1、1第十章钢的回火转变与回火2回火就是将淬火后钢在回火就是将淬火后钢在A A1 1以下温度加热、保温，并以下温度加热、保温，并以适当速度冷却的工艺过程。以适当速度冷却的工艺过程。回火基本目的回火基本目的提高淬火钢的塑性和提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性韧性，降低其脆性降低或消除淬火所引降低或消除淬火所引起的残余应力起的残余应力不可避免地降低其不可避免地降低其强度和硬度强度和硬度稳定工具钢制品的稳定工具钢制品的尺寸尺寸3对于合金钢，随着合金元素种类和数量的不同，对于合金钢，随着合金元素种类和数量的不同，AR的变化幅度可能更大一些。的变化幅度可能更大一些。10.1 10.1 淬火钢回火时的组织变化
2、淬火钢回火时的组织变化淬火钢的组织淬火钢的组织马氏体马氏体残余奥氏体残余奥氏体当当C%C%0.50.5时，时，A AR R量常小于量常小于2 2当当C%C%为为0.80.8时，时，AR R量约为量约为6当当C%C%为为1.251.25时，时，AR R量超过量超过30对于碳钢对于碳钢4淬火钢的组织淬火钢的组织马氏体马氏体残余奥氏体残余奥氏体M中的碳是中的碳是高度过饱和的高度过饱和的M具有很高的具有很高的应变能和界面能应变能和界面能残残A具有具有一定数量一定数量淬火组织是高度不稳定的淬火组织是高度不稳定的回火处理就是通过提高原子的活动能力、使转变能回火处理就是通过提高原子的活动能力、使转变能以适当
3、的速度进行，或在适当时间内使转变达到所以适当的速度进行，或在适当时间内使转变达到所需要的程度。需要的程度。一旦动力学条件具备，一旦动力学条件具备，M转变就会自发进行转变就会自发进行就是使原子具有足够的活动能力就是使原子具有足够的活动能力5根据在不同温度范围内发生的组织转变，碳钢的整根据在不同温度范围内发生的组织转变，碳钢的整个回火过程可分为个回火过程可分为5个有区别而又相互重叠的阶段。个有区别而又相互重叠的阶段。时效阶段（时效阶段（100100以下）：马氏体中碳原子偏聚以下）：马氏体中碳原子偏聚回火第回火第1 1阶段阶段(80(80250)250)：马氏体分解：马氏体分解回火第回火第2 2阶段
4、阶段(200(200300)300)：残余奥氏体分解：残余奥氏体分解回火第回火第3 3阶段阶段(250(250400)400)：碳化物析出与转变：碳化物析出与转变回火第回火第4 4阶段阶段(400(400以上以上)：渗碳体的聚集长大：渗碳体的聚集长大与与相的再结晶相的再结晶回火转变随着温度的升高是连续进行的，由于所采用的试验回火转变随着温度的升高是连续进行的，由于所采用的试验方法和精度不同，不同文献给出的各阶段的温度范围略有差方法和精度不同，不同文献给出的各阶段的温度范围略有差异，甚至对回火阶段的划分也不同。异，甚至对回火阶段的划分也不同。6在在80100以下回火时，虽然从组织和硬度方面以下回
5、火时，虽然从组织和硬度方面观察不到明显变化，但此时观察不到明显变化，但此时M中却发生了中却发生了C的偏聚的偏聚.马氏体中碳原子偏聚马氏体中碳原子偏聚时效阶段时效阶段(100(100以下以下)晶体点阵中的晶体点阵中的微观缺陷较多微观缺陷较多碳钢中碳钢中M M是碳在是碳在FeFe中的过饱和固溶中的过饱和固溶体，体，C C分布于分布于bccbcc点阵的扁八面体间隙点阵的扁八面体间隙中心，使晶体产生较大弹性变形中心，使晶体产生较大弹性变形其弹性变形能其弹性变形能储存于储存于M晶体内晶体内处于不稳定状态，要自发地向稳定状态过渡处于不稳定状态，要自发地向稳定状态过渡M的内能较高的内能较高7 低碳位错型马氏
