回火工艺基础知识大全

1.回火的定义与目的

回火是将淬火后的金属成材或零件加热到某一温度，保温一定时间后，以一定方式冷却的热处理工艺，回火是淬火后紧接着进行的一种操作，通常也是工件进行热处理的最后一道工序，因而把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。

钢件在淬火状态下有以下三个主要特征。

（1）组织特征

根据钢件尺寸、加热温度、时间、转变特征及利用的冷却方式，钢件淬火后的组织主要由马氏体或马氏体＋残余奧氏体组成，此外，还可能存在一些未溶碳化物。马氏体和残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有向铁衆体加渗碳体的稳定状态转化的趋势。

（2）硬度特征

由碳原子引起的点阵畸变通过硬度表示出来，它随过饱和度（即含碳量)的增加而增加。淬火组织硬度、强度高，塑性、韧性低。

（3）应力特征

包括微观应力和宏现应力，前者与碳原子引起的点阵畸变有关，尤其是与髙碳马氏体达到最大值有关，说明淬火时马氏体处于紧张受力状态之中；后者是由于淬火时横截面上形成的温差而产生的，工件表面或心部所处的应力状态是不同的，有拉应力或压应力，在工件内部保持平衡。如不及时消除淬火钢件的内应力，会引起零件的进一步变形乃至开裂。

综上所述，淬火工件虽有髙硬度与髙强度，但跪性大，组织不稳定，且存在较大的淬火内应力，因此必须经过回火处理才能使用。一般来说，回火工艺是钢件淬火后必不可少的后续工艺，它也是热处理过程的最后一道工序，它賦予工件最后所需要的性能。

回火是将淬火钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。它的主要目的为：

（1）合理地调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，使工件满足使用要求；

（2）稳定组织，使工件在长期使用过程中不发生组织转变，从而稳定工件的形状与尺寸；

（3） 降低或消除工件的淬火内应力，以减少工件的变形，并防止开裂。

2.淬火钢回火时的组织转变

淬火钢件回火时，按回火温度的髙低和组织转变的特征，可将钢的回火过程分为以下5个阶段。

（1）马氏体中碳原子的偏聚

马氏体是C在α-Fe中的过饱和间隙固溶体，C原子分布在体心立方的扁八面体间隙之中，造成了很大的弹性畸变，因此升高了马氏体的能量，使之处于不稳定的状态。在100℃以下回火时，C、N等间隙原子只能短距离扩散迁移，在晶体内部重新分布形成偏聚状态，以降低弹性应变能。对于板条马氏体，因有大量位错，C原子便偏聚于位错线附近，所以淬火钢在室温附近放置时，碳原子向位错线附近偏聚。对于片状马氏体，C原子则偏聚在一定晶面上，形成薄片状偏聚区。这些偏聚区的含碳量高于马氏体的平均含碳量，为碳化物的析出创造了条件。

(2)马氏体的分解

当回火温度超过80℃时，马氏体将发生分解，马氏体中的碳浓度逐渐降低，晶格常数c减小，a增大，正方度c/a减小。马氏体的分解一直延续到350℃以上，在高合金钢中甚至可以延续到600℃。

不同含碳量的马氏体的碳浓度随回火温度的变化规律。随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低。高碳钢的碳浓度随回火温度升髙降低很快，含碳量较低的钢中碳浓度降低较缓。

马氏体的碳浓度与回火时间的关系：回火时间对马氏体中含碳量的影响较小，马氏体的碳浓度在回火初期下降很快，随后趋于平缓。回火温度越高，回火初期碳浓度下降越多。

片状马氏体在100〜250℃回火时，固溶于马氏体中的过饱和碳原子脱溶，沿着马氏体的一定晶面沉淀析出ε-FexC的碳化物(x≈2〜3),其晶格结构为密排六方晶格，与母相之间有共格关系，并保持一定的晶体学位向关系。

含碳量低于0.2％的板条马氏体，在淬火冷却时已经发生自回火，绝大部分碳原子都偏聚到位错线附近，所以在200℃以下回火时没有ε-碳化物析出。

高碳钢在350℃以下回火时，马氏体分解后形成的α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。回火马氏体中的α相仍保持针状形态，由于它是两相组成的，较淬火马氏体容易腐蚀，故在金相显微镜下呈黑色针状组织，与下贝氏体很相似。

（3）残余奥氏体的转变

淬火的中、髙碳钢，组织中总含有少量残余奥氏体，在230〜300℃温度区间回火时，残余奥氏体将发生分解，分解时遵循与过冷奥氏体分解相同的规律，转变产物为α相与碳化物，其中。α相的含碳量与同温下的回火马氏体是一致的，因此统称为回火马氏体。碳化物的粒子有所长大，但仍是很细很薄的片，并与母体保持着共格关系。残余奥氏体在更高温度(如600℃左右）恒温分解产物应是珠光体，而在这两个温度之间也有一奥氏体分解的稳定区，回火过程未能完全分解的残余奧氏体在随后的冷却过程中有可能再一次转变为马氏体，这就是二次淬火现象。这对髙碳钢尤其是高合金钢的热处理工艺有很大的实际意义，生产实践中往往利用这一原理来进一步提高钢的硬度。合金元索对残余奥氏体分解的影响和对过冷奥氏体的影响基本相同。

(4）碳化物的转变

在250〜400℃温度区间回火时，马氏体内过饱和的碳原子几乎全部脱溶，α相的含碳量几乎已达到平衡含碳量（0.001％--0.02％)，在低温下析出的碳化物（FexC）将转变为粒状碳化物化(Fe3C)，α相在降低含碳量的同时，点阵晶格畸变开始消失。嵌镶块遂渐长大，变成多边形晶粒，也就是铁素体的恢复。这种由针状α相和与其无共格联系的细小顆粒与片状碳化物组成的机械混合物一般称为回火屈氏体。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物。

（5）渗碳体的聚集长大和α相回复、再结晶

回火温度高于400℃后，析出的渗碳体开始聚集球化与粗化，这一过程是逋过小顆粒溶解，大颗粒沉积长大的机制进行的。在400℃以上回火时，α相已开始明显回复，即铁素体中的位错密度降低，剩下的位错通过重排、多边化形成位错网络、将铁素体晶粒分割成许多亚晶粒，但仍保持马氏体的外形。回火温度高于600℃时，α相开始再结晶，通过界面移动逐渐长大成等轴状晶粒，这时粒状渗碳体均勻分布在铁素体内，同时，马氏体的针状形态消失。这种等轴状铁素体和细颗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体。

综上所述，碳钢或低合金钢的回火分为5个阶段，并主要得到：回火马氏体组织、回火屈氏体组织和回火索氏体组织。由于回火的各阶段受扩散因素所控制，因此其转变取决于回火温度和时间，其中温度是最主要的因素。合金元素对回火转变有很大影响，一般都起阻碍作用，使回火转变的各阶段温度向高温推移。

3.淬火钢回火时力学性能的变化

淬火钢回火时，由于组织发生了变化，故其力学性能也发生了相应的变化。

(1)硬度

淬火钢回火时硬度的变化规律。总的变化趋势是随着回火温度升高，钢的硬度连续下降。但含碳量大于的高碳钢在100℃左右回火时，硬度反而略有升高,这是由于马氏体中碳原子的偏聚及ε-碳化物析出引起弥散硬化造成的。在200〜300℃回火时，硬度下降平缓。这是由于一方面马氏体分解，使硬度降低，另一方面残余奥氏体转变为下