第七章淬火钢
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第七章淬火钢
过渡碳化物的析出 在分解初期，可能直接析出稳定的碳化物，多数情况下 析出的是亚稳碳化物。随着回火温度的升高以及回火时间 的延长，亚稳碳化物→稳定碳化物转化。 高碳M在室温即可发生碳原子向孪晶界面的偏聚。但经 过偏聚以后，α相基底的碳含量仍相当高。如含碳0.78% 的M经室温24h时效后，α相基底的碳含量仍高达0.57%在 双相分解区回火时将自基底析出碳化物。
第七章 淬火钢在回火时的转变
钢在淬火后得到的是亚稳的高硬度、高强度的M及Ar。 为了满足不同零件对性能的要求，将淬火钢重新加热 到A1以下某一温度，保温一定时间使亚稳的M及Ar转变到 一定程度后→冷至室温，调整零件的性能——回火。 在回火时所发生的转变——回火转变。 回火可以在A1以下很大范围内调整温度→力学性能在很 宽的范围内变化。 因此，回火是调整钢制零件的性能以满足适用要求的有 效手段。
由于碳原子比较小，在室温附近即可通过扩散向晶内 缺陷偏聚。
第七章淬火钢
含碳量＜0.2%的低碳M在200℃以下回火时所发生的主要是碳 原子往位错等晶体缺陷的偏聚。用场离子显微镜、原子 探针证实，含0.21%碳的钢，经1000℃奥氏体化淬火成M， 经150℃回火后α基底碳含量仅0.0294%,而板条M条界则 高达0.422％，较平均碳含量提高了一倍。碳在板条界的 偏聚可能发生在淬火过程中，淬火后的室温停留及回火 过程中。在板条M边界保留的Ar很可能与淬火过程中所发 生的碳原子的偏聚有关。即已形成的M中的碳原子往边界 扩散，提高了未转变A的碳含量，再加以相硬化引起机械 稳定化，使A得以保留到室温。
第七章淬火钢
§7－1 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢：M和一定量的Ar。 淬火组织是高度不稳定的，这是因为：
①M中的碳是高度过饱和的； ②M有很高的应变能和其它缺陷； ③与M并存的还有一定量的Ar。 由于M和Ar的不稳定状态与平衡状态的自由焓差→驱动 力，使得回火转变成为一种自发的过程。 在动力学条件具备时，转变即可自发进行——回火处理 就是通过加热提高原子的活动能力，使转变以适当的速度 进行，或在适当时间内，使转变达到所要求的程度。
第七章淬火钢
经测定，低碳区的碳含量与M的原始碳含量及分解温度 均无关，为恒定值，约为0.25～0.30%。此时碳化物与 周围的低碳α相之间处于胶态平衡。 双相分解的速度与温度有关，温度↑→速度↑。↑温 度→分解速度↑。
M单相分解 >150℃时，M将以单相分解亦即连续分解 方式进行。此时，碳原子已具有较大的活动能力，能 够作较长距离扩散。已析出的碳化物有可能从较远地 区获得碳原子而长大，α相内部碳浓度及正方度随分 解过程的进行不断下降。当温度达到300℃时，正方度 c/a接近1，此时α相中的碳含量已接近平衡状态，M分 解过程基本上结束。
M晶内的碳原子在位错上的偏聚仍难以证实，而只能用其它 方法给以间接证明。在－196℃测得不同碳含量淬火钢的 电阻值。(next slide)
第七章淬火钢
p126
第七章淬火钢
高碳M比较复杂，高碳M在0℃以下具有异常正方度，点阵 常数a及正方度c/a就有可能发生变化。这表明碳原子在x、y 位置与z位置之间在0℃以下就有了跳动。
原子探针还证实了碳原子在片状M的孪晶界面上的偏聚。 对Fe-0.78C-0.65Mn钢，经1200℃、2hA化后水淬成M并立即在 液氮中深冷，再在室温时效24h，然后用原子探针测量。结果 得出α基底碳含量为0.57%，低于平均碳含量，而孪晶界的碳 含量为1.45%。如假定这些碳分布在孪晶界单原子层上，则可 得出碳含量可高达5.04%。
将淬火所得M加热到160℃回火1h，则使碳原子更加偏聚 在孪晶界，此时测得基体碳含量已降为0.32%，孪晶界碳含量 已由1.45%提高到1.83%。
第七章淬火钢
2．马氏体分解（回火第一阶段） 随回火温度的提高及时间的延长，富集区中的碳原子将
转变为碳化物。随碳化物的析出，M的碳含量不断减少， c/a不断下降。
放热 放热
产物 马氏体 回火M Ar分解 回火T 回火S
注：回火转变是随温度升高连续进行的，由于所采用的实验方法和 精度不同，不同文献给出的各阶段温度范围会有一些差异，甚至对 回火阶段的划分也不尽相同。