6、体中碳的偏聚低碳位错型马氏体中碳的偏聚M M中中C C原子分布在正常原子分布在正常间隙位置时比偏聚在位错线附间隙位置时比偏聚在位错线附近时的电阻要高，因此可通过测定淬火钢的电阻率近时的电阻要高，因此可通过测定淬火钢的电阻率变化来间接推测变化来间接推测C原子的偏聚行为。原子的偏聚行为。在在20100的范围内的范围内板条板条M晶内存在晶内存在大量的位错大量的位错C原子可通过扩散从原子可通过扩散从八面体间隙位置迁出八面体间隙位置迁出迁入微观缺陷比较集迁入微观缺陷比较集中的地方而发生偏聚中的地方而发生偏聚使使M的内能降低的内能降低C倾向于在位错线附倾向于在位错线附近偏聚形成近偏聚形成C偏聚区偏聚区间隙
7、位置的弹性变形间隙位置的弹性变形减小减小导致导致M弹性畸变能下降弹性畸变能下降8 高碳片状马氏体中碳原子的富集区高碳片状马氏体中碳原子的富集区高碳片状高碳片状M M的亚结构为孪晶，可被利用的低能量位的亚结构为孪晶，可被利用的低能量位错很少，因此除少量错很少，因此除少量C C原子可以向位错偏聚外，大原子可以向位错偏聚外，大量碳原子可以在量碳原子可以在M M的某一晶面的某一晶面(一般为一般为 112112或或100100晶面晶面)上富集，形成碳浓度比平均碳浓度高上富集，形成碳浓度比平均碳浓度高的碳原子富集区。的碳原子富集区。偏聚区形成的条件偏聚区形成的条件M中不具备形成碳化物中不具备形成碳化物的条
8、件，或形成的碳化的条件，或形成的碳化物稳定性小于偏聚区物稳定性小于偏聚区碳原子扩散能力不能碳原子扩散能力不能过大，否则偏聚区将过大，否则偏聚区将因原子扩散而消失因原子扩散而消失9C C富集区的形状为片状，厚度为富集区的形状为片状，厚度为33，宽度为，宽度为66，长，长为为77，每片中含，每片中含2 23 3个碳原子。个碳原子。富集区只是碳原子在某一晶面上的富集，因此，它富集区只是碳原子在某一晶面上的富集，因此，它与母相马氏体保持密切的联系，它的存在将使马氏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；体点阵发生畸变；随富集区数量的增加，畸变量也增加，硬度将有所随富集区数量的增加，
9、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。提高，同时也使马氏体的电阻率有所提高。C富集区的能量富集区的能量C偏聚区的能量偏聚区的能量C富集区的稳定性富集区的稳定性C偏聚区的稳定性偏聚区的稳定性10在在8080250250之间，随着回火温度的升高以及回火之间，随着回火温度的升高以及回火时间的延长，偏聚区或富集区的碳原子将发生有时间的延长，偏聚区或富集区的碳原子将发生有序化，继而转变成碳化物而析出，即序化，继而转变成碳化物而析出，即M M发生分解。发生分解。马氏体分解阶段，得到的组织是回火马氏体。马氏体分解阶段，得到的组织是回火马氏体。马氏体分解马氏体分解回火转变第一阶段回火转
10、变第一阶段(80(80250)250)11M M分解过程中随着碳化物的析出，分解过程中随着碳化物的析出，M M中碳含量的不断下中碳含量的不断下降，将使点阵常数降，将使点阵常数c c下降，下降，a a升高，正方度升高，正方度c/ac/a减小。减小。实验测定了高碳钢实验测定了高碳钢(1.4%C)M的正方度与回火温度之的正方度与回火温度之间的关系间的关系 高碳马氏体的分解高碳马氏体的分解12当回火温当回火温度低于度低于125当回火温当回火温度高于度高于125M相呈现两种正方度相呈现两种正方度M相呈现一种正方度相呈现一种正方度一种为一种为高碳高碳M另一种另一种为低碳为低碳M随回火温度升高，正随回火温度
