回火脆性 的证明与原因以及防治措施

第二类回火脆性的证明、原因及防治措施

摘要：把第二类回火脆性的定义、特征及其评定方法作为一个依据，设计了一个实验方案。通过四个步骤：淬火、回火（快冷、缓冷）、磨光及冲击试验、结果分析来证明某钢材具有第二类回火脆性。分析第二类回火脆性的原因及影响因素，并针对各原因和影响因素分析第二类回火脆性的防治措施。

关键词：第二类回火脆性、缓冷、冲击韧性、原因、影响因素、防治措施

一.绪论

淬火钢在回火过程中（回火后缓冷）出现脆性增大，韧性降低的现象，这即为回火脆性。在较低温度（250℃~400℃）出现的回火脆性称为第一类回火脆性;在较高温度（450℃~650℃）出现的回火脆性称为第二类回火脆性，也称为高温回火脆性。

第一类、第二类回火脆性的叫法来自于苏联教科书，西方国家分别称其为回火马氏体脆性（TME ）、回火脆性（TE ）。第一类回火脆性是产生以后无法消除的，而第二类回火脆性却是可逆的。产生回火脆性的试样只要重新在高于600℃温度短时间加热并快冷，即可消除。我们本次探究的即为第二类回火脆性。其主要在合金结构钢（含Cr 、Ni 、Mn 、Si 的调质钢）中出现。

有实验表明，钢材在出现第二类回火脆性并不伴随着抗拉强度和塑形的改变，对于许多物理性能（如矫顽磁力、密度、电阻等）也不发生影响，X 射线晶体分析，也没有发现点阵中有差异。但有如下四个明显的特征：

1）.冲击吸收功—回火温度曲线上出现马鞍形，或冲击韧度降低；

2）.韧脆转变温度升高；

3）.断口通常是沿原奥氏体晶界的沿晶断口；

4）.晶粒边界上有杂质元素和某些合金元素的偏聚。

前两点可以说是产生第二类回火脆性的性能判据，后两点是第二类回火脆性的断口形态和成分判据。

为了判定某种钢材是否具有第二类回火脆性，除了要知道其定义和特征外，还要知道第二类回火脆性的评定方法。钢的第二类回火脆性倾向大小的表示方法有很多种，最初都采用回火时快冷与缓冷后的室温冲击试验的冲击韧度的比值表示，或者以韧性状态（回火快冷）与脆化状态（在出现回火脆性的温度比较长时间保温）的室温冲击韧度的比值表示，即

)

()(脆性状态或回火缓冷韧性状态或回火快冷k k a a =∆ 当△值大于1时，表明钢有第二类回火脆性倾向。△值称为钢的第二类回火脆性敏感系数。这个系数越大，说明钢的回火脆性倾向越大。

本次设计的实验就采用这种评定方法。

二.实验方案

根据以上所述的第二类回火脆性的特征及评定方法，可设置以下的实验方案以证明某种钢材具有第二类回火脆性。

1.淬火

首先取该钢材制成的的带缺口的冲击试样10个，要求为长方体，且端面为正方形。根

据其3Ac 线或1Ac 线确定其加热温度。对碳钢来说，根据实践经验，其淬火加热温度，对亚共析钢为3Ac +（30~50℃），共析钢和过共析钢为1Ac +（30~50℃）。而对低合金钢来说，淬火加热温度应选定为3Ac （或1Ac ）+（50~100℃）。故本次实验，我们取3Ac （或1Ac ）+50℃.

再确定其淬火保温时间。保温时间与工件的尺寸有关。由于本次实验采用试样为长方体，且端面为正方形，应测出正方形边长，并查下面的系数表，得出保温时间t 。

表1. 实验室碳素钢及低合金钢加热时间的确定

最后是冷却，本次实验采用水冷。水冷冷却速度快于临界冷却速度，得到马氏体组织。

2.回火（快冷、缓冷）

将淬火后的试样分成五组，分别于450℃、500℃、550℃、600℃、650℃高温回火，保温3个小时。保温时间的确定参考镍铬钢高温回火的冲击韧性的变化。加热后每组的两个试样分别采用油冷和空冷。因为一般情况下回火后在空气中冷却，但具有第二类回火脆性的零件回火后应在油中冷却。即若一种钢材有第二类回火脆性，在油冷（快冷）情况下不会出现第二类回火脆性倾向。

3.磨光、冲击试验

将每个试样的四个表面均磨光 (注意不能混淆)，然后做冲击试验，得到其冲击值。冲击试验采用夏氏冲击试验机，实验的试样应摆放准确，防止过大误差发生。得出十个数据后，绘制不同回火温度冲击韧性变化曲线（各点之间光滑连接）。

