8 回火轉(zhuǎn)變與鋼的回火

1、第8章 回火轉(zhuǎn)變與鋼的回火1本章主要內(nèi)容回火過程中的組織變化(5個(gè)階段)回火后力學(xué)性能的變化回火脆化現(xiàn)象的產(chǎn)生及其避免回火工藝(3種)8.0 概述回火：將淬火后的鋼在A1以下的溫度加熱、保溫，并以適當(dāng)速度冷卻的工藝過程。目的：使淬火得到的亞穩(wěn)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織；提高淬火鋼的塑性和韌性，降低脆性；降低或消除淬火引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。 8.1 淬火鋼在回火時(shí)的組織變化淬火鋼亞穩(wěn)組織：馬氏體(M)：C在-Fe中呈過飽和，使晶格承受應(yīng)力。比容最大，儲(chǔ)存了部分相變潛熱。殘余奧氏體(AR)：過冷、承受應(yīng)力和應(yīng)變。比容最小，儲(chǔ)存了大量相變潛熱。淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變碳原子的重新分布時(shí)效(100

2、以下)；過渡碳化物的沉淀(100300)；AR的分解(200300)； 過渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C(200350)；Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成(350以上)。8.1.1 碳原子的重新分布時(shí)效階段(100以下)溫度較低，碳原子只能做短程擴(kuò)散，進(jìn)行偏聚。(1) 低碳M在位錯(cuò)線附近偏聚亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，C原子傾向于偏聚在位錯(cuò)線附近的間隙位置。(2) 高碳M在孿晶界面上聚集亞結(jié)構(gòu)為孿晶，C原子將在一定晶面上聚集，形成富C聚集區(qū)。8.1.2 過渡碳化物的析出回火第一階段(100300)現(xiàn)象：隨T，M中C%，晶格常數(shù)c ，a，正方度c/a過飽和程度下降。實(shí)質(zhì)：馬氏體發(fā)生了分解。MM(過飽和+

3、-FexC，含碳量約為0.25%)-FexC(x=23)，HCP結(jié)構(gòu)，與基體馬氏體保持共格關(guān)系。過渡相。8.1.2 過渡碳化物的析出回火第一階段(100300)產(chǎn)物：回火馬氏體(M)。有一定過飽和度的固溶體(立方馬氏體)和與其有共格關(guān)系的碳化物所組成的復(fù)相混合組織。在普通金相顯微鏡下，觀察不出回火馬氏體中的碳化物。回火馬氏體在形態(tài)上與淬火馬氏體相似，但回火馬氏體易腐蝕，成黑色組織。性能：保留高硬度。8.1.3 殘余奧氏體的分解回火第二階段(200300)ARM或B下(相+-FexC碳化物)。相的C%：與M在該溫度下分解后的C%相近，也與過冷A在該溫度下形成的B下的C%相近。-FexC：與相同溫

4、度下，M分解或B下中碳化物相似。殘余奧氏體與過冷奧氏體鋼淬火后的AR，與過冷A同屬亞穩(wěn)組織，本質(zhì)相同，但AR存在于M之間，受M影響：(1) 馬氏體條間的AR含碳量高于平均含碳量，已轉(zhuǎn)變的馬氏體會(huì)使AR處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。(使AR在低溫較難分解)(2) 回火過程中(T200300)，M分解，對AR壓力降低，影響到AR的轉(zhuǎn)變。8.1.4 過渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C回火第三階段(200350)在250400回火時(shí)，碳鋼M中過飽和的C幾乎全部析出，將形成比-FexC更穩(wěn)定的碳化物-Fe5C2和-Fe3C，其穩(wěn)定性均高于-FexC。轉(zhuǎn)化是通過-碳化物的溶解和-碳化物重新從馬氏體基體中析出的方式完成的。8.