11、升高，正方度方度c/a逐渐减小，逐渐减小，M相中碳含量逐渐降低相中碳含量逐渐降低只存在一种只存在一种M相相两种碳含量不同的两种碳含量不同的M相相双相分解双相分解单相分解单相分解13当回火温度较低（当回火温度较低（2020150150）时，）时，M的分解将以的分解将以双相分解方式进行双相分解方式进行。双相分解双相分解在高碳在高碳M M分解过程中，碳以碳化物的形式析出，此分解过程中，碳以碳化物的形式析出，此时析出的碳化物为亚稳碳化物，属于时析出的碳化物为亚稳碳化物，属于FeFe3 3N N型，一般型，一般称为称为-碳化物，用碳化物，用-Fe-FeX XC C表示，其中表示，其中X X常为常为2 2
12、3 3。双相分解双相分解由于温度较低，碳原由于温度较低，碳原子扩散能力很弱，子扩散能力很弱，-FeXC在在M内某些碳富内某些碳富集区通过能量、结构集区通过能量、结构和成分起伏形核，并和成分起伏形核，并向向M中长大。中长大。14-FeXC在长大时，要在长大时，要吸收附近吸收附近M中的碳原中的碳原子，而远离子，而远离-FeXC的的M中碳原子仍然保持中碳原子仍然保持不变。不变。双相分解双相分解这样在同一片这样在同一片M M就出现了两个成分不同而结构相同就出现了两个成分不同而结构相同的区域。的区域。双相分解的速度与温度有关，温度越高，其分解速双相分解的速度与温度有关，温度越高，其分解速度越快，而合金元
13、素对度越快，而合金元素对M M的双相式分解没有影响。的双相式分解没有影响。15当温度超过当温度超过125125150150后，后，M的分解将以单相分解的分解将以单相分解即即连续式分解方式进行。此时碳原子的活动能力增连续式分解方式进行。此时碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散。强，能够进行较长距离的扩散。单相分解单相分解因此，已经析出的因此，已经析出的碳化物有可能从较碳化物有可能从较远处获得碳原子而远处获得碳原子而长大，长大，M M相内的碳浓相内的碳浓度梯度也可以通过度梯度也可以通过C C的扩散而消除。的扩散而消除。单相分解单相分解16回火温度达到回火温度达到300300时，正方度时，正
14、方度c/ac/a接近接近1 1，此时，此时M M相的碳浓度已经接近平衡状态，相的碳浓度已经接近平衡状态，M M的脱溶分解过程的脱溶分解过程基本结束。基本结束。单相分解单相分解如此，在如此，在M M分解过分解过程中就不再存在两程中就不再存在两种碳含量不同的区种碳含量不同的区域，但域，但M M相的碳浓相的碳浓度及正方度度及正方度c/ac/a随随分解过程的进行而分解过程的进行而不断下降。不断下降。17 低碳马氏体的分解低碳马氏体的分解对于低碳的板条对于低碳的板条M（C%0.2%）在回火温度为在回火温度为100200时时在回火温度在回火温度高于高于200时时C仍以偏聚状态存在于仍以偏聚状态存在于M内而
15、不析出碳化物内而不析出碳化物才有可能通过单相分解才有可能通过单相分解析出碳化物析出碳化物证据：证据：0.8%C0.8%C钢，淬火后在钢，淬火后在200200回火，使马氏体回火，使马氏体析出析出-Fe-FeX XC C，然后塑性变形引入位错，重新在，然后塑性变形引入位错，重新在200200回火，发现位错区的回火，发现位错区的-Fe-FeX XC C部分重溶。部分重溶。18综上所述，在综上所述，在8080250250内回火，主要发生的回火内回火，主要发生的回火转变是转变是M M分解。分解。M M经过分解获得的是（低碳经过分解获得的是（低碳M M-FeXC）的混合组织，称为回火）的混合组织，称为回火
