材料科学基础PPT 第六章 回火66

合金元素对回火转变的影响
四、回火时的二次硬化现象
碳钢中的淬火马氏体随回火温度的升高，强度、硬度不断降低， 1. 碳钢中的淬火马氏体随回火温度的升高，强度、硬度不断降低， 即使低碳钢在100℃左右回火时硬度有些增高， 100℃左右回火时硬度有些增高 即使低碳钢在100℃左右回火时硬度有些增高，也仅仅是由于碳 原子的偏聚所致。 原子的偏聚所致。 2. 含Mo、V、W、Ti和Nb等强碳化物形成元素的合金钢，在 等强碳化物形成元素的合金钢， 、 、 、 和 等强碳化物形成元素的合金钢 500~600℃区间回火时，会析出细小的特殊碳化物，导致因回火 ℃区间回火时，会析出细小的特殊碳化物， 温度的升高， 碳化物粗化而软化的钢再度硬化的现象称为 碳化物粗化而软化的钢再度硬化的现象称为二次 温度的升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化的现象称为二次 硬化。有时二次硬化峰值硬度可能比淬火硬度还高。 硬化。有时二次硬化峰值硬度可能比淬火硬度还高。
回火的目的（为什么要回火？） 回火的目的（为什么要回火？） 获得所需要的稳定组织和性能，并消除或减少淬火内应力， 获得所需要的稳定组织和性能，并消除或减少淬火内应力， 防止工件变形、开裂，稳定组织，防止尺寸变化，降低硬度， 防止工件变形、开裂，稳定组织，防止尺寸变化，降低硬度， 便于加工。 便于加工。 加热奥氏体化 原材料 回 火 回火马氏体
合金元素对回火转变的影响
二次硬化的原因： 二次硬化的原因：
合金碳化物在该特定温度下的马氏体晶体的位错区沉淀析出， ① 合金碳化物在该特定温度下的马氏体晶体的位错区沉淀析出， 以弥散的形态沉淀，呈极细针状或薄片状，尺寸很小， 以弥散的形态沉淀，呈极细针状或薄片状，尺寸很小，与α相保 相保 持共格关系，硬度达到峰值； 持共格关系，硬度达到峰值； 低于该温度区间回火，合金碳化物尚未沉淀， ② 低于该温度区间回火，合金碳化物尚未沉淀，已析出的渗碳体 粗化，硬度较低； 粗化，硬度较低； 高于该温度区间回火，析出的合金碳化物长大， ③ 高于该温度区间回火，析出的合金碳化物长大，粗化并破坏与 母相的共格关系，硬度迅速下降。 母相的共格关系，硬度迅速下降。 特殊碳化物的弥散度、 可认为对二次硬化有贡献的因素是特殊碳化物的弥散度 可认为对二次硬化有贡献的因素是特殊碳化物的弥散度、 α 相中的位错密度和碳化物与α相之间的共格畸变 相之间的共格畸变等 相中的位错密度和碳化物与 相之间的共格畸变等。
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钢中马氏体的组织特点： 钢中马氏体的组织特点：
是含碳过饱和的固溶体； ① 是含碳过饱和的固溶体； ② 有很高的应变能； 有很高的应变能； 有很大的内应力（热应力和组织应力）； ③ 有很大的内应力（热应力和组织应力）； 存在残余奥氏体，也是亚稳定的。 ④ 存在残余奥氏体，也是亚稳定的。
钢中的回火转变
淬火碳钢回火时的组织转变
四、碳化物析出与转变（回火第三阶段） 碳化物析出与转变（回火第三阶段）
当温度在250~400℃回火时，ε-碳化物 ℃回火时， 碳化物 碳化物→θ-碳化物，通过 碳化 碳化物， 当温度在 碳化物 通过ε-碳化 物的溶解和θ-碳化物重新从马氏体基体中析出的方式完成 碳化物重新从马氏体基体中析出的方式完成。 物的溶解和 碳化物重新从马氏体基体中析出的方式完成。 回火屈氏体： 回火屈氏体：250~400℃之间回火时，获得的条状或针状铁素体加 ℃之间回火时， 片状（或小颗粒状）渗碳体的混合组织。 片状（或小颗粒状）渗碳体的混合组织。 1. 高碳马氏体中的碳化物析出 高碳马氏体→高碳回火马氏体（ ），两相之间保持共 高碳马氏体 高碳回火马氏体（α+ε-FexC），两相之间保持共 高碳回火马氏体 ）， 格关系。 格关系。 随着回火温度的升高， 颗粒粗化， 随着回火温度的升高，ε-FexC颗粒粗化，畸变严重，两者间难 颗粒粗化 畸变严重， 以保持共格关系。 以保持共格关系。
回火时机械性能的变化