5、1.4 過渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C回火第三階段(200350)(1) 碳化物轉(zhuǎn)變：低溫高溫低中碳馬氏體(C%0.40.6%) (0.2%C鋼)中高碳馬氏體(C%0.40.6%) 8.1.4 過渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C回火第三階段(200350)(2) 相狀態(tài)：低溫高溫低中碳馬氏體(C%0.40.6%)初期相與相保持共格關(guān)系，但當(dāng)相長大到一定尺寸及其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鄷r(shí)，共格關(guān)系將被破壞。 碳化物的形態(tài)及分布 -FexC轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌蓟飼r(shí)，新生成的碳化物常呈薄片狀，若分布在原馬氏體晶界上，將引起鋼的韌性顯著降低。隨回火溫度升高，片狀碳化物將轉(zhuǎn)化為粒狀，且會(huì)出現(xiàn)小顆粒溶解、大顆粒粗化現(xiàn)象。8.1.4 過渡碳

6、化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C回火第三階段(200350)產(chǎn)物：回火屈氏體。由飽和的相和細(xì)小片狀的滲碳體組成。性能：強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性，淬火時(shí)晶格畸變所造成的內(nèi)應(yīng)力大大消除。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成回火第四階段(350以上)(1) 淬火應(yīng)力的消失 350時(shí)，第三類應(yīng)力(晶格畸變)消除 由于C原子從基體相中析出。350時(shí)，第二類應(yīng)力(微觀應(yīng)力)開始下降，到500基本消除由相回復(fù)所致。500600時(shí)，第一類應(yīng)力(宏觀應(yīng)力)接近完全消除(再結(jié)晶所致)。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成回火第四階段(350以上)(2)相回復(fù)與再結(jié)晶1) 低碳板條馬氏體

7、T400時(shí)，開始回復(fù)。位錯(cuò)密度下降，板條狀形態(tài)保持。T600時(shí)，開始再結(jié)晶。位錯(cuò)密度低的等軸鐵素體新晶粒逐步取代板條。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成回火第四階段(350以上)(2)相回復(fù)與再結(jié)晶2) 高碳片狀馬氏體T250時(shí)，孿晶消失，出現(xiàn)位錯(cuò)線。T400時(shí)，回復(fù)。T600時(shí)，開始再結(jié)晶。片狀特征也消除，得到等軸鐵素體。8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成回火第四階段(350以上)(3) 碳化物聚集長大 長期保溫或提高回火溫度，使碳化物聚集長大。1) 片、桿狀的第二相粒子，各處的曲率半徑不同，小半徑處易于溶解，而使片、桿斷開，并進(jìn)一步球化。2)

8、 小粒子溶解，大粒子長大。Ostwald熟化機(jī)制8.1.5 Fe3C的粗化和球化，以及等軸鐵素體晶粒的形成回火第四階段(350以上)產(chǎn)物：回火索氏體。由等軸狀鐵素體和球狀滲碳體所組成的混合物。性能：強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性。碳固溶強(qiáng)化作用消失，強(qiáng)度取決于Fe3C質(zhì)點(diǎn)的尺寸和彌散度?；鼗饻囟仍礁?，滲碳體質(zhì)點(diǎn)越大，彌散度越低，強(qiáng)度越低。淬火碳鋼回火組織總結(jié)200回火，得到(過飽和C)+碳化物回火馬氏體M(碳化物存在于板條或片內(nèi)) 400回火，得到(飽和C)+碳化物回火屈氏體T(細(xì)小碳化物及針狀)600回火，得到平衡態(tài)等軸+回火索氏體S(細(xì)粒碳化物及等軸)8.2 淬火鋼回火后機(jī)械性能的變化淬火碳鋼在回

9、火時(shí)，隨溫度上升，力學(xué)性能發(fā)生變化，力學(xué)性能(包括強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、淬火裂紋等)的變化規(guī)律與組織的變化有密切的關(guān)系。8.2.1 低碳鋼回火后力學(xué)性能低碳鋼隨回火溫度的升高，鋼的硬度逐漸降低。200回火，強(qiáng)度和塑性降低。滲碳體在板條之間或沿位錯(cuò)線析出，而使鋼的強(qiáng)度和塑性降低。300400回火，硬度和強(qiáng)度逐漸降低。400700回火，硬度、強(qiáng)度顯著降低，塑性逐漸升高。發(fā)生碳化物聚集、長大和球化以及相的回復(fù)、再結(jié)晶。8.2.1 低碳鋼回火后力學(xué)性能回火溫度對低碳鋼韌性的影響有其獨(dú)特的規(guī)律，在400以下，隨回火溫度的增高，沖擊韌性及斷裂韌性一般隨之而降低。這是由于低碳鋼淬火組織，存在大量位錯(cuò)，在低