16、M。注意，注意，如果在如果在80250范围内回火时间过长，回范围内回火时间过长，回火火M M会继续发生变化，碳化物聚集长大，会继续发生变化，碳化物聚集长大，-Fe-FeX XC C转转变为更稳定的碳化物。变为更稳定的碳化物。中碳钢马氏体的分解中碳钢马氏体的分解中碳钢正常淬火组织中碳钢正常淬火组织单相分解单相分解双相分解双相分解板条板条M片状片状M19 残残A A分解分解回火转变第二阶段回火转变第二阶段(200(200300)300)由于由于M转变的不完全性转变的不完全性随回火温度的升高随回火温度的升高淬火后组织为（淬火后组织为（M残残A）M的分解使的分解使M对残对残A的机械作用降低的机械作用降
17、低Fe及及C原子的原子的活动能力加强活动能力加强残残A将恢复转变的动力将恢复转变的动力在在M MS S以下温度回火，残以下温度回火，残A A转转变为变为M M，然后分解为回火，然后分解为回火M M在在B B转变区回火，残转变区回火，残A A转变为转变为B B下下。20 碳化物的转变碳化物的转变回火转变第三阶段回火转变第三阶段(250(250400)400)在在250250400400回火时，碳素钢回火时，碳素钢M M中过饱和的中过饱和的C C几乎全几乎全部析出，将形成比部析出，将形成比-Fe-FeX XC C更稳定的碳化物。更稳定的碳化物。碳化物的转变，是通过碳化物的转变，是通过-碳化物的溶解
18、、碳化物的溶解、碳化物碳化物或或-碳化物重新析出的方式完成的；碳化物重新析出的方式完成的；最终得到的组织是：铁素体与片状最终得到的组织是：铁素体与片状(或小颗粒状或小颗粒状)渗碳体的混合物，称为回火屈氏体渗碳体的混合物，称为回火屈氏体(T(T)。一种是一种是-Fe-Fe5 5C C2 2，称为称为碳化物碳化物另一种是另一种是-FeFe3 3C C，称，称为为碳化物碳化物21当回火温度高于当回火温度高于200200时，直接由偏聚区析出时，直接由偏聚区析出-FeFe3 3C C，也有可能从板条，也有可能从板条M M边界上析出。边界上析出。碳化物形成的方式碳化物形成的方式碳化物的形成是通过形核长大方
19、式进行的。碳化物的形成是通过形核长大方式进行的。在在250以上低温回火时，以上低温回火时，M M分解析出与分解析出与M M保持共格保持共格联系的联系的-Fe-FeX XC C，随着，随着-Fe-FeX XC C的长大，将使母相的长大，将使母相的点阵畸变增大，当的点阵畸变增大，当-Fe-FeX XC C长大到一定尺寸后，长大到一定尺寸后，共格关系将被破坏，此时共格关系将被破坏，此时-Fe-FeX XC C将转变为更稳定将转变为更稳定的碳化物。的碳化物。低低C钢钢 高高C钢钢22转变为转变为或或时只能按独立形核长大方式；而时只能按独立形核长大方式；而转变为转变为时可以独立形核，也可以原位转变。时可
20、以独立形核，也可以原位转变。碳化物转变方式碳化物转变方式碳化物转变也是一个形核及长大过程，具体可分为碳化物转变也是一个形核及长大过程，具体可分为两种类型：两种类型：原位形核长大原位形核长大：在原碳化物基础上，发生成分：在原碳化物基础上，发生成分变化和点阵重构，形成更稳定的碳化物，也称变化和点阵重构，形成更稳定的碳化物，也称为原位转变为原位转变;独立形核长大独立形核长大：原碳化物回溶到母相之中，而：原碳化物回溶到母相之中，而新的、更稳定的碳化物在其他部位重新形核长新的、更稳定的碳化物在其他部位重新形核长大，也称为离位转变。大，也称为离位转变。23随回火温度的升高，碳化物由亚稳定状态向稳定状随回火
