持恒定。
“新鲜”马氏体回火时电阻 率的变化
③中碳马氏体中存在位错和孪晶两种亚结构，其 析出过程
从碳原子气团Hc、Dc状态于100℃即开始析出过渡相 η-Fe2C或ε-Fe2.4C，温度高于200℃时，即有θ-Fe3C的析出， 即在位错气团基础上直接析出平衡相。 100～300℃范围内析出的η-Fe2C或ε-Fe2.4C则是孪晶型 马氏体序列的环节。 至今未见中碳马氏体析出–Fe5C2的报导。
②高碳片状孪晶马氏体的脱溶过程
温度高于100℃即开始析出过渡相η-Fe2C或ε-Fe2.4C， 呈极细小的片状；
温度高于200℃时，η-Fe2C（或ε-Fe2.4C）开始回溶， 同时析出另一个过渡相-Fe5C2，并且迅即开始平衡相 θ-Fe3C的析出。
在一个相当宽的温度范围内， –Fe5C2与θ-Fe3C共存， 直到450℃以上-Fe5C2消失，全部转变为θ-Fe3C。
气团”。
碳原子偏聚团的外形尺寸
柯垂尔（Cottrell）气团
C原子在位错线上的偏聚，称为柯垂尔气团。 在淬火态，碳原子已经处于位错偏聚态，0.2%碳使马 氏体中的位错完全饱和。碳原子偏聚于位错线，使它对 合金的电阻率的贡献大大减少（与均匀固溶态相比）。
脱溶的第一阶段——偏聚
工业条件下或者一般试验条件下所获得的 马氏体，碳原子已经完成了脱溶的第一阶 段——偏聚，一部分以柯垂尔（Cottrell）气 团存在，另一部分以弘津偏聚团形式出现。 马氏体中的含碳量超过0.2%越多，则弘津气 团的数量越多。
固溶态的电阻率高于分离态
2、碳原子的偏聚团
马氏体中的碳原子选择性地占 据同一晶向（如[001]α）八面体 间隙，形成晶格的正方性。
弘津首先指出处于同一晶向八 00 1 2 面体间隙的碳原子进一步发生
偏聚，可以形成小片状的碳原
某碳原子（几率＝1.00）周围出 现其它碳原子的几率
Chap6_淬火钢的回火转变
回火加热时非平衡组织的转变
1、马氏体的回火转变（脱溶、碳化物的聚集长大、α相的 回复再结晶等）； 2、贝氏体的回火； 3、残余奥氏体的分解及转变； 4、低碳钢的时效。
这些转变是非平衡组织在A1以下加热过程中不断向平 衡态转化的过程。
6.1 Fe-C马氏体的回火
钢回火5阶段： 预备（时效）阶段：马氏体中碳原子的偏聚，<80～100ºC 第一阶段：马氏体分解，80～250ºC 第二阶段：残余奥氏体转变，200～300ºC 第三阶段：碳化物析出与转变，250～400ºC 第四阶段：α相回复再结晶、及碳化物聚集长大，>400ºC
–Fe5C2的晶体结构与θ－Fe3C很相似，同属
所谓三棱柱型的间隙化合物。
马氏体的回火析出过程
小于0.2%C的低碳马氏体，200℃以下回火时，只形成碳原 子的位错气团；高于200℃时，析出平衡相渗碳体。
中碳马氏体200℃以下回火时，形成碳原子的位错气团和弘 津气团。100～300℃之间形成η（或ε）碳化物。
高碳马氏体形成过程较为复杂，随着回火温度的升高，析
出序列为：Dc→η（或ε）→ →θ－Fe3C。
①低碳的板条状马氏体的脱溶过程
200℃以下回火时不析出碳化物，只有碳原子偏聚团。 200℃以上，直接析出平衡相θ-Fe3C。说明析出过渡相 η-Fe2C或ε-Fe2.4C需要扩散富集较高的含碳量，这对于 低碳马氏体来说较为困难。同时也说明，Dc碳原子的 位错气团可以吸纳大量碳原子，较为稳定，难以再提 供多余的碳原子来析出过渡相。
含碳量小于0.08%时，在-40至100℃区间 内，（ ρ2 -ρ 1 ）<0，表明马氏体发生了碳在 位错线上的偏聚——“非均匀偏聚”（柯垂 尔气团），使电阻率降低；含碳量大于 0.08%C时，在-40至100℃区间内，（ ρ2 ρ 1 ）>0，表明电阻率升高，说明此时没有 碳化物析出。 有少量碳原子在其最有利的温度形成G.P. 区，发生碳原子的“均匀偏聚”过程。随着 含碳量的增加，“均匀偏聚”的碳原子越来 越多（弘津气团），逐渐使Δρ值大于零。
高碳片状孪晶马氏体中的θ-Fe3C于300℃析出。但是，若将–Fe5C2纳 入θ-Fe3C脱溶的一个阶段，则其析出的开始温度仍为200℃。 一般认为，高碳片状孪晶马氏体中η→ →θ过程中相的形核，以及 中碳孪晶马氏体η→θ过程中的θ的形核，都是异位的。 θ相自α+ 状态的形成是原位的。 经常观察到的θ-Fe3C处于孪晶面上。由于其惯习面与马氏体的孪晶面 {112}α相同，因而形成沿着孪晶界的小片状的θ-Fe3C集群。含碳量越高， 孪晶界上的θ-Fe3C小片的密度越大。
S. Ansell设计了一种超高速深冷淬火装置，可以104℃/s冷速淬火，冷却 0℃（冰水）后迅速转入-195℃，并且在低温下测定硬度。得到了新鲜马 氏体，硬度测定表明新鲜马氏体的硬度低于一般(老)马氏体的硬度，回 热到室温后硬度又上升。
高速淬冷的Fe-C马氏体硬度与淬冷速度的关系
低碳钢的淬冷硬度保持低水平，且H～v曲 线为水平的。
子团，称为弘津气团。
“弘津气团”的形状
弘津气团（碳原子偏聚团）仅仅包含2～ 4个碳原子，呈透镜状。法向最大尺寸约 等于铁素体的晶格常数aα，径向约为2aα。
惯习面为{100}α，后来也有人认为是 {102}α 。严格地说，这么一个小尺寸的 聚集物，难以称为通常意义上的成分偏 聚，很接近均匀固溶，将其称为“弘津