第六章钢的回火转变

• 非碳化物形成元素Si 和Co 能够溶解到ε-FexC中，使εFexC 稳定，减慢碳化物的聚集速度，从而推迟马氏体分 解。
一、合金元素对马氏体分解的影响
b. 碳钢回火时马氏体中过饱和碳完全脱溶温度约为 300 ℃ ，加入合金元素可使完全脱溶温度向高温 推移100 一150 ℃ 。 也就是说，合金钢在较高温度回火时仍可以保持 α 相具有一定饱和碳浓度和细小碳化物，从而保 持高的硬度和强度。 合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒 长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质称为合 金元素提高了钢的回火抗力或“抗回火性”。
• （1）马氏体的双相分解
125-150℃以下，随碳化物的析出，出现两 种正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原 始碳含量的未分解的马氏体以及具有低正方度的 碳已部分析出的α相。
随着回火时间的延长，即随着碳化物析出， 两种α相的碳含量均不发生改变，只是高碳区愈 来愈少，低碳区愈来愈多。
（1）马氏体的单相分解
③发生了机械稳定化和热稳定化。
• (2)对于高碳Cr钢，残余奥氏体在珠光体形成先析 碳化物和珠光体，在贝氏体区形成贝氏体，在珠 光体和贝氏体区之间有稳定存在区。
•
• (3)淬火高碳钢，残余奥氏体转变产物是α 相和εFexC 的混合组织，称回火马氏体或下贝氏体， 此时α相的C%不仅与回火马氏体相近，而且与下 贝氏体的C%相近、结构也相似。
二、合金元素对残余奥氏体转变的影响
在Ms点以上回火时，残余奥氏体可能发生三 种转变： ① 在贝氏体形成区内等温转变为贝氏体; ② 在珠光体形成区内等温转变为珠光体; ③ 在回火加热、保温过程中不发生分解，而在随后 的冷却过程中转变为马氏体，即所谓的“二次淬 火”现象。
三、合金元素对碳化物转变的影响
一、马氏体中C 原子偏聚(＜100℃)
• 当碳含量超过0.2%时，偏聚于位错等晶体缺陷处 的碳原子已经达到饱和状态，多余的碳原子只能 处于无缺陷晶格的扁八面体间隙位置，即处于非 偏聚状态，从而导致对电阻率有较大贡献。
• 用碳原子在晶体缺陷处偏聚的观点能够较圆满地 解释碳含量小于0.2%时，马氏体不呈现正方度， 为立方点阵结构，而当碳含量高于0.2%时，才可 能测出正方度的现象。
• 具体形成过程可表示为： α′→α相+ε-FexC→α相+χ- Fe5C2+ε-FexC→α相+θFe3C +χ- Fe5C2+ε-FexC→α相+θ- Fe3C +χFe5C2→α相+θ- Fe3C
• (1)碳化物转变取决于回火温度，也和时间有关， 随着回火时间的延长，转变温度可以降低。
• (2)是否出现χ- Fe5C2与钢的C%有关，C%增加有 利于χ- Fe5C2产生(板条马氏体不易产生χ- Fe5C2)。
一、马氏体中C 原子偏聚(＜100℃)
• 由于马氏体中的碳原子分布在正常间隙位置时比 偏聚在位错线附近时的电阻率高 ，故可以通过测 定淬火钢的电阻率变化来间接地推测碳原子的偏 聚行为。
• 淬火Fe-C合金电阻率与碳含量的关系可知：碳含 量小于0.2%时，随马氏体碳含量增加，电阻率增 加较慢，与完全偏聚状态非常接近，表明大部分 碳原子都已经位错等晶体缺陷处，故对电阻率的 影响不大。
• 非碳化物形成元素（Cu 、Ni 、Co 、Al 、Si 等） 与碳不形成特殊类型的碳化物，它们只是提高εFexC 向θ-FexC转变的温度范围。
• 缺陷：淬火马氏体位错、孪晶密度很高，与冷变形金 属相似。
• 回复过程中： ①板条马氏体的位错降低，剩下的位错将重新排列形成
二维位错网络——多边化。这是比较稳定的状态，这 些位错网络把板条马氏体晶粒分割成亚晶粒。
②片状马氏体回火温度高于250℃时孪晶开始消失， 400℃孪晶全部消失，前三个阶段受C 扩散控制 存在 零件内回复就开始发生。回复过程马氏体晶粒空间形 态不变(板条状马氏体仍板条状，片状马氏体仍片状)。
• 残余奥氏体分解可表示为：A 残→M 回或B 下(α相+ε-FexC)，残余奥氏体转变为马氏 体或下贝氏体称为二次淬火。
(4)200-300℃是残余奥氏体反应激烈的温度 范围，不是其开始和终了温度，开始转变 温度更低。
四、碳化物析出与转变(250-400℃) ------转变第三阶
段
• 碳钢中马氏体过饱和的C 几乎全部脱溶，但仍具有 一定的正方度。形成两种比ε-FexC更加稳定的碳化 物，即：一种是χ-Fe5C2——单斜晶系,一种是θFe3C——正交晶系。
第六章 钢中的回火转变
主要内容：
1. 淬火碳钢回火时的组织转变 2. 合金元素对回火转变的影响 3. 回火时机械性能的变化
重点和难点：
1. 淬火碳钢回火时的组织转变 2. 合金元素对回火转变的影响
第六章 钢中的回火转变
• 回火？ • 回火目的？
