钢中的回火转变(金属)

双相分解
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单相分解
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原理篇——7 回火转变
2.马氏体分解（80--250 ℃ ） （2）低碳及中碳马氏体的分解 低碳钢及中碳钢MS点高，淬火过程中会发生碳原子偏 聚及碳化物析出，这一特征称为自回火。 <200℃回火时，碳偏聚，但无碳化物析出。
2.886 ，3.02 1.062 ，1.012
100
125 150
1h
1h 1h
2.846
2.846 2.852
2.882 ， 3.02 1.054 ，1.013
2.886 2.886 1.013 1.012
1.2 ,0.29
0.29 0.27
175
200 225 250
1h
1h 1h 1h
2.857
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原理篇——7 回火转变
例1. 计算得到在230℃时，碳原子扩散0.2 nm，约需20μs(微 秒)，如钢的MS 高，则在淬火过程中就能发生扩散。
例2. 含碳0.21%的Fe-C合金，奥氏体化后淬火，150℃回火 10分钟，用原子探针测得α基底含碳0.03 %，而板条马氏体的 条界碳含量为0.42 %，说明淬火或回火过程中，碳偏聚于板条
淬火组织是高度不稳定的，原因有三： ①马氏体中的碳是高度过饱和的； ②马氏体有很高的应变能； ③与马氏体并存的还有一定数量的残余奥氏体。
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原理篇——7 回火转变
正是由于马氏体和残余奥氏体的不稳定状态与平衡状态的
自由能差，为转变提供了驱动力，使得马氏体可自发的向平 衡状态转变，一旦动力学条件具备，转变就会自发进行。 这个动力学条件就是使原子具有足够的活动能力，回火处 理就是通过提高原子活动能力（加热）、使转变能以适当的 速度进行，或在适当时间内使转变达到所需要的程度。 根据在不同温度范围内发生的组织转变，可以将碳钢的整 个回火过程分为以下5个有区别而又相互重叠的阶段。
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原理篇——7 回火转变
淬火钢的组织是马氏体＋残余奥氏体。 对于碳钢，当碳含量小于0.5％时，AR量常小于2％； 当碳含量为0.8％时，AR量约为6％； 当碳含量为1.25％时，AR量超过30％； 合金钢，随着合金元素种类和数量的不同，AR的变化更大
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原理篇——7 回火转变
7.1、淬火碳钢回火时的组织转变
按回火温度划分如下阶段，但各阶段也不是单独发生， 而是相互重叠的。 1.碳原子偏聚（时效阶段） ——(100℃以下) 马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，存在于体心立方扁 八面体中的碳原子将使晶体点阵产生严重畸变，使马氏 体处于不稳定状态。为了降低能量，在100℃左右，碳原 子就偏聚于位错或孪晶界面，或板条界，形成微小的碳 的富集区。 位错马氏体，低温下C、N原子短程扩散到位错线附近偏聚 孪晶马氏体，低温下C 、N原子短程扩散富集到某一晶面
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原理篇——7 回火转变
为什么会出现两种正方度？
由于温度较低，碳原子扩散能力很弱，ε-FeXC在马氏体某些 碳的富集区通过能量、结构和成分起伏形核，并向马氏体中 长大。在长大时，要吸收碳化物附近马氏体中的碳原子，而 远离ε-FeXC的马氏体中碳原子仍然保持不变。这样在同一 片马氏体出现了成分不同，而结构相同的两个区域，每个区 域相当于一相，所以称之为双相分解。 双相分解的速度与温度有关，温度越高，其分解速度越快。
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原理篇——7 回火转变
ε碳化物
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原理篇——7 回火转变
3.残余奥氏体转变（200--300 ℃ ） 在 200 ～ 300℃之间 , 钢中的残余奥氏体将发生分解， 转变为回火马氏体或下贝氏体。其转变可用下式表示：
Ar → M回或 B下（BF＋碳化物）
碳化物可能是ε－FexC ，也可能是Fe3C 。
钢淬火后的残余奥氏体，与过冷奥氏体同属亚稳组织， 本质相同，但Ar存在于M之间，受马氏体影响： (1) 马氏体条间的残奥含碳量高于平均含碳量，已转 变的马氏体会使残奥处于三向压应力状态。（使Ar在低温 较难分解） (2) 回火过程中（ T>200 ～ 300℃），马氏体分解，对 残奥压力降低，影响到残余奥氏体的转变。
>200℃回火时，发生单相分解析出碳化物。
中碳钢正常淬火得到(板+片)混合马氏体，回火也兼有
低碳、高碳马氏体分解特征。
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2.马氏体分解（80--250 ℃ ）
（1）高碳马氏体分解 a.马氏体双相分解（80～150 ℃ ） 当温度低于125℃时，回火后可出现两种不同正方度的M—双相分解。 含碳 1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化 回火温度 ℃ 室温 回火时 间 10 年 a 2.846 c c/a 碳含量(%) 1.4 ,0.27
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2.马氏体分解（80--250 ℃ ） （1）高碳马氏体分解 b.马氏体单相分解（125--250 ℃ ） T>125℃时，碳原子扩散能力加大， α相中不同浓度可通过长程扩散消除， 析出的碳化物粒子可从较远处得到碳原子而长大。 故在分解过程中，不再存在两种不同碳含量的α相， 碳含量和正方度不断下降，300℃时，c/a接近1, 分解结束。
第七章 淬火钢的回火转变
7.1、淬火碳钢回火时的组织转变
7.2、淬火钢回火时的力学性能变化
7.3、合金元素对回火的影响 7.4、回火脆性
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原理篇——7 回火转变