10、溫回火時(shí)并不消失。在外力作用下，位錯(cuò)尚有一定的遷移能力，使鋼不易產(chǎn)生裂紋，因此鋼的韌性較高。在300以上回火時(shí)，從M中析出的碳化物，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使鋼韌性降低。8.2.1 低碳鋼回火后力學(xué)性能綜上所述，低碳鋼淬火獲得板條M后，經(jīng)低溫回火處理，可以獲得較優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。8.2.2 高碳鋼回火后的力學(xué)性能高碳鋼一般采用不完全淬火，淬火組織為M片+AR+碳化物。300回火，硬度降低，塑性有所上升。碳化物繼續(xù)析出和隨后的聚集長大、球化以及相的回復(fù)再結(jié)晶。與低碳鋼相比，由于高碳鋼的碳含量高，回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量較多，經(jīng)相同溫度回火后，鋼的硬度仍然較低碳鋼為高。高碳鋼淬火裂紋在回火時(shí)可發(fā)生自

11、動(dòng)“焊合”，消除或減少裂紋。 8.2.2 高碳鋼回火后的力學(xué)性能結(jié)論：高碳鋼一般采用不完全淬火，使奧氏體中碳含量在0.5%左右。淬火后低溫回火以獲高的硬度，并生成大量彌散分布的碳化物以提高耐磨性， 細(xì)化奧氏體晶粒。8.2.3 中碳鋼回火后的力學(xué)性能中碳鋼淬火后回火時(shí)，當(dāng)?shù)陀?00回火，析出少量的碳化物，硬化效果不大，可維持硬度不降。當(dāng)高于300回火，隨回火溫度升高，塑性升高，斷裂韌性KIC劇增。強(qiáng)度雖然下降，但仍比低碳鋼高的多。結(jié)論： 中碳鋼一般采用高溫回火，塑韌性好，強(qiáng)度適中，具有良好的綜合力學(xué)性能。碳鋼淬火后回火時(shí)的力學(xué)性能的變化總結(jié) (1) 硬度：隨回火溫度的升高而下降。隨回火溫度升高，

12、M中C%不斷脫溶，固溶強(qiáng)化減弱；碳化物轉(zhuǎn)變并聚集長大，彌散強(qiáng)化減弱；回復(fù)再結(jié)晶，相變強(qiáng)化減弱(亞結(jié)構(gòu)消失)所致。(2) 強(qiáng)度和塑性：隨回火溫度升高，強(qiáng)度(b、s)不斷下降，塑性(、)不斷升高。但低溫回火時(shí)強(qiáng)度略有上升，塑性基本不變。碳鋼淬火后回火時(shí)的力學(xué)性能的變化總結(jié)(3) 彈性極限在300400之間出現(xiàn)峰值。(4) 韌性：隨回火溫度的升高，韌性升高，但合金鋼的韌性升高是不連續(xù)的，在T-aK和T-KIC曲線上出現(xiàn)兩個(gè)谷值，即回火脆性。8.3 合金元素對回火的影響合金元素對鋼回火時(shí)組織轉(zhuǎn)變的影響表現(xiàn)在：(1) 延緩鋼的軟化，提高鋼的回火抗力；(2) 引起二次硬化現(xiàn)象；(3) 影響鋼的回火脆性。8

13、.3.1 提高鋼的回火抗力Me對低溫回火的影響較?。恢?、高溫時(shí)，Me阻礙碳的擴(kuò)散，延緩馬氏體的分解；高溫，Me阻礙碳化物長大和F等軸化，延緩了硬度的下降。發(fā)生二次淬火現(xiàn)象。二次淬火某些高合金鋼(如高速鋼)中的AR十分穩(wěn)定，在回火加熱時(shí)AR發(fā)生部分分解，導(dǎo)致AR穩(wěn)定性下降，在隨后的快速冷卻過程中剩余的AR轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度有較大提高，這種現(xiàn)象稱為二次淬火。產(chǎn)生了二次淬火的鋼必須再次回火。8.3.2 引起二次硬化定義：某些淬火鋼在500650回火后硬度又增加的現(xiàn)象。本質(zhì)：共格析出的合金碳化物的彌散強(qiáng)化。意義：紅硬性、高溫強(qiáng)度。但隨著溫度繼續(xù)上升，合金碳化物長大，共格關(guān)系被破壞，會(huì)使硬度迅速下