B. 不可逆性 若将已产生脆性的钢件重新加热至高于淬火温度进行回火， 若将已产生脆性的钢件重新加热至高于淬火温度进行回火， 脆性即可消失，并且再置于该脆化温度区间回火时， 脆性即可消失，并且再置于该脆化温度区间回火时，脆化也不会 再出现。 再出现。 C. 断口为晶间（沿晶界）断裂 断口为晶间（沿晶界） 而在非脆化温度回火的工件一般为穿晶（沿晶粒内部）断裂。 而在非脆化温度回火的工件一般为穿晶（沿晶粒内部）断裂。
回火时机械性能的变化
B. 片状碳化物沉淀理论（或碳化物薄壳理论） 片状碳化物沉淀理论（或碳化物薄壳理论） 不同含碳量（ 不同含碳量（0.15~1.4%）的钢在回火时，马氏体晶界上薄片状 ）的钢在回火时， Fe3C析出的温度都在 析出的温度都在230~260℃之间；一定大小的碳化物薄层（壳） 析出的温度都在 ℃之间；一定大小的碳化物薄层（ 将促进裂纹在马氏体晶界上形核。 将促进裂纹在马氏体晶界上形核。
淬火碳钢回火时的组织转变
相状态变化及碳化物聚焦长大（ 五、α相状态变化及碳化物聚焦长大（回火第四阶段） 相状态变化及碳化物聚焦长大 回火第四阶段）
回火温度高于400℃，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大，铁 ℃ 片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， 回火温度高于 素体基体也将发生回复和再结晶。 素体基体也将发生回复和再结晶。 回火索氏体：高于 回火索氏体：高于400℃回火，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， ℃回火，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大， 铁素体基体也将发生回复和再结晶， 铁素体基体也将发生回复和再结晶，针条状形态 消失，获得的等轴铁素体加尺寸较大 尺寸较大的粒状渗碳 消失，获得的等轴铁素体加尺寸较大的粒状渗碳 体的混合组织。 体的混合组织。 1. 内应力消失 热应力：工件内外温差造成的； 热应力：工件内外温差造成的； 淬火钢的内应力 组织应力：转变为不同组织时造成的。 组织应力：转变为不同组织时造成的。
合金元素对回火转变的影响
提高钢二次硬化效应的途径有： 提高钢二次硬化效应的途径有：
第一、增高钢中的位错密度，以增加特殊碳化物的形核部位， 第一、增高钢中的位错密度，以增加特殊碳化物的形核部位， 从而进一步增大碳化物弥散度。 从而进一步增大碳化物弥散度。例如采用低温形变淬火 方法等。 方法等。 第二、钢中加入某些合金元素， 第二、钢中加入某些合金元素，减慢特殊碳化物中合金元素的 扩散， 扩散，抑制细小碳化物的长大和延缓这类碳化物过时效 现象的发生。如加入 、 、 、 等 现象的发生。如加入Co、Al、Si、Nb等。
基体碳含量降低
c 减小而 增大 减小而a增大
淬火碳钢回火时的组织转变
三、残余奥氏体转变（回火第二阶段） 残余奥氏体转变（回火第二阶段）
在200~300℃回火时 ℃ 残余奥氏体本质上与过冷奥氏体相同， 残余奥氏体本质上与过冷奥氏体相同，过冷奥氏体可能发 生的转变，残余奥氏体都可能发生，但仍有其独特性： 生的转变，残余奥氏体都可能发生，但仍有其独特性： 残余奥氏体在淬火过程中已发生塑性形变， ① 残余奥氏体在淬火过程中已发生塑性形变，存在较大的 弹性畸变； 弹性畸变； 残余奥氏体与马氏体之间存在着界面； ② 残余奥氏体与马氏体之间存在着界面； 残余奥氏体在转变过程还可能产生热稳定化； ③ 残余奥氏体在转变过程还可能产生热稳定化； 残余奥氏体转变时还伴有淬火马氏体的分解； ④ 残余奥氏体转变时还伴有淬火马氏体的分解； 这些都影响残余奥氏体的分解温度、速度和程度。 这些都影响残余奥氏体的分解温度、速度和程度。
随回火温度的升高， 随回火温度的升高， 冲击韧性反而下降 的现象。 的现象。
第一类回火脆性
第二类回火脆性
回火时机械性能的变化
四、钢的回火脆性
淬火钢在回火时，随回火温度的升高，冲击韧性下降的现象。 淬火钢在回火时，随回火温度的升高，冲击韧性下降的现象。 表现： 室温冲击韧性、反复弯曲冲击强度、断裂韧性K 的降低； 表现： 室温冲击韧性、反复弯曲冲击强度、断裂韧性 IC的降低； ① 韧脆转化温度的升高。 ② 韧脆转化温度的升高。 1.低温回火脆性（第一类回火脆性） 低温回火脆性（第一类回火脆性） 低温回火脆性 几乎所有淬火后形成马氏体组织的碳素钢及合金钢， 几乎所有淬火后形成马氏体组织的碳素钢及合金钢，在300℃左 ℃ 右回火时都将或多或少地发生这种脆性。 右回火时都将或多或少地发生这种脆性。 碳钢： 碳钢：200~400℃ ；合金钢：250~400℃ 。 ℃ 合金钢： ℃ （1）特点 ） A. 与回火温度有关，与回火冷却速度无关； 与回火温度有关，与回火冷却速度无关；