第六章 钢中的回火转变
• 回火就是在淬火处理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工艺。
火温度区间也是相互重叠的。
第二节 合金元素对回火转变的影响
一、合金元素对马氏体分解的影响
• 合金钢中的马氏体分解过程与碳钢基本相 似，但其分解速度有明显差别。
• 实验证明，在马氏体分解阶段，尤其是在 马氏体分解的后期阶段，合金元素的影响 十分显著。合金元素影响马氏体分解的原 因和规律大致可归纳如下。
(2)再结晶： 回火温度高于600℃发生再结晶，板条马氏体形成
位错密度很低的等轴α相取代板条α晶粒——再结晶；
片状马氏体回火温度高于400℃孪晶全部消失，出 现胞块组织，温度高于600℃发生再结晶。这一过程也 是形核(亚晶界为核心)、长大过程。
(3)碳化物长大： 温度高于400氏体
②光学显微镜下看不见ε-FexC，易腐蚀成黑色，电子 显微镜下可以观察到ε-FexC为长条状1000Å(空间形 态为薄片状) 。
③ε-FexC为亚稳相，温度升高可以继续转变。 ④马氏体分解形式取决于回火温度，回火温度低(80-
150℃)，双相式分解，C原子短程扩散；回火温度高 (150-350℃)，单相式分解，C原子长程扩散。 ⑤马氏体分解转变为回火马氏体，即：α′， M 回(α′ + ε-FexC)(～0.25%C) 共格 。
二、马氏体分解(80-250℃) ------转变第一阶
段
• 回火温度超过80℃马氏体开始分解，马氏体中 C%降低，c 轴减小，a 轴变大，正方度c/a降低， 马氏体转变成回火马氏体。
• 片状马氏体：
①从马氏体析出与其共格的ε-FexC，ε-FexC为密排 六方结构，X=2-3。此时马氏体点阵常数a增加， c减小，正方度c/a降低。
回火温度高于125-150℃时，碳原子的活动能 力增强，能够进行较长距离的扩散。故已经析出的 碳化物有可能从较远区域获得碳原子而长大， α 相内的碳浓度梯度也可通过碳原子的扩散而消除。
所以在分解过程中不再存在两种不同碳含量的 α相， α相的碳含量及正方度随分解过程的进行 不断下降。
• 当温度达到300 ℃时，正方度接近1，此时α相中 的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的驼绒分解过 程基本结束。
一、马氏体中C 原子偏聚(＜100℃)
②片状马氏体由于位错较少，除了少量C、N 原子 向位错线附近偏聚，大量溶质原子向孪晶界面 (110)α′偏聚，形成厚度和直径均小于1nm的富碳 区。随马氏体中含碳量增加，富碳区的数量增多， 富碳区的形成使马氏体的电阻率以及硬度有所提 高。
③板条马氏体中C、N原子向位错线附近偏聚，降低 弹性畸变能；而片状马氏体由于C、N原子向孪晶 界面(110)α′偏聚，使弹性畸变能可能升高。
二、合金元素对残余奥氏体转变的影响
• 合金钢中残余奥氏体的转变与碳钢基本相似，只 是合金元素可以改变残余奥氏体分解的温度和速 度，从而可能影响残余奥氏体转变的类型和性质。
• 在Ms点以下回火时，残余奥氏体将转变为马氏体。 若Ms点较高( > 100 ℃ ），则随后还将发生马氏 体的分解过程，形成回火马氏体。
一、合金元素对马氏体分解的影响
• 在马氏体分解阶段要发生马氏体中过饱和 碳的脱溶和碳化物粒子的析出与聚集长大， 同时基体α相中的碳含量下降。
• 合金元素的作用主要在于通过影响碳的扩 散而影响马氏体的分解过程以及碳化物粒 子的聚集长大速度，从而影响α相中碳浓度 的下降速度。这种作用的大小因合金元素 与碳的结合力的大小不同而异。
• 板条状马氏体
• 低碳(＜0.2%C)板条马氏体在100-200℃回 火，C原子仍偏聚在位错线附近处于稳定状 态，不析出ε-FexC。
三、残余奥氏体转变(200-300℃) ------转变第二阶
段
(1)残余奥氏体与过冷奥氏体相比：
①两者都是C在γ-Fe中的固溶体，转变的动力学曲 线很相似；
②物理状态不同，残余奥氏体在淬火过程中发生了 高度塑性变形，存在很大的畸变；
一、合金元素对马氏体分解的影响
• a. 非碳化物形成元素（Ni ）和弱碳化物形成元素（Mn ） 与C 的结合力和Fe 相比相差不大，所以对马氏体分解无 明显影响。
• 强碳化物形成元素（Cr 、MO 、W 、V 、Ti 等）与C 的 结合力较强，增大C 在马氏体中的扩散激活能，阻碍C 在 马氏体中的扩散，从而减慢马氏体的分解速度。
对于合金钢，回火过程中形成细小弥散的与α 相 共格的特殊碳化物，导致钢的硬度增加称为二次 硬化。
五、α相回复再结晶及碳化物聚集长大(＞400℃)
• 主要发生α相回复再结晶，同时碳化物聚集长大。
α相回复：α相回复包括内应力消除和缺陷的减少或逐 渐消失。
内应力分三类：
第一类内应力：区域性的，存在于多个晶粒之间。 第二类内应力：晶粒内，晶胞间。 第三类内应力：晶胞内，原子间。
5. α相回复再结晶及碳化物聚集长大(＞400℃)