4.结果分析

由两条曲线的走向可以分析出该材料是否具有第二类回火脆性。若淬火条件完全相同，相同的试样在不同温度回火，随着回火温度升高，硬度会降低，冲击韧性随之升高。所以若一种材料具有第二类回火脆性，在其中一段温度区间内，曲线应呈下凹的形状。而设置油冷（快冷）和空冷（缓冷），则是为了相互对照。因为回火后快冷可防止第二类回火脆性的发生。

三.第二类回火脆性的原因及防治措施

含有铬、锰、磷、氮等元素的淬火钢在450℃~550℃的范围内进行长时间回火，如果回火后在该温度范围内缓慢冷却，将会使其脆性增加。其原因通常认为是缓慢冷却时，钢中的某些元素元素如镍、铬以及一些杂志如磷、硅等富集在原奥氏体晶界而引起脆化，碳化物、氧化物便沿着晶界析出，使钢的冲击韧性下降。Sb 、Ni 、Cr 等元素在晶界偏聚越大，回火温度越高，第二类回火脆性越严重。

为了得出第二类回火脆性的防治措施，还必须了解第二类回火脆性的影响因素。第二类回火脆性受很多因素影响，其可以分为以下三个方面，即钢的化学成分、热处理工艺和组织状态。

1.钢的化学成分

成分是影响钢的第二类回火脆性的最根本的因素。例如碳钢，不含合金元素，便没有这类脆性。根据钢中成分对第二类回火脆性的作用，大体可以把它们分成三类：

⑴包括铬、镍、锰、硅、碳等，它们都有不同程度的促进第二类回火脆性的作用。当单独加入时，其作用大小按锰、铬、镍、硅、碳的顺序递减。但这类元素促进脆性的作用必须有磷、锡、锑、砷等杂质存在才能表现出来。且当两种或两种以上的这类元素同时加入时，其促进脆性的能力会大于单独加入时两者的作用之和。

⑵包括磷、硫、锡、锑、砷、硼等杂质。它们也具有促进第二类回火脆性的作用，但这类元素只有与⑴类元素共存时才能引起第二类回火脆性。所以碳钢中虽含有以上某些杂质，却不存在第二类回火脆性。

⑶包括钨、钼、钒、钛等，对第二类回火脆性都有抑制作用，其中以钼的作用最为显著，钨次之。

2.热处理工艺

其原因可以概括如下：①若在回火脆化温度范围内回火，或在更高的温度回火并慢冷通过此温度区，均会导致第二类回火脆性。当然，不同的钢，这一温度范围有所不同。②回火后的冷却速度对出现回火脆性的情况有很大影响。所有的研究都证实，即便是在脆化温度区内回火，如果保温时间很短或随后快冷也能获得较高的韧性和较低的韧脆转化温度。③脆化后的钢可用脱脆处理加以改善。

3.组织状态

这里主要指的是回火前的组织状态。不论刚才具有什么原始组织（珠光体、贝氏体、马氏体），经脆化处理后，都出现回火脆性。对镍铬钢而言，马氏体回火脆性最显著，贝氏体次之，珠光体最轻。

原奥氏体晶粒大小对回火脆性也有明显影响。一般来说，原奥氏体晶粒越粗大，钢的脆化程度也越大。其原因可能是粗大的奥氏体晶粒，单位体积内晶界面积减小，因而增大了引起回火脆性的碳化物和杂质元素在晶界上的浓度，从而促进了晶间断裂。

防治措施：

防治第二类回火脆性的关键归根到底是如何消除或减少杂质元素向晶界上偏聚。针对以上讲到的原因和影响因素，有一些防治措施可以用来消除或减轻第二类回火脆性。

首先是针对第二类回火脆性产生的相关元素也就是化学成分，有以下几种方法：

1.减少钢中的杂质元素含量

钢的回火脆性与钢的纯净度有很大关系，尤其是磷、锡等元素是增加回火脆性最显著的元素。有实验表明，无论是快冷还是缓冷，随着钢中磷含量的增加，冲击韧度都随之降低。因此，降低钢中杂质元素含量、发展高纯钢是提高钢材韧性的重要途径之一。

2.合理设计钢的化学成分

在设计钢的成分时尽可能的控制一些对钢的第二类回火脆性影响较大的元素的配比，使钢的回火脆性不至于过大，如向钢中添加0.2%以上的钼或0.6%~1.5%的钨。

钼和钨在合金结构钢中获得广泛的应用，除了增加钢的淬透性以外，就是为了抑制钢的第二类回火脆性。钢中添加少量的钼即可使回火脆性降低，为了这个目的，一般合金结构钢加钼量为0.2%~0.4%。钨的作用与钼相似，但在含量相等情况下作用低于钼。所以，加钨的数量一般是钼量的3倍以上。但值得一提的是，在有些情况下，钼的含量超过一定值时，反而会使钢的脆性倾向增加。所以不能盲目的加钼。