第七章淬火钢
1．马氏体中碳原子偏聚阶段（时效阶段，－40～100℃）
初形成的M中，碳原子分布在扁八面体中心——碳原 子的存在→晶体点阵产生严重畸变→M处于不稳定状态。 为了降低能量，碳在以碳化物形式析出之前，碳原子将 首先向大量存在于M中的位错及孪晶界面偏析。
第七章淬火钢
双相分解 在125～150℃以下。 随碳化物的析出，出现了两个正方度不同的α相。即具 有高正方度的保持原始碳含量的未分解的M以及具有低正 方度的碳已经部分析出的M。进一步的测定表明随回火时 间的延长，正方度均不变，但高正方度α的衍射愈来愈 弱，直至消失，而低正方度α相的衍射愈来愈强。这表明 在低于150℃回火过程中，随碳化物的析出，两个α相的 碳含量均未发生变化：只是高碳区↓，低碳区↑。
第七章淬火钢
双相分解过程：在碳原子富集区形成碳化物核，并依靠周围的α 相所提供的碳原子长大成碳化物颗粒。碳化物析出——周围将出现 低碳的α相，而远离碳化物的α相仍保持原有的碳含量。由于温度 低，碳原子不能作远距离的扩散，高碳区与低碳区之间的浓度梯度 不易消失。已析出的碳化物不能进一步长大。M的进一步分解只 能依靠在高碳区形成新的碳化物核，析出碳化物粒子，在其周围形 成新的低碳区。随着分解过程的进行，高碳区愈来愈少，低碳区 愈来愈多。当高碳区完全消失时，双相分解结束。即在分解过程中 同时存在着两种碳含量不同的α相——双相分解。
1）高碳M的分解 X射线结构分析证实高碳M经不同温度回火后的正方度出 现变化。当回火温度低于125℃时出现了两个不同的正 方度—碳化物的析出，这表明出现了两种碳含量的α相。 回火温度高于125℃时，只测得了一个正方度。且随回 火温度的升高，正方度愈来愈小。由于温度不同，碳化 物的析出——双相分解及单相分解。
根据在不同温度范围发生的组织转变，可将碳钢的整 个回火过程分为以下五个有区别而又相互重叠的阶段。
第七章淬火钢
淬火高碳钢回火组织与物理性能变化
阶段 预备阶段
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
温度（℃） <100
100～350 190～300 300～400
>400
百度文库
长度 变化不大
减小 增大 减小 减小
热效应 －
放热 大量放热
过渡碳化物的析出 在分解初期，可能直接析出稳定的碳化物，多数情况下 析出的是亚稳碳化物。随着回火温度的升高以及回火时间 的延长，亚稳碳化物→稳定碳化物转化。 高碳M在室温即可发生碳原子向孪晶界面的偏聚。但经 过偏聚以后，α相基底的碳含量仍相当高。如含碳0.78% 的M经室温24h时效后，α相基底的碳含量仍高达0.57%在 双相分解区回火时将自基底析出碳化物。
第七章 淬火钢在回火时的转变
钢在淬火后得到的是亚稳的高硬度、高强度的M及Ar。 为了满足不同零件对性能的要求，将淬火钢重新加热 到A1以下某一温度，保温一定时间使亚稳的M及Ar转变到 一定程度后→冷至室温，调整零件的性能——回火。 在回火时所发生的转变——回火转变。 回火可以在A1以下很大范围内调整温度→力学性能在很 宽的范围内变化。 因此，回火是调整钢制零件的性能以满足适用要求的有 效手段。
由于碳原子比较小，在室温附近即可通过扩散向晶内 缺陷偏聚。
第七章淬火钢
含碳量＜0.2%的低碳M在200℃以下回火时所发生的主要是碳 原子往位错等晶体缺陷的偏聚。用场离子显微镜、原子 探针证实，含0.21%碳的钢，经1000℃奥氏体化淬火成M， 经150℃回火后α基底碳含量仅0.0294%,而板条M条界则 高达0.422％，较平均碳含量提高了一倍。碳在板条界的 偏聚可能发生在淬火过程中，淬火后的室温停留及回火 过程中。在板条M边界保留的Ar很可能与淬火过程中所发 生的碳原子的偏聚有关。即已形成的M中的碳原子往边界 扩散，提高了未转变A的碳含量，再加以相硬化引起机械 稳定化，使A得以保留到室温。
第七章淬火钢
§7－1 淬火钢在回火时的组织转变 淬火钢：M和一定量的Ar。 淬火组织是高度不稳定的，这是因为：
①M中的碳是高度过饱和的； ②M有很高的应变能和其它缺陷； ③与M并存的还有一定量的Ar。 由于M和Ar的不稳定状态与平衡状态的自由焓差→驱动 力，使得回火转变成为一种自发的过程。 在动力学条件具备时，转变即可自发进行——回火处理 就是通过加热提高原子的活动能力，使转变以适当的速度 进行，或在适当时间内，使转变达到所要求的程度。
