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第七章钢的回火转变案例

  第七章钢的回火转变案例_思想汇报/心得体会_党团工作_实用文档。第七章 钢 的 回 火 转 变 ? 回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温 度保温一定时间,使淬火组织转变为稳定的回 火组织,然后以适当方式冷却到室温的一种热 处理工艺。 ? 淬火钢的组织主

  第七章 钢 的 回 火 转 变 ? 回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温 度保温一定时间,使淬火组织转变为稳定的回 火组织,然后以适当方式冷却到室温的一种热 处理工艺。 ? 淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残留奥 氏体。马氏体和残留奥氏体在室温下都处于亚 稳定状态,马氏体处于含碳过饱和状态,残留 奥氏体处于过冷状态,它们都趋于向铁素体加 渗碳体(碳化物)的稳定状态转化。但在室温下, 原子扩散能力很低,这种转化很困难,回火则 促进组织转化。 ? 淬火钢中内应力很大,淬火钢件必须立即回火, 以消除或减少内应力,防止变形或开裂,并获 得稳定的组织和所需的性能。 ? 为了保证淬火钢回火获得所需的组 织和性能,必须研究淬火钢在回火 过程中的组织转变,探讨回火钢性 能和组织形态之关系,并为正确制 订回火工艺(温度、时间等)提供理论 依据。 为什么淬火钢要进行回火? 钢经淬火得到的组织主要由马氏体和少 量的残余奥氏体等亚稳定组织组成。 1、过饱和碳的马氏体要发生脱溶分解; 2、残余奥氏体是高温相处于过冷状态, 也要发生转变; 3、淬火过程还使钢存在着较大的淬火应 力。淬火应力要逐渐松弛。 以上这些变化会引起钢的性能、形状和 尺寸的变化。 4、太脆。 ? 回火可以减少或消除应力,可以 得到稳定的组织、尺寸形状和性 能,使工件达到服役状态的要求。 ? 所以钢一般不能在淬火状态下使 用,必须经过回火才能使用。 一、淬火钢的回火转变及其组织 ? 淬火碳钢回火时,随着回火温度升高和回火 时间的延长,相应地要发生如下几种转变。 ? (一)马氏体中碳的偏聚 ? (二)马氏体分解 ? (三)残留奥氏体的转变 ? (四)碳化物的转变 ? (五)渗碳体的聚集长大和a相回复、再结晶 (一)马氏体中碳的偏聚 ? 马氏体中过饱和的碳原子处于体心立方 晶格扁八面体间隙位置,使晶体产生很 大的晶格畸变,处于受挤压状态的碳原 子有从晶格间隙位置脱溶出来的自发趋 势。但在80-100℃以下温度回火时,铁 原子和合金元素还难以进行扩散迁移, 碳原子也只能作短距离的扩散迁移。 ? 板条状马氏体存在大量位借,碳原子倾向 于偏聚在位错线附近的间隙位置,形成碳 的偏聚区,降低马氏体的弹性畸变能。例 如含碳量0.25%的低碳马氏体,间隙原子 进入马氏体晶格中刃型位错旁的拉应力区 形成所谓“柯氏气团”,使马氏体晶格不 呈现正方度,而成为立方马氏体。只有当 马氏体中含碳量0.25%,晶格缺陷中容纳 的碳原子达到饱和时,多余碳原子才形成 碳原子偏聚区,从而使马氏体的正方度增 大(?)。 ? 片状马氏体的亚结构主要为孪晶,除少 量碳原子向位错线偏聚外,大量碳原子 将向垂直于马氏体C轴的(100)面富集, 形成小片富碳区,碳原子偏聚区厚度只 有零点几个纳米,直径约为1.0nm。 ? 碳原子的偏聚现象不能用金相方法直接 观察到,但可用电阻法或内耗法间接证 实。 (二)马氏体分解 ? 当回火温度超过80℃时,马氏体开始发 生分解,碳原子偏聚区的碳原子将发生 有序化,继而转变为碳化物从过饱和a固 溶体中析出。 ? 随着马氏体的碳含量降低,晶格常数c逐 渐减小,a增大,正方度c/a减小。马氏 体的分解持续到350℃以上,在高合金钢 中可持续到600℃ 。 ? 温度对马氏体的分解起决定作用。马氏 体的含碳量随回火温度的变化规律如图 9-58所示。马氏体的含碳量随回火温度 升高不断降低,高碳钢的马氏体含碳量 降低较快。 ? 回火时间对马氏体中含碳量影响较小。当回火温 度高于150℃后,在一定温度下,随回火时间延长, 在开始1-2h内,过饱和碳从马氏体中析出很快, 然后逐渐减慢,随后再延长时间,马氏体中含碳 量变化不大。因此钢的回火保温时间常在2h左右。 ? 回火温度越高,回火初期碳含量下降越多, 最终马氏体碳含量越低。 ? 高碳钢在350℃以下回火时,马氏体分解后形 成的低碳a相和弥散E碳化物组成的双相组织称 为回火马氏体。这种组织较淬火马氏体容易腐 蚀,故在光学显微镜下呈黑色针状组织。 ? 回火马氏体中a相含碳量0.2%-0.3%,E碳化物 具有密排六方晶格,通常用E-FexC表示,其中 x=2-3。 ? 经x射线测出,E-FexC与母相之间有共格关系, 并保持一定的结晶学位向关系。 ? 高碳钢在80-150℃回火时,由于碳原子活动 能力低,马氏体分解只能依靠E碳化物在马 氏体晶体内不断生核、析出,而不能依靠E 碳化物的长大进行。在紧靠E碳化物的周围, 马氏体的碳含量急剧降低,形成贫碳区,而 距E碳化物较远的马氏体仍保持淬火后较高 的原始碳含量。于是在低温加热后,钢中除 弥散E碳化物外,还存有碳含量高、低不同 的两种a相(马氏体)。这种类型的马氏体分 解称为两相式分解。 ? 当回火温度在150-350℃之间时,碳原子活动 能力增加,能进行较长距离扩散。因此,随 着回火保温时间延长,E碳化物可从较远处获 得碳原子而长大,故低碳a相增多,高碳a相 逐渐减少。最终不存在两种不同碳含量的a相, 马氏体的碳含量连续不断地下降。这就是所 谓连续式分解。 ? 直到350℃ 左右,a相碳含量达到平衡时,正 方度趋近于l。至此,马氏体分解基本结束。 ? 析出的E碳化物存在于马氏体形态的a相中。 ? 含碳量0.2%的板条状马氏体在 淬火冷却时已发生自回火,析出 碳化物。在100-200℃之间回火 时,绝大部分碳原子都偏聚到位 错线附近,没有E碳化物析出。 (三)残留奥氏体的转变 ? 钢淬火后总是多少存在一些残留奥氏体。 ? 残留奥氏体随淬火加热时奥氏体中碳和合 金元素的含量的增加而增多。含碳量0.5 %的碳钢或低合金钢淬火后,有可观数量 的残留奥氏体。 ? 高碳钢淬火后于250~300℃之间回火时, 将发生残留奥氏体分解。 ? 图9-61是含碳1.06%的钢于1000℃ 淬火, 并经不同温度回火保温30min后,用x射 线测定的残留奥氏体量变化(淬火后残留 奥氏体体积分数尚存35%)。可见,随回 火温度升高,残留奥氏体量减少。 ? 残留奥氏体与过冷奥氏体 并无本质区别,它们的C 曲线很相似,只是两者的 物理状态不同而使转变速 度有所差异而已。 ? 图9-62是高碳铬钢残留奥 氏体和过冷奥氏体的C曲 线。与过冷奥氏体相比, 残留奥氏体向贝氏体转变 速度较快,而向珠光体转 变速度则较慢。 ? 残留奥氏体在高温区内回火时, 先析出先共析碳化物,随后分 解为珠光体;在低温区内回火 时,将转变为贝氏体。在珠光 体和贝氏体转变温度区间也存 在一个残留奥氏体的稳定区。 ? 淬火高碳钢在200-300℃回火时, 残留奥氏体分解为a相和E碳化 物组成的机械混合物,称为回 火马氏体或下贝氏体。 (四)碳化物的转变 ? 马氏体分解及残留奥氏体转变形成的E碳 化物是亚稳定的过渡相。当回火温度升 高至250~400℃时,形成比E碳化物更稳 定的碳化物。 ? 碳钢中比E碳化物稳定的碳化物有两种: 一种是x-碳化物,化学式是Fe5C2,具有 单斜晶格;另一种是更稳定的渗碳体 ( Fe3C)。 ? 碳化物的转变主要取决于回火温度,也 与回火时间有关。图9-63表示回火温度 和回火时间对淬火钢中碳化物变化的影 响。由图可见,随着回火时间的延长, 发生碳化物转变的温度降低。回火温度 升高,达到相同效果所需时间减少。 ? 回火温度高于250℃时,含碳量0.4%的马 氏体中E碳化物逐渐溶解,同时沿{112}M 晶面析出x-碳化物。x-碳化物呈小片状平 行地分布在马氏体中,尺寸约5nm,它和 母相马氏体有共格界面并保持一定的位向 关系。 ? 由于x-碳化物与E-碳化物的惯习面和位向 关系不同,所以x-碳化物不是由E碳化物直 接转变来的,而是通过E碳化物溶解并在 其他地方重新形核、长大的方式形成的。 这种所谓“单独形核”的方式,通常叫做 “离位析出”。 ? 随着回火温度升高,马氏体中除析出x-碳化物以外, 还同时析出渗碳体,即Fe3C。析出Fe3C的惯习面有 两组:一组是{112}M晶面,与x-碳化物的惯习面相 同,说明这组Fe3C可能是从x-碳化物直接转变过来 的,即“原位析出”;另一组是{100}M晶面,说明 这组Fe3C不是由x-碳化物直接转变得到的,而是由 x-碳化物首先溶解,然后重新形核长大,以“离位 析出”方式形成的。刚形成的Fe3C与母相仍保持共 格关系,当长大到一定尺寸时,共格关系难以维持, 在300~400℃时共格关系陆续破坏,渗碳体脱离a 相而析出。 ? 当回火温度升高到400℃以后,淬火马氏 体完全分解,但a相仍保持针状外形,先 前形成的E碳化物和x碳化物此时已经消 失,全部转变为细粒状渗碳体。这种由 针状a相和无共格联系的细粒状渗碳体组 成的机械混合物叫做回火托氏体。 ? 图9-64为淬火高碳钢400℃回火时得到的 回火托氏体金相显微组织,其渗碳体颗 粒难以分辨。