14、降。高速鋼三次560回火，在560回火時(shí)，產(chǎn)生二次硬化合金元素對回火的影響總之，合金鋼具有較高的回火抗力，使硬度下降變緩，同時(shí)由于回火時(shí)可以出現(xiàn)二次淬火和二次硬化現(xiàn)象，使零件回火后仍具有較高的硬度和強(qiáng)度，且使鋼具有紅硬性和熱強(qiáng)性，這對高溫下工作的零件是非常重要的。8.4 回火脆化現(xiàn)象定義：隨回火溫度上升，沖擊韌性反而下降的現(xiàn)象。分類：第一類回火脆性(低溫回火脆性)：在250400溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性。第二類回火脆性(高溫回火脆性)：在450650溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性。8.4.1 第一類(低溫)回火脆性(1) 定義：是指淬火鋼在250400回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。(2) 特征：不可逆；與回火后

15、的冷速無關(guān)；斷口為沿晶脆性斷口。幾乎所有的鋼均有第一類回火脆性。不可逆回火脆性：再加熱到更高溫度時(shí)脆性可消失，若再在200350回火將不再出現(xiàn)。(3) 影響因素(1) 化學(xué)成分有害雜質(zhì)元素：包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O；促進(jìn)回火脆性元素：Mn、Si、Cr、Ni、V；減弱回火脆性元素：Mo、W、Ti、Al的影響。(2) 奧氏體晶粒大小奧氏體晶粒愈小，回火脆性愈弱。(4) 第一類回火脆性的產(chǎn)生機(jī)理殘余奧氏體轉(zhuǎn)變理論碳化物析出理論 雜質(zhì)偏聚理論 (5) 第一類回火脆性的防止措施降低雜質(zhì)元素含量；用Al脫氧或加入Nb、V、Ti，細(xì)化奧氏體晶粒；加入減輕回火脆性元素(Mo、W)；用等溫

16、淬火代替淬火+低溫回火；避開產(chǎn)生回火脆性的溫度回火。8.4.2 第二類(高溫)回火脆性(450650) (1) 定義：指淬火鋼在450650范圍內(nèi)回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)的脆性。多發(fā)生在含Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金鋼中。(2) 特征：與冷速有關(guān)(快冷不產(chǎn)生)；可逆性；斷口為沿晶斷裂。可逆：重新在600短時(shí)加熱并隨之快冷，可消除，還可再次發(fā)生。(3) 影響因素1) 化學(xué)成分引起第二類回火脆性的雜質(zhì)元素：S、P、As、Sn、Sb、B；促進(jìn)第二類回火脆性元素：Ni、Cr、Mn、Si、C；(以上兩類元素必須同時(shí)存在時(shí)才會(huì)產(chǎn)生)。抑制第二類回火脆性元素：Mo、V、W、Ti以及稀土元素La、Nd、Pr等。

17、(3) 影響因素2) 熱處理工藝參數(shù)與回火溫度、時(shí)間、冷卻速度密切相關(guān)，緩冷使脆性增加。3) 組織因素M回火脆性最嚴(yán)重，B次之，P最弱；晶粒愈細(xì)，回火脆性愈輕。(4) 第二類回火脆性產(chǎn)生的機(jī)理析出理論、偏聚理論。與碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出及雜質(zhì)元素的晶界偏聚有關(guān)。(5) 第二類回火脆性的防止方法降低鋼中雜質(zhì)元素；加入能細(xì)化A晶粒元素，如Nb、V、Ti；加入適量抑制二類回火脆性的元素：Mo、W；避開在450650范圍回火，650以上回火要快冷。8.5 回火工藝8.5.1 回火溫度的確定(1) 低溫回火(150250)組織：M(低過飽和固溶體+碳化物)。目的：在于保持淬火鋼的高硬度

18、和高耐磨性，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂刀具或過早損壞。應(yīng)用：高碳的切削刀具、量具、冷沖模具、滾動(dòng)軸承?；鼗鸷蟮挠捕纫话銥镠RC5864。(2) 中溫回火(350500)組織：回火屈氏體(針葉狀鐵素體+極細(xì)小顆粒滲碳體組成)。目的：獲得較高的屈服強(qiáng)度，彈性極限，較高的韌性。應(yīng)用：各種彈簧和模具。回火后的硬度HRC3545。(3) 高溫回火(500650)組織：回火索氏體(由等軸狀的鐵素體和球狀滲碳體組成)。目的：獲得強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性較好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用：用于重要的結(jié)構(gòu)零件，連桿，螺栓，齒輪及軸類?；鼗鸷蟮挠捕纫话銥镠RC2535。調(diào)質(zhì)處理：淬火+高溫回火。8.5.2 回火時(shí)間的確定根據(jù)工件材料