第七章淬火钢
经测定，低碳区的碳含量与M的原始碳含量及分解温度 均无关，为恒定值，约为0.25～0.30%。此时碳化物与 周围的低碳α相之间处于胶态平衡。 双相分解的速度与温度有关，温度↑→速度↑。↑温 度→分解速度↑。
M单相分解 >150℃时，M将以单相分解亦即连续分解 方式进行。此时，碳原子已具有较大的活动能力，能 够作较长距离扩散。已析出的碳化物有可能从较远地 区获得碳原子而长大，α相内部碳浓度及正方度随分 解过程的进行不断下降。当温度达到300℃时，正方度 c/a接近1，此时α相中的碳含量已接近平衡状态，M分 解过程基本上结束。
M晶内的碳原子在位错上的偏聚仍难以证实，而只能用其它 方法给以间接证明。在－196℃测得不同碳含量淬火钢的 电阻值。(next slide)
第七章淬火钢
p126
第七章淬火钢
高碳M比较复杂，高碳M在0℃以下具有异常正方度，点阵 常数a及正方度c/a就有可能发生变化。这表明碳原子在x、y 位置与z位置之间在0℃以下就有了跳动。
原子探针还证实了碳原子在片状M的孪晶界面上的偏聚。 对Fe-0.78C-0.65Mn钢，经1200℃、2hA化后水淬成M并立即在 液氮中深冷，再在室温时效24h，然后用原子探针测量。结果 得出α基底碳含量为0.57%，低于平均碳含量，而孪晶界的碳 含量为1.45%。如假定这些碳分布在孪晶界单原子层上，则可 得出碳含量可高达5.04%。
将淬火所得M加热到160℃回火1h，则使碳原子更加偏聚 在孪晶界，此时测得基体碳含量已降为0.32%，孪晶界碳含量 已由1.45%提高到1.83%。
第七章淬火钢
2．马氏体分解（回火第一阶段） 随回火温度的提高及时间的延长，富集区中的碳原子将
转变为碳化物。随碳化物的析出，M的碳含量不断减少， c/a不断下降。
放热 放热
产物 马氏体 回火M Ar分解 回火T 回火S
注：回火转变是随温度升高连续进行的，由于所采用的实验方法和 精度不同，不同文献给出的各阶段温度范围会有一些差异，甚至对 回火阶段的划分也不尽相同。
第七章淬火钢
1．马氏体中碳原子偏聚阶段（时效阶段，－40～100℃）
初形成的M中，碳原子分布在扁八面体中心——碳原 子的存在→晶体点阵产生严重畸变→M处于不稳定状态。 为了降低能量，碳在以碳化物形式析出之前，碳原子将 首先向大量存在于M中的位错及孪晶界面偏析。
第七章淬火钢
双相分解 在125～150℃以下。 随碳化物的析出，出现了两个正方度不同的α相。即具 有高正方度的保持原始碳含量的未分解的M以及具有低正 方度的碳已经部分析出的M。进一步的测定表明随回火时 间的延长，正方度均不变，但高正方度α的衍射愈来愈 弱，直至消失，而低正方度α相的衍射愈来愈强。这表明 在低于150℃回火过程中，随碳化物的析出，两个α相的 碳含量均未发生变化：只是高碳区↓，低碳区↑。
第七章淬火钢
双相分解过程：在碳原子富集区形成碳化物核，并依靠周围的α 相所提供的碳原子长大成碳化物颗粒。碳化物析出——周围将出现 低碳的α相，而远离碳化物的α相仍保持原有的碳含量。由于温度 低，碳原子不能作远距离的扩散，高碳区与低碳区之间的浓度梯度 不易消失。已析出的碳化物不能进一步长大。M的进一步分解只 能依靠在高碳区形成新的碳化物核，析出碳化物粒子，在其周围形 成新的低碳区。随着分解过程的进行，高碳区愈来愈少，低碳区 愈来愈多。当高碳区完全消失时，双相分解结束。即在分解过程中 同时存在着两种碳含量不同的α相——双相分解。
1）高碳M的分解 X射线结构分析证实高碳M经不同温度回火后的正方度出 现变化。当回火温度低于125℃时出现了两个不同的正 方度—碳化物的析出，这表明出现了两种碳含量的α相。 回火温度高于125℃时，只测得了一个正方度。且随回 火温度的升高，正方度愈来愈小。由于温度不同，碳化 物的析出——双相分解及单相分解。
根据在不同温度范围发生的组织转变，可将碳钢的整 个回火过程分为以下五个有区别而又相互重叠的阶段。
第七章淬火钢
淬火高碳钢回火组织与物理性能变化
阶段 预备阶段
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温度（℃） <100
100～350 190～300 300～400
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