在电子显微镜下可以清楚 地看出回火托氏体中a相和细粒状渗碳体 (见图9-65)。 ? 回火温度高于200℃时,含碳量0.2%的 马氏体将在碳原子偏聚区通过连续式分 解方式直接析出渗碳体。含碳量介于0.2 %-0.4%的马氏体可由E碳化物直接转变 为渗碳体,而不形成x-碳化物。 ? 0.2——0.4 (五)渗碳体的聚集长大和a相回复、再结晶 ? 当回火温度升高至400℃以上时, 已脱离共格关系的渗碳体开始明显 地聚集长大。片状渗碳体长度和宽 度之比逐渐缩小,最终形成粒状渗 碳体。碳化物的球化和长大过程, 是按照细颗粒溶解、粗颗粒长大的 机制进行的(胶态平衡理论)。 ? 淬火碳钢经高于500℃的回火后, 碳化物已经转变为粒状渗碳体。当 回火温度超过600℃时,细粒状渗 碳体迅速聚集并粗化。 ? 含碳0.34%的钢中的渗碳体颗粒直 径与回火温度、回火时间的关系示 于图9-66中。 ? 在碳化物聚集长大的同时,a相的状态也在不断 发生变化。马氏体晶粒不呈等轴状,而且是通过 切变方式形成的,晶格缺陷密度很高,因此,在 回火过程中a相也会发生回复和再结晶。 ? 板条状马氏体的回复过程主要是a相中位错胞和 胞内位错线逐渐消失,使晶体的位错密度减少, 位错线℃以上 时,剩余位错发生多边化,形成亚晶粒,a相发 生明显地回复,此时a相的形态仍然具有板条状 特征(见图9-67)。 ? 随着回火温度的升高,亚晶粒逐渐长大, 亚晶界移动的结果可以形成大角度晶界。 当回火温度超过600℃时,a相开始发生 再结晶,由板条晶逐渐变成位错密度很 低的等轴晶。图9-68为a相发生部分再结 晶的组织。 ? 对于片状马氏体,当回火温度高于250℃ 时,马氏体片中的孪晶亚结构开始消失, 出现位错网络。回火温度升高到400℃以 上时,孪晶全部消失,a相发生回复过程。 当回火温度超过600℃时,a相发生再结 晶过程,a相的针状形态消失,形成等轴 的铁素体晶粒。 ? 淬火钢在500—650℃回火得到的回复或 再结晶了的铁素体和粗粒状渗碳体的机 械混合物叫做回火索氏体。在光学显微 镜下能分辨出颗粒状渗碳体(图9-69),在 电子显微镜下可看到渗碳体颗粒明显粗 化(图9-70)。 ? 另一方面,当回火温度为400℃-600℃时, 由于马氏体分解、碳化物转变、渗碳体 聚集长大及a相回复或再结晶,淬火钢的 残留内应力基本消除。 回火组织总结 ? 淬火钢在不同的回火温度下,处于 不同的回火转变阶段,将会得到如 下几种回火组织。 (1)回火马氏体 (2)回火屈氏体 (3)回火索氏体 (4)回火珠光体 (1)回火马氏体 ? 回火马氏体是150 ~250 ℃低温回火时得到的组 织。 ? 在马氏体中已有大量的 细小 ε 碳化物,残余奥 氏体发生了部分分解 (200-300℃)。 ? 光学显微镜下,淬火组 织的形貌没有变化,只 有在电镜下可以清晰地 观察到,马氏体基体中 分布着大量的 E 碳化物。 (2)回火托氏体 ? 淬火马氏体经 350~5000C中温回 火后得到的组织 称为回火托氏体。 ? 回火托氏体组织 是铁素体基体中 弥散分布着极细 小的片状或粒状 渗碳体。 ? 在光镜下,铁素 体仍基本保持原 马氏体的形貌特 征,分辨不出渗 碳体的颗粒。 (3)回火索氏体 ? 回火索氏体是淬火 马 氏 体 经 500 ~ 650℃ 高 温 回 火 后 得到的组织。 ? 它是由铁素体加球 粒状渗碳体组成的。 ? 在高倍的光镜下可 以清晰地观察到渗 碳体颗粒,原马氏 体的形貌已基本消 失。 (4)回火珠光体 ? 回火珠光体又称 回火球化组织, 是淬火马氏体经 650℃ 以 上 长 时 间回火后得到的 组织。 ? 渗碳体已完全球 化,尺寸也已相 当大了。 二、淬火钢在回火时性能的变化 ? 1、淬火钢回火时,力学性能随回火温度 的变化而发生一定的变化,这种变化与 显微组织的变化有密切关系。淬火钢在 回火时硬度变化的总趋势是,随着回火 温度的升高,钢的硬度不断下降。 ? 2、含碳量0.8%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E碳化物析出引 起弥散强化造成的。 ? 3、含碳量0.8%的高碳钢在200-300℃回 火时,硬度下降的趋势变得平缓。显然, 这是由于马氏体分解使钢的硬度下降及 残留奥氏体转变使钢的硬度升高两方面 因素综合作用的结果。 ? 4、回火温度在300℃以上时,由于渗碳 体与母相的共格关系破坏以及渗碳体的 聚集长大而使钢的硬度呈直线下降。 ? 碳钢随着回火温度的升高,其强度不断下降, 而塑性不断升高(见图9-72)。但在200-300℃较 低温度回火时,由于内应力的消除,钢的强 度和硬度都得到提高。 ? 对于一些工具材料,可采用低温回火以 保证较高的强度和耐磨性(图9-72c)。但 高碳钢低温回火后塑性较差。 ? 低碳钢低温回火后具有良好的综合力学性能(图972a)。 ? 在300-400℃回火时,钢的弹性极限最高,因此一些 弹簧钢件均采用中等温度回火。当回火温度进一步 提高,钢的强度迅速下降,但钢的塑性和韧性却随 回火温度升高而增长。在500-600℃回火时,塑性达 到较高的数值,并且保留相当高的强度。因此中碳 钢采用淬火加高温回火可以获得良好的综合力学性 能(图9-72b)。 ? 合金元素可使钢的各种回火转变温度范围向 高温推移,可以减少钢在回火过程中硬度下 降的趋势,说明合金钢耐回火性高,比碳钢 具有更高的抵抗回火软化过程的能力,即回 火抗力高。 ? 与相同含碳量的碳钢相比,在高于300℃回 火时,在相同回火温度和回火时间情况下, 合金钢具有较高的强度和硬度。反过来,为 得到相同的强度和硬度,合金钢可以在更高 温度下回火,这又有利于钢的韧性和塑性的 提高。 三、回火脆性 ? 淬火钢回火时的冲击韧度并不总是随回火 温度的升高单调地增大,有些钢在一定的 温度范围内回火时,其冲击韧度显著下降, 这种脆化现象叫做钢的回火脆性。 ? 钢在250-400℃温度范围内出现的回火脆性 叫第一类回火脆性,也叫低温回火脆性; ? 在450-650℃温度范围内出现的回火脆性叫 做第二类回火脆性,也叫高温回火脆性。 ? 低温回火脆性几乎在所有的工业用钢中 都会出现。 ? 一般认为,低温回火脆性是由于马氏体 分解时沿马氏体条或片的界面析出断续 的薄壳状碳化物,降低了晶界的断裂强 度,使之成为裂纹扩展的路径,因而导 致脆性断裂。 ? 如果提高回火温度,由于析出的碳化物 聚集和球化,改善了脆化界面状况而使 钢的韧性又重新恢复或提高。 ? 钢中含有合金元素一般不能抑制低温回 火脆性,但Si、Cr、Mn等元素可使脆化 温度推向更高温度。例如WSi =1.0%-1.5 %的钢,产生脆化的温度为300-320℃; 而WSi =1.0%~1.5%、 WCr =1.5%~2.0 %的钢,脆化温度可达350~370℃。 ? 到目前为止,还没有一种有效地消除低 温回火脆性的热处理或合金化方法。为 了防止低温回火脆性,通常的办法是避 免在脆化温度范围内回火。 ? 高温回火脆性主要在合金结构钢中出现,碳钢一般 不出现这种脆性。 ? 高温回火脆性通常在回火保温后缓冷的情况下出现, 若快速冷却,脆化现象将消失或受到抑制。因此这 种回火脆性可以通过再次高温回火并快冷的办法消 除,但是若将已消除脆性的钢件重新高温回火并随 后缓冷时脆化现象又再次出现。为此,高温回火脆 性又称可逆回火脆性。 ? 钢中含有Cr、Mn、P、As、Sb等元素时,会使高 温回火脆性倾向增大。如果钢中除Cr以外,还含有 Ni或相当的Mn量时,则高温回火脆性更为显著。 而W、Mo等元素能减弱高温回火脆性的倾向。例 如钢中含有钼0.5%左右或W为1%时,可以有效地 抑制高温回火脆性。 ? 高温回火脆性产生的原因亦有许多说法。目前比较 引人注意的是晶界偏聚机制。Sb、Sn、P、As等杂 质元素在回火处理时向原奥氏体晶界偏聚,减弱了 奥氏体晶界上原子间的结合力,降低晶界断裂强度 是产生高温回火脆性的主要原因。Ni、Cr等合金元 素不但促进这些杂质元素的偏聚,而且本身也向晶 界偏聚,进一步降低了晶界断裂强度,从而增大了 回火脆性倾向。Mo与杂质元素发生交互作用,抑 制杂质元素向晶界偏聚,从而能减轻回火脆性倾向。 上述杂质元素偏聚机制能较好地解释高温回火脆性 的许多现象,并能有力地说明钢在450~550℃长期 停留使杂质原子有足够时间向晶界偏聚而造成脆化 的原因。却难以说明这类回火脆性对冷速的敏感性。 ? 防止或减轻高温回火脆性的方法很多。采用 高温回火后快冷的方法可抑制回火脆性,但 这种方法不适用于较大工件。在钢中加入Mo、 W等合金元素阻碍杂质元素在晶界上偏聚, 也可以有效地抑制高温回火脆性。此外,对 亚共析钢采用在A1-A3临界区亚温淬火方法, 使P等杂质元素溶入残留的铁素体中,减轻P 等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚,也可 以减小高温回火脆性倾向。还有,选择含杂 质元素极少的优质钢材以及采用形变热处理 等方法都可以减轻高温回火脆性。 四、淬火后的回火产物与奥氏体直接分解产物的 性能比较 ? 同一钢件经淬火加回火处理后,可以得到回 火托氏体或回火索氏体组织;由过冷奥氏体 直接分解可得到托氏体或索氏体组织。这两 类转变产物的组织和性能有什么差别呢? 