21、温度的升高，碳化物由亚稳定状态向稳定状态过渡。态过渡。随回火保温时间的延长，碳化物的转变温度降低。随回火保温时间的延长，碳化物的转变温度降低。温度及时间对碳化物转变的影响温度及时间对碳化物转变的影响24-Fe-FeX XC C碳化物转变为其他类型碳化物时，新生成碳化物转变为其他类型碳化物时，新生成的碳化物往往呈薄片状，且常分布在的碳化物往往呈薄片状，且常分布在M M的孪晶界或的孪晶界或M M边界处。随边界处。随M M的含碳量降低，薄片状碳化物减少。的含碳量降低，薄片状碳化物减少。研究表明，不论研究表明，不论M M的形态如何，在回火过程中，当的形态如何，在回火过程中，当回火温度较低时，都存在这样
22、的薄片状碳化物。回火温度较低时，都存在这样的薄片状碳化物。碳化物本身是一个脆性相，特别是当它呈薄片、分碳化物本身是一个脆性相，特别是当它呈薄片、分布在布在M M的孪晶界或的孪晶界或M M的晶界上时，将使钢材的脆性增的晶界上时，将使钢材的脆性增大。一般认为，这种状态分布的碳化物是产生第一大。一般认为，这种状态分布的碳化物是产生第一类回火脆性的原因之一。类回火脆性的原因之一。碳化物的形态及分布碳化物的形态及分布25 相的回复与再结晶及碳化物聚集长大相的回复与再结晶及碳化物聚集长大 回火转变第四阶段回火转变第四阶段(高于高于400)400)在在400700之间回火时之间回火时片状渗碳体将逐渐片状渗碳
23、体将逐渐球化并聚集长大球化并聚集长大尺寸较大的渗碳体尺寸较大的渗碳体等轴状铁素体等轴状铁素体两者的混合物称为回火索氏体两者的混合物称为回火索氏体铁素体也将发生铁素体也将发生回复和再结晶回复和再结晶26淬火时由于热应力与组织应力的存在，使工件淬淬火时由于热应力与组织应力的存在，使工件淬火后存在较大的内应力，火后存在较大的内应力，这些内应力会随着回火这些内应力会随着回火温度的升高而逐渐消失温度的升高而逐渐消失。淬火应力的消失淬火应力的消失淬火应力的消失淬火应力的消失相的回复与再结晶相的回复与再结晶碳化物聚集长大碳化物聚集长大在回火第四阶段，将发生在回火第四阶段，将发生第一类内应力第一类内应力第二类
24、内应力第二类内应力第三类内应力第三类内应力区域性区域性晶粒内晶胞之间晶粒内晶胞之间晶胞内原子之间晶胞内原子之间存在存在范围范围消除消除温度温度300左右左右400左右左右500左右左右27 相的回复与再结晶相的回复与再结晶淬火淬火M内部能量高，处于亚稳态内部能量高，处于亚稳态晶粒形状晶粒形状非等轴状非等轴状内部位错等内部位错等缺陷密度较高缺陷密度较高在回火过程中会发生回复与再结晶在回火过程中会发生回复与再结晶28 低碳板条状马氏体低碳板条状马氏体低低C板条板条M随回火随回火温度升高温度升高位错线将位错线将逐渐消失逐渐消失内部亚结构为内部亚结构为高密度位错高密度位错晶体内的位错晶体内的位错密度逐
25、渐下降密度逐渐下降剩余的位错将重新剩余的位错将重新排列成墙，形成多排列成墙，形成多边化亚结构边化亚结构回复后的回复后的相仍然相仍然保持细板条状保持细板条状回复的回复的确切温度确切温度不易测出不易测出当回火温度当回火温度400时，回时，回复已明显出现复已明显出现回火温度回火温度600时，回复时，回复后的后的相开始发生再结晶相开始发生再结晶由位错密度较低的等轴由位错密度较低的等轴相新晶粒逐步代替回复相新晶粒逐步代替回复后的板条状的后的板条状的相相29第二相颗粒对晶界具有钉扎作用，回火时析出的碳第二相颗粒对晶界具有钉扎作用，回火时析出的碳化物颗粒，对化物颗粒，对相的再结晶具有阻碍作用。钢中碳相的再结