淬火
奥氏体
M+A’
使用
淬火碳钢回火时的组织转变
马氏体中碳原子偏聚(前期阶段 马氏体中碳原子偏聚 前期阶段)(100℃以下 前期阶段 ℃以下) 马氏体分解(80-250℃) ℃ 马氏体分解
回火
残余奥氏体转变(200-300℃) ℃ 残余奥氏体转变 碳化物析出(250-400℃) 碳化物析出 ℃ α相回复和碳化物的聚集长大 相回复和碳化物的聚集长大(400℃以上 相回复和碳化物的聚集长大 ℃以上)
淬火碳钢回火时的组织转变
2. 残余奥氏体向马氏体的转变
（1）等温转变为马氏体 ） 将淬火钢加热至低于Ms点的某一温度等温。 将淬火钢加热至低于 点的某一温度等温。 点的某一温度等温 残余奥氏体等温转变为马氏体的量很少，受马氏体分解控制， 残余奥氏体等温转变为马氏体的量很少，受马氏体分解控制， 即在已形成的马氏体发生分解以后， 即在已形成的马氏体发生分解以后，残余奥氏体才能等温转变 为马氏体。 为马氏体。 （2）二次淬火 ） 回火过程中未能分解的残余奥氏体，在随后冷却到 点以 回火过程中未能分解的残余奥氏体，在随后冷却到Ms点以 下温度时，再次转变为马氏体的现象称为二次淬火。 下温度时，再次转变为马氏体的现象称为二次淬火。
回火时机械性能的变化
（2）第一类回火脆性形成机制 ） A. 残余奥氏体薄膜理论 该理论认为，只要钢中存在少量（ 该理论认为，只要钢中存在少量（1~5%）的AR，并以薄膜 ） 的形式分布于马氏体板条晶交界上，就能引起低温回火脆性。 的形式分布于马氏体板条晶交界上，就能引起低温回火脆性。 在一定回火温度下， 薄膜保持稳定时， 在一定回火温度下，当AR薄膜保持稳定时，可使断裂韧性和 冲击韧性增高。但若A 薄膜由于受热或形变的影响， 冲击韧性增高。但若 R薄膜由于受热或形变的影响，造成失稳分 则会出现回火脆性，使钢的断裂韧性和冲击韧性降低。 解，则会出现回火脆性，使钢的断裂韧性和冲击韧性降低。 板条界上的薄膜分解，会析出碳化物， 点升高， 板条界上的薄膜分解，会析出碳化物，使Ms点升高，冷却时 点升高 可形成未回火的马氏体，造成脆性增大。 可形成未回火的马氏体，造成脆性增大。 断裂为沿板条晶界或板条束界发生晶间断裂。 断裂为沿板条晶界或板条束界发生晶间断裂。 晶间断裂
回火时机械性能的变化2第二类回火脆性形成机制脆性相析出理论脆性相碳化物氧化物磷化物等在fe中的溶解度随温度降低而减小在回火后的缓冷过程中脆性相沿晶界析出引起脆crni等元素与杂质元素的亲和力适中在回火时其本身向晶界偏聚同时也将杂质元素带至晶界
钢中的回火转变
回火的定义 淬火之后将工件加热到低于临界点的某一温度， 淬火之后将工件加热到低于临界点的某一温度，保温一定 时间，然后冷却到室温的一种热处理方法。 时间，然后冷却到室温的一种热处理方法。
一、马氏体中碳原子偏聚
马氏体 的结构 碳原子在马氏体的扁八面体间隙，造成很大弹性能； 碳原子在马氏体的扁八面体间隙，造成很大弹性能； 处于能量较高的 状态， 状态，必然向能 晶体中存在微观缺陷较多。 晶体中存在微观缺陷较多。 量低的状态转变
转变方式：碳原子向微观缺陷处集中。 转变方式：碳原子向微观缺陷处集中。
回火时机械性能的变化
2. 低碳合金钢 （1）低于 ）低于250℃回火时，在低碳马氏体的基体上均匀沉淀出ε-碳化 ℃回火时，在低碳马氏体的基体上均匀沉淀出ε 碳化 强度和塑韧性接近或略高于淬火态的水平； 物，强度和塑韧性接近或略高于淬火态的水平； （2） 250~400℃回火时，常规的机械性能均有所降低，出现回火脆 ） ℃回火时，常规的机械性能均有所降低， 性； （3）高于 ）高于400℃回火时，则牺牲了强度、硬度而换取了较高的塑性 ℃回火时，则牺牲了强度、 和韧性。 和韧性。
淬火碳钢回火时的组织转变
二、马氏体分解（回火第一阶段转变） 马氏体分解（回火第一阶段转变）
回火温度： 回火温度：80~250℃，此时随着回火温度升高及回火时间延 ℃ 长，富碳区的碳原子将发生有序化，继而转变为碳化物析 富碳区的碳原子将发生有序化， 出，即马氏体分解。 即马氏体分解。
结果： 结果： 碳化物析出