它们都是铁素体加碳化物的珠光体类型组 织,但是回火托氏体和回火索氏体中的碳化 物是呈颗粒状的,而托氏体和索氏体中的碳 化物是片状的。碳化物呈颗粒状的组织使钢 的许多性能得到改善。 ? 图9-74表示在相同硬度下共析钢片状组织和粒状 组织的力学性能。 硬度在20-35HRC范围内,淬火加回火产物是 回火索氏体;而直接分解产物是细珠光体,即索 氏体。在相同硬度时,两类组织的抗拉强度相近, 但回火索氏体组织的屈服强度和塑性指标均比索 氏体高。尤其是硬度在25~30HRC范围内,屈服 强度和断面收缩率的差别最大。可见,硬度为 25-30HRC的回火索氏体组织综合力学性能远比 索氏体好得多。 ? 硬度为25-30HRC的回火索氏体组织综合力学性能远 比索氏体好得多。这是由于片状碳化物受力时会使 基体产生很大的应力集中,易使碳化物片产生脆断 或形成微裂纹。而粒状碳化物造成的应力集中小, 微裂纹不易产生,故钢的塑性、韧性好。因此,工 程上凡是承受冲击并要求优良综合力学性能的工件 都要进行淬火加高温回火处理,即调质处理,以得 到具有优良综合力学性能的回火索氏体组织。 ? 对于具有回火脆性的钢种,与进行淬火加低温回火获得的 回火马氏体相比,进行等温淬火获得的下贝氏体性能更为 优越。 图9-75是在相同强度条件下40CrNiMo钢两种转变产物冲 击韧度的比较。图上的数字表示回火温度或奥氏体等温分 解温度。由图可见,钢分别进行淬火后在低温回火脆性温 度范围回火及在低温回火脆性温度范围等温淬火后,当强 度相同时,下贝氏体的冲击韧度显著高于回火马氏体。所 以生产上在条件可能的情况下尽量采用等温淬火方法,取 代淬火加低温回火,以获得优良的综合力学性能。 为什么在硬度相同的情况下,淬火回 火组织的塑性和韧性优于正火组织? ? 因为:1、渗碳体在两种索氏体中形状相 差很大,在受力变形过程中,片状渗碳体 对基体连续性的损害作用比粒状的大; 2、 片状渗碳体易于断裂形成微裂纹,而粒状 渗碳体则不易产生微裂纹。 ? 正由于钢经淬火回火后,获得的组织中强 化相是粒状均匀分布的,才具有好的综合 力学性能,塑性和韧性优于正火组织。 ? 重要的钢制工件需经正确的淬火回火处理 后使用。 ?以下内容是回火 转变的另一个版 本PPT 定义 ? 钢的回火是将淬火钢加热至A1以 下的某一温度,保温,然后冷却 到室温的一种热处理工艺。 ? 钢在淬火状态下一般不能使用。 为什么淬火钢要进行回火? 钢经淬火得到的组织主要由马氏体和少 量的残余奥氏体等亚稳定组织组成。 1、过饱和碳的马氏体要发生脱溶分解; 2、残余奥氏体是高温相处于过冷状态, 也要发生转变; 3、淬火过程还使钢存在着较大的淬火应 力。淬火应力要逐渐松弛。 以上这些变化会引起钢的性能、形状和 尺寸的变化。 4、太脆。 ? 回火可以减少或消除应力,可以 得到稳定的组织、尺寸形状和性 能,使工件达到服役状态的要求。 ? 所以钢一般不能在淬火状态下使 用,必须经过回火才能使用。 一、淬火钢在回火过程中的转变 分三个阶段: 1.马氏体分解 2.残余奥氏体的分解 3.铁素体基体的回复与再结晶 1.马氏体分解过程 ? 淬火马氏体是碳在铁素体中的过饱和 固溶体,一旦加热就会析出过饱和的 碳,发生分解转变,马氏体的正方度 c/a下降,逐渐趋于1。 ? 当回火温度足够高时,过饱和的碳全 部析出,马氏体最终转变成铁素体加 碳化物的平衡组织,并会发生碳化物 的长大和球化。 (1)碳原子偏聚 ? 过饱和的碳原子始终存在着从晶格中脱 溶形成碳化物的趋势。 ? 在室温至 100℃的温度范围内回火,碳 原子不可能进行较长距离的扩散,只能 做短距离扩散迁移,形成碳的偏聚区。 碳原子可以向晶体缺陷处偏聚,例如偏 聚在位错线上形成柯垂尔气团;碳原子 也可以在板条马氏体的 {100} 面、片状 马氏体的孪晶面 {112} 上偏聚形成富碳 原子团。 自 回 火 ? 在许多Ms点高的钢中,马氏体形 成温度高于100℃,所以在马氏 体刚一形成就已经发生了碳原子 的迁移偏聚过程,这一过程称为 自回火。 (2)形成过渡碳化物 ? 在 100 ℃以上温度回火,马氏体内开始析出 亚稳定的过渡碳化物相。 ? 加热至100~250℃时形成ε 碳化物,ε 碳化 物呈条状薄片或针状,长度约为 100nm ,在 光学显微镜下无法分辨,而在电镜下可以清 楚观察到。 ? ε 碳化物的成分约为 Fe2-3C ,具有密排六方 结构,惯析面为{001}M。ε 碳化物形成的开 始阶段(低温时)与马氏体保持共格,与马氏 体的位向关系是: (0001)E∥(011)M,[10 T1]E∥[101]M。 ? 回火温度升高, ε 碳化物粗化,共格相界转 变为半共格相界。 ? 回火温度升高到 250 ℃以上, Wc0.4% 的钢中 ε 碳化物会逐渐溶解消失,同时沿着马氏体 {112}面形成X碳化物。 ? X 碳化物的成分大约是 Fe5C ,具有单斜结构, 也是亚稳定过渡相。 ? X碳化物不是由ε 碳化物直接转化而来的,因 为它们的惯析面不同。 ? 与亚稳定过渡碳化物析出的同时,马氏体的 碳浓度逐渐减少,正方度逐步降低。 (3)渗碳体的形成 ? 淬火钢在250~300℃回火时,即会有 渗碳体Fe3C形成。 ? 渗碳体与过渡碳化物相比,有较低的 吉布斯自由能。 ? 渗碳体可以通过过渡碳化物点阵转化 成渗碳体点阵而形成,也可以从马氏 体中直接析出形成。 ? 渗碳体最初的形状是细小的薄片 状,与马氏体保持一定的位向关 系: (001)Fe3C∥(211)M [100]Fe3C∥[011]M [010]Fe3C∥[111]M。 ? 在形成渗碳体时,片状马氏体中 的孪晶亚结构也同时消失。 (4)渗碳体的球化与长大 ? 回火温度继续升高,在碳素钢中不再发生碳 化物的转变,只有碳化物的形态、分布和尺 寸发生变化。 ? 回火温度在400~600℃时,片状渗碳体聚集 成球状,并长大粗化; ? 回火温度到600℃以上时,球状渗碳体迅速 粗化。 ? 渗碳体的球化和粗化,都是通过曲率半径小 的,相对不稳定的渗碳体溶解到铁素体中, 较稳定的曲率半径大的渗碳体长大来完成的。 对于碳素钢要注意几点 ? 1、回火温度升到约300℃时,马氏体中过 饱和的碳已基本以碳化物形式析出,正方 度已减小到 1 ,铁素体的碳浓度也已接近 平衡状态,马氏体转变已基本结束。 ? 2、温度高于300℃时,仅有过渡碳化物的 转变和渗碳体的球化和长大。 ? 3、Wc小于0.4%的马氏体回火过程中,没 有X碳化物形成。 ? 4、浓度Wc小于0.2%的马氏体回火时,也 不析出ε 碳化物,而是直接形成渗碳体。 2.残余奥氏体的分解 ? 含碳量大于0.4%的碳素钢淬火后,组织 中总含有较大量的残余奥氏体(?)。 ? 在回火温度为 200 ~ 300 ℃时,残余奥氏 体便会发生分解,转变为下贝氏体(过饱 和铁素体加E碳化物)。 ? 随着回火温度的升高,下贝氏体中过饱 和铁素体的碳浓度逐渐降低,E碳化物逐 步转变为渗碳体,最后形成铁素体加渗 碳体组织。 3.铁素体基体的回复与再结晶 ? 回火温度升高,随着马氏体的分解, 碳的析出,基体由存在着大量晶体缺 陷的过饱和碳的马氏体,转变为仍含 有大量位错等晶体缺陷的铁素体。 ? 但是铁素体形态仍然保留原来的马氏 体形态。 ? 回火温度继续升高,铁素体将逐步发 生再结晶和晶粒长大。 ? 钢淬火后在400℃以下回火,基体 仍保持原马氏体的形态。 ? 高于400℃时,开始发生基体的回 复过程,位错密度逐渐减小。 ? 在回复过程中,淬火应力也在消 失。 ? 回复后的铁素体基体的微观组织仍保 持原马氏体板条状和片状特征。 ? 温度升高至 600 ℃以上,铁素体基体 开始再结晶,形成位错密度更低的铁 素体等轴晶,板条状、片状特征消失。 与此同时,铁素体晶粒开始长大,但 这时渗碳体颗粒阻碍铁素体迅速长大。 ? 温度在700℃以上(当然低于A1点)时, 铁素体晶粒将急剧长大粗化。 二、回火后的组织与性能 1.回火组织 2.回火后的力学性能 1.回火组织 ? 淬火钢在不同的回火温度下,处于 不同的回火转变阶段,将会得到如 下几种回火组织。 (1)回火马氏体 (2)回火屈氏体 (3)回火索氏体 (4)回火珠光体 (1)回火马氏体 ? 回火马氏体是150 ~250 ℃低温回火时得到的组 织。 ? 在马氏体中已有大量的 细小 ε 碳化物,残余奥 氏体发生了部分分解 (200-300℃)。 ? 光学显微镜下,淬火组 织的形貌没有变化,只 有在电镜下可以清晰地 观察到,马氏体基体中 分布着大量的 E 碳化物。 (2)回火托氏体 ? 淬火马氏体经 350~5000C中温回 火后得到的组织 称为回火托氏体。 ? 回火托氏体组织 是铁素体基体中 弥散分布着极细 小的片状或粒状 渗碳体。 ? 在光镜下,铁素 体仍基本保持原 马氏体的形貌特 征,分辨不出渗 碳体的颗粒。 (3)回火索氏体 ? 回火索氏体是淬火 马 氏 体 经 500 ~ 650℃ 高 温 回 火 后 得到的组织。 ? 它是由铁素体加球 粒状渗碳体组成的。 ? 在高倍的光镜下可 以清晰地观察到渗 碳体颗粒,原马氏 体的形貌已基本消 失。 (4)回火珠光体 ? 回火珠光体又称 回火球化组织, 是淬火马氏体经 650℃ 以 上 长 时 间回火后得到的 组织。 ? 渗碳体已完全球 化,尺寸也已相 当大了。 2.碳素钢回火后的力学性能 ? 右图示出不同含 碳量的碳素钢回 火后硬度与回火 温度之间的关系, 硬度变化的总趋 势是,随着回火 温度的升高而逐 渐的降低。 ?在200℃以下回 火,硬度变化不 大,这是因为碳 原子的偏聚和ε 碳化物的析出所 引起的硬化抵消 了马氏体畸变减 小所产生的软化。 ? 含 碳 量 大 于 O.8 % 的 高 碳 钢 , 在 100℃左右回火硬 度还稍许有所升高 ( 1 ~ 2 HRC) , 这 是 由于碳原子的偏聚 和 ε 碳化物的析出 所引起的硬化效果 超过了软化的效果 所致。 ? 高 碳 钢 在 200 ~ 300℃ 回 火 出 现 一 个硬度“平台”, 则是因为淬火组织 中的残余奥氏体分 解使硬度上升,和 马氏体大量转变使 硬度下降两个因素 综合作用的结果。 ? 高于 300℃回火, 马氏体已经完全 分解,亚稳定的 过渡碳化物转变 成渗碳体,渗碳 体长大,以及铁 素体基体回复、 再结晶等过程均 使钢软化,因此 硬度直线下降。 ? 随回火温度的 升高,碳钢的 硬度下降,强 度也降低,而 塑性升高。 ? 40钢的各项力 学性能与回火 温度的关系如 图所示。 ? 在有关的手册 中,可以查到 现有各种钢回 火后的性能与 回火温度之间 的关系曲线或 图表,根据工 件的服役要求 利用这些数据 就可以确定回 火温度。 ? 高碳钢淬火状态(高碳马氏体),虽然 硬度高,但由于内应力大,组织中存在 显微裂纹,塑性和韧性低,表现出大的 脆性,不能直接使用。 ? 高碳马氏体经低温回火后,内应力降低, 显微裂纹得到弥合,使钢在保持高硬度 的条件下,具有一定的塑性和韧性(虽 然仍然很低),可以作为工具加以使用 (非配合性工具)。 ? 低碳马氏体的塑性和韧性较好,经低温 回火后,内应力降低,表现出良好的强 韧性。 ? 在硬度相同的情况下,淬火回火 组织的塑性和韧性优于正火组织。 ?例如共析碳钢,过冷奥氏体在 650~600℃直接分解的产物为索氏 体(细珠光体),淬火后经600~ 650℃回火得到回火索氏体,虽然 两种组织都是铁素体加渗碳体的混 合物,渗碳体的弥散度也相似,但 是回火索氏体的综合性能优于索氏 体(?)。 为什么在硬度相同的情况下,淬火回 火组织的塑性和韧性优于正火组织? ? 因为:1、渗碳体在两种索氏体中形状相 差很大,在受力变形过程中,片状渗碳体 对基体连续性的损害作用比粒状的大; 2、 片状渗碳体易于断裂形成微裂纹,而粒状 渗碳体则不易产生微裂纹。 ? 正由于钢经淬火回火后,获得的组织中强 化相是粒状均匀分布的,才具有好的综合 力学性能,塑性和韧性优于正火组织。 ? 重要的钢制工件需经正确的淬火回火处理 后使用。 三、回火脆性 定 义 ? 淬火钢回火时,随着回火温度的升高, 总趋势是硬度和强度下降而塑性升高。 ? 然而,许多钢的冲击韧度却不是随着回 火温度的升高而一直升高。 ? 在250~4000C区间回火时出现的冲击韧 度下降现象,称为第一类回火脆性; ? 在450~6000C区间回火时出现的冲击韧 度下降现象称为第二类回火脆性。 1.第一类回火脆性 ? 发生第一类回火脆性的主要原因是,细 小的薄片状过渡碳化物(尤其是X型碳 化物)和渗碳体在马氏体的板条界,或 是在马氏体片的界面上析出,硬而脆的 碳化物薄膜割裂了基体的连续性,使钢 的韧性下降。另外,在此温度区间发生 的残余奥氏体的分解,也加重了这种回 火脆性。 ? 应避免在250~4000C区间回火。 ? 如果工件(例如弹簧)的服役条 件要求高的弹性极限,必须采 用此温度区间的回火工艺,则 应选用含适量Si的钢种,因为 Si可以使E碳化物向X碳化物转 变推迟到较高的温度,从而推 迟X碳化物沿马氏体界面析出。 或者采用等温淬火工艺。 2.第二类回火脆性 ? 第二类回火脆性主要发生在含Ni、Cr、 Mn的钢中。 ? 高温回火脆性的特点是,淬火的钢在 450~6000C回火后慢冷,就出现冲击韧 度下降的现象,重新在此温度回火然后 快冷,冲击韧度又会提高。如果再次在 此温度回火并慢冷,脆性又再此出现。 ? 由此可见第二类回火脆性具有可逆性, 所以又称可逆回火脆性。 ? 第一类回火脆性又称作不可逆回火脆性。 ? 发生第二类回火脆性的主要原因是,在 450~6000C加热后慢冷的过程中,发生 了微量杂质元素P、As、Sb、Sn等向原 奥氏体晶界偏聚,因而引起晶界弱化造 成的。钢中含有Ni、Cr、Mn等合金元 素时,加速这种偏聚过程,更容易出现 第二类回火脆性。 ? 重新在此温度加热,这些元素又会从晶 界处扩散开,在快冷时来不及在晶界处 偏聚,就不呈现脆性。 ? 钢中加入0.5%Mo或者l%W,强烈阻碍 有害元素的偏聚,可以基本上消除这种 回火脆性。此外,采用在A1~A3温度区 间加热淬火工艺(亚温淬火),奥氏体化 后组织中残留有少量的铁素体,P、As、 Sb、Sn等杂质均优先溶入铁素体中,而 不进入奥氏体,淬火后马氏体中也几乎 不含有这些杂质,因此可以基本避免第 二类回火脆性的危害。 