第七章 淬火钢的回火转变
钢淬火形成M组织后不能直接使用，因为： 淬火组织（M+Ar）亚稳 M（片状）脆性大 淬火组织残余应力高 回火——将淬火零件重新加热到低于临界点A1某一温度保温， 使淬火亚稳组织转变为稳定的回火组织，并以适当的冷却 速度冷却到室温的热处理工艺过程。 回火目的：使淬火得到的亚稳组织转变为稳定的回火组织； 提高淬火钢塑性和韧性，降低其脆性； 降低或消除淬火引起的残余应力, 稳定尺寸 回火过程为何可以发生？
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原理篇——7 回火转变
从能量角度来看，富集区的能量高于偏聚区的能量，稳 定性较差。 富集区的形状为片状，每片中含2～3个碳原子，厚度为 3A，宽度为6A，长为7A。 富集区只是碳原子在某一晶面上的富集，因此，与母相 马氏体保持密切的联系，它的存在将使马氏体点阵发生畸变， 随富集区的数量增加，畸变量也增加，硬度将有所提高。同 时也使马氏体的电阻率有所提高。
M´
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原理篇——7 回火转变
T12钢1100℃淬火+200℃回火组织（400倍） M´+Ar
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原理篇——7 回火转变
T12钢780℃淬火+200℃回火组织（400倍） M´+碳化物+Ar
M → M´（过饱和α＋ε-碳化物）
在普通金相显微镜下，观察不出回火马氏体中的ε碳化 物。回火马氏体在形态上与淬火马氏体相似，但回火马氏体 易腐蚀，呈黑色组织。 产物： 回火马氏体。 性能： 保留高硬度
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原理篇——7 回火转变
20钢980℃淬火+200℃回火组织（400倍）
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2.马氏体分解（80--250 ℃ ）
马氏体的分解－－过渡型碳化物析出阶段。
随回火温度的升高及时间的延长，富集区的碳原子发生 有序化然后转变为过渡型ε碳化物。 随碳化物的析出，马氏体的含碳量不断减少，点阵常数c 下降、a升高、正方度c/a不断下降。 ε碳化物为ε-FexC（x=2～3），密排六方结构，与基体 马氏体保持共格关系。ε不是平衡相，而是向渗碳体转变前 的一个过渡相。 马氏体的分解有两种分解方式(双相分解和单相分解) 。
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原理篇——7 回火转变
残余奥氏体等温转变动力学图
Fe-0.7C-1Cr-3Ni钢奥氏体等温转变动力学图
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原理篇——7 回火转变
稳定化和催化的机理： 稳定化： 碳、氮原子通过扩散进入位错膨胀区形成柯氏气团并对 位错起钉扎作用，使位错难以运动，增大马氏体转变阻力， A稳定化。 催化现象是热稳定化的逆过程： 碳、氮等间隙原子进入位错形成柯氏气团有一温度上限MC。 在MC点以上停留不会引起热稳定化，不仅如此，如将已经发 生热稳定化的残余奥氏体加热到MC以上进行回火，则为了增 加熵以降低系统的自由焓，MC点碳、氮等原子将从位错逸出 而使Cottrell气氛瓦解，这将消除了热陈化稳定而使残余 奥氏体恢复了转变为马氏体的能力。亦即引起了催化。 由此可见，在MC点以下中断冷却或缓冷将引起热稳定化； 在MC点以上回火则将引起催化。
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原理篇——7 回火转变
7.1、淬火碳钢回火时的组织转变
回火时组织和性能的转变称为回火转变。 随温度升高，淬火组织将发生五个阶段变化： 时效阶段（100℃以下）： 马氏体中碳原子偏聚 回火第一阶段(80～250℃)： 马氏体分解 回火第二阶段(200～300℃)：残余奥氏体分解 回火第三阶段(250～400℃)：碳化物析出与转变 回火第四阶段(400℃以上)：渗碳体的聚集长大与 α相的再结晶。
2.859 2.861 2.863
2.884
2.878 2.874 2.872
1.009
1.006 1.004 1.003
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0.21
0.14 0.08 0.06
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双相分解机制： a) 在碳原子的富集区，形成碳化物核，周围碳原子的扩散 促使其长大。但由于温度低，进行的仅仅是近程扩散，从而形 成具有二个浓度的α相，析出的碳化物粒子也不易长大。 b) 在高碳区继续形成新核，随时间延长，高碳区逐渐变成 低碳区，高碳区减少。 c) 低碳区增多，平均成分降至 0.250.3% ，与原始碳量、 分解温度无关。
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原理篇——7 回火转变
回火过程中（T>200～300℃），马氏体分解，对残奥压力 降低，影响到残余奥氏体的转变。
a)在A1～MS之间回火，马氏体的分解可大大促进贝氏体转变 b)在MS以下回火，Ar可能转变为M，然后分解为回火M c)如加热回火时 Ar未分解，而在冷却过程中转变为 M，这一 过程称为催化。 如 W18Cr4V 淬火后，加热到 560℃三次回火，由于 560℃正 处于高速钢的珠光体与贝氏体之间的转变奥氏体稳定区，故奥 氏体在回火中不发生转变，在随后的冷却过程中就转变为马氏 体，这就是催化。但如果该钢 560℃回火后，在冷却过程中在 250℃停留5分钟，残余奥氏体又变得稳定，这一过程称为稳定 化。
700
600 500 温 度 ℃
400 300 200
100 0 -100 -200 0 Mf 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Wc 100 Ms
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原理篇——7 回火转变
总之，这一阶段主要发生的转变是马氏体分解，得到的 组织是：有一定过饱和度的α固溶体（立方马氏体）和与其 有共格关系的ε碳化物所组成的复相混合组织，称为回火马 氏体(如图)。