26、晶具有阻碍作用。钢中碳含量愈高，含量愈高，相的再结晶愈困难。相的再结晶愈困难。通过通过相的回复与再结晶后，相的回复与再结晶后，得到的组织为回火索得到的组织为回火索氏体，一般用氏体，一般用S S 表示。组织为等轴状的铁素体加上表示。组织为等轴状的铁素体加上粒状渗碳体。粒状渗碳体。高碳片状马氏体高碳片状马氏体高碳片状高碳片状M M内部的亚结构主要是高密度的孪晶，内部的亚结构主要是高密度的孪晶，因此这类因此这类M M的回复与再结晶过程不同于板条状的回复与再结晶过程不同于板条状M M。30位错线的产生，可能是渗碳体析出时造成的体积变位错线的产生，可能是渗碳体析出时造成的体积变化引起的。所得到的组织同样
27、是回火索氏体化引起的。所得到的组织同样是回火索氏体(S(S)。高碳片状高碳片状M随回火温度的升高，随回火温度的升高，M内部的孪内部的孪晶亚结构逐渐消失而出现位错线晶亚结构逐渐消失而出现位错线当温度高于当温度高于250时时当温度高于当温度高于400时时孪晶亚结构全部消失，全部变成位错孪晶亚结构全部消失，全部变成位错内部亚结构为内部亚结构为高密度孪晶高密度孪晶与板条与板条M的回复、再结晶过程完全相同的回复、再结晶过程完全相同400以上的过程以上的过程31碳化物的球化、长大过程，是按照小颗粒溶解，碳化物的球化、长大过程，是按照小颗粒溶解，大颗粒长大的机制进行的。大颗粒长大的机制进行的。碳化物聚集长大
28、碳化物聚集长大淬火碳素钢在较高温度回火时淬火碳素钢在较高温度回火时当温度高于当温度高于400时时当温度高于当温度高于600时时渗碳体会发生聚集长大和球化渗碳体会发生聚集长大和球化渗碳体已经开始渗碳体已经开始聚集长大和球化聚集长大和球化细粒状的渗碳体会细粒状的渗碳体会迅速聚集并粗化迅速聚集并粗化32研究表明，第二相粒子在固溶体中的溶解度研究表明，第二相粒子在固溶体中的溶解度C Cr r与第与第二相粒子的半径二相粒子的半径r有关，可以由下式求出：有关，可以由下式求出：式中，式中，C Cr r第二相粒子半径为第二相粒子半径为r r时的溶解度；时的溶解度；C第二相粒子半径为第二相粒子半径为时的溶解度；
29、时的溶解度；M第二相粒子的相对分子质量；第二相粒子的相对分子质量；第二相粒子的密度；第二相粒子的密度；单位面积界面能；单位面积界面能；2lnrCMCRTr可见，第二相粒子的半径可见，第二相粒子的半径r r越小，其在基体中的溶越小，其在基体中的溶解度解度C Cr r越大。越大。332lnrCMCRTr如果已经析出的碳化物粒子的大小不一，则由于如果已经析出的碳化物粒子的大小不一，则由于其溶解度不同，将在其溶解度不同，将在相内形成浓度梯度，基体中相内形成浓度梯度，基体中小颗粒内浓度较高的合金元素原子和碳原子将向小颗粒内浓度较高的合金元素原子和碳原子将向浓度较低的大颗粒碳化物处扩散，结果导致小颗浓度较
30、低的大颗粒碳化物处扩散，结果导致小颗粒碳化物的溶解、大颗粒的长大。粒碳化物的溶解、大颗粒的长大。若碳化物呈杆状或薄片状，则由于各碳化物部位若碳化物呈杆状或薄片状，则由于各碳化物部位的曲率半径的曲率半径r不同不同，其溶解度也不同。，其溶解度也不同。r r 较小的碳较小的碳化物部位将溶解，化物部位将溶解，r r 较大的碳化物部位将长大，较大的碳化物部位将长大，这将使杆或片发生断裂，导致碳化物球化。这将使杆或片发生断裂，导致碳化物球化。34总的规律是：合金元素的加入，都会使回火转变总的规律是：合金元素的加入，都会使回火转变推迟、转变温度升高。推迟、转变温度升高。10.2 10.2 钢中的合金元素对回