四、钢的淬火回火热处理的应用 ? 除少数情况外,钢在 淬火后都要进行回火。 回火处理最后决定钢 在使用状态下的组织 和性能。 ? 钢在淬火后,根据回 火温度高低,其性能 可以在很宽的范围内 改变。 ? 像刃具要求的高硬度,或是结构 件所要求强而韧的综合性能,都 可以通过淬火回火来达到。 ? 回火不足(回火温度偏低或时间不 够)硬度偏高,还可以补充回火; ? 由于回火温度过高或者时间过长, 造成回火过度使回火硬度过低, 则必须重新淬火。 1.常用的四种回火工艺 ? (1)低温回火 ? (2)中温回火 ? (3)高温回火 ? (4)高温软化回火 (1)低温回火 ? 回火温度是150~2500C ? 得到的组织是回火马氏体 ? 低温回火的主要目的是降低钢中的淬火 残余应力和脆性 ? 其性能特点是有高的硬度(58~64HRC) 和耐磨性,疲劳强度高。 ? 各种高碳钢工具、冷作模具、滚动轴 承和渗碳的结构件都采用淬火低温回 火工艺。 ? 对于尺寸稳定性要求很高的精密零件 (如高精密滚动轴承),需经低温长时间 回火或多次低温回火,稳定组织和充 分消除残余应力。 (2)中温回火 ? 回火温度是350~5000C ? 一般得到回火托氏体 ? 其性能特点是具有一定的韧性,同时 又有较高的弹性极限和屈服强度 ? 主要应用于各种弹簧零件和锻模,也 可以用来处理要求有高强度、硬度和 一定韧性的工件,如刀杆、轴套等。 (3)高温回火 ? 回火温度是500~6500C ? 回火后的组织是回火索氏体 ? 主要目的是使钢获得强度、硬度 和塑性、韧性有良好配合的综合 力学性能。 ? 淬火加高温回火处理,通常称为 调质处理,简称调质。调质广泛 应用于各种重要的结构零件,如 各种轴、齿轮、连杆和其他重要 的连接件等等。 ? 对于有高温回火脆性倾向的钢, 高温回火时应在水或油中快冷。 (4)高温软化回火 ? 回火温度是A1-(20~40) 0C ? 得到的组织是回火珠光体 ? 主要应用于马氏体钢的软化和高碳合金钢 淬火返修品的返修预备处理 ? 马氏体钢都是高淬透性钢,奥氏体化以后 空冷都能淬上火得到马氏体,硬度高,不 便于机械加工,只有通过高温软化回火才 能使硬度降下来。 ? 回火珠光体的热处理工艺性也很好。 2.回火时间 ? 在各个温度回火时,最初半小时组 织和性能的变化比较快,随后逐渐 变慢,回火2h后变化就很慢了。因 此,在实际生产中回火时间一般不 超过2h。 ? 回火过程中的组织变化速率,是由碳 原子的扩散速率控制的,在合金马氏体 中还包括合金元素的扩散。高温下扩散 快,低温下扩散慢,所以,同一的回 火效果,既可以通过低温长时间回 火得到,也可以通过高温短时间回 火获得。 ? 为了综合考虑回火温度和时间的作用, 即在某一温度下用多长时间回火才能达 到要求的组织性能,可以找到一个回火特 性函数: P是回火参数,根据回火硬度或强度, 在《钢铁材料标准手册》中“主回火曲 线”上查到。 C是常数,对于大多数碳钢和合金钢C =20 主回火曲线CrNiMo钢的 主回火曲线HRC,对 应的P值为 16000。 ? P代表回火程度。于HRC和强度 相对应。 ? T对回火程度的影响大于时间t的 影响。尽管低温长时回火可以达 到高温回火的效果,实际操作时 应该尽量采用高温,以提高效率。 3、回火后的冷却 ? 1、一般工件回火后在空气中冷却, 也可用水冷; ? 2、对于一些高合金钢的工模具,回 火后不允许用水冷,以防止变形开 裂; ? 3、对于具有第二类回火脆性的钢, 如果回火温度在4500C-6500C,回 火后应该水冷或油冷,以拟制回火 脆性。 4、回火缺陷及其补偿 ? 1、回火不足,硬度偏高。时间不足 或温度不够,可以补充回火; ? 2、硬度过低。温度过高或时间过长, 必须重新淬火,然后用正确的温度 和时间回火; ? 3、回火脆性的预防。第一类回火脆 性出现,需要重新淬火,另选回火 温度;第二类回火脆性出现,重新 回火,回火后快冷即可。 人有了知识,就会具备各种分析能力, 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书,广泛阅读, 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍,我们能丰富知识, 培养逻辑思维能力; 通过阅读文学作品,我们能提高文学鉴赏水平, 培养文学情趣; 通过阅读报刊,我们能增长见识,扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操, 给我们巨大的精神力量, 鼓舞我们前进。