31、火转变的影响钢中的合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响，包括对回火转变的合金元素对回火转变的影响，包括对回火转变的四个主要阶段的影响，即：四个主要阶段的影响，即：马氏体分解马氏体分解残余奥氏体分解残余奥氏体分解碳化物析出与转变碳化物析出与转变渗碳体的聚集长大与渗碳体的聚集长大与相的再结晶相的再结晶35合金钢中的合金钢中的M M分解与碳素钢相似，但其分解速度受分解与碳素钢相似，但其分解速度受合金元素的影响非常显著，尤其是合金元素的影响非常显著，尤其是M M分解的后期。分解的后期。合金元素对合金元素对M M分解的影响，主要是通过影响分解的影响，主要是通过影响C C的扩散的扩散来实现的。
32、因此，合金元素对来实现的。因此，合金元素对C C的偏聚、双相式分的偏聚、双相式分解的影响不大，而对单相分解的影响较大。解的影响不大，而对单相分解的影响较大。合金元素对合金元素对M分解的影响分解的影响 非碳化物形成元素非碳化物形成元素NiNi、MnMn与与C C的结合力与的结合力与FeFe相差不大，所以对相差不大，所以对C C的扩散的扩散影响不大，对影响不大，对M M分解的影响也不大；分解的影响也不大；SiSi、CoCo虽不形成碳化物，但可溶入虽不形成碳化物，但可溶入-FeXC-FeXC中而提中而提高其稳定性，使高其稳定性，使-FeXC-FeXC不易聚集而推迟不易聚集而推迟M M的分解的分解.3
33、6CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi等强碳化物形成元素与碳原子等强碳化物形成元素与碳原子结合力强，增大结合力强，增大C C在在M M中的扩散激活能，阻碍中的扩散激活能，阻碍C C原原子的扩散，可以将子的扩散，可以将M M分解温度提高分解温度提高100100150150。强碳化物形成元素强碳化物形成元素在合金钢中，由于合金元素的作用，在合金钢中，由于合金元素的作用，M M分解的温分解的温度将提高，通常把合金元素这种阻碍度将提高，通常把合金元素这种阻碍相中碳含相中碳含量降低和碳化物颗粒长大，从而使钢件保持高强量降低和碳化物颗粒长大，从而使钢件保持高强度和高硬度的性质，称为度和高硬度的性质
34、，称为回火稳定性或抗回火性回火稳定性或抗回火性。37合金钢中的残合金钢中的残A A转变与碳素钢基本相似，只是合金转变与碳素钢基本相似，只是合金元素可以改变残余元素可以改变残余A A分解的温度和速度，从而可能分解的温度和速度，从而可能对残余对残余A A转变的性质和类型产生影响。转变的性质和类型产生影响。合金元素对残余奥氏体转变的影响合金元素对残余奥氏体转变的影响 合金元素对残合金元素对残A A转变的影响转变的影响淬火合金钢回火时，残淬火合金钢回火时，残A A的转变与回火温度和残的转变与回火温度和残A A的稳定性有关。通常，合金元素的加入提高残的稳定性有关。通常，合金元素的加入提高残A A的稳定性
35、。的稳定性。在在M Ms s点以下温度回火，残点以下温度回火，残A A将转变为将转变为M M。若。若M Ms s点较点较高高(100)100)，随后还将发生，随后还将发生M M的分解，形成的分解，形成M M回回。38 残残A A在在B B区域内转变为贝氏体；区域内转变为贝氏体；残残A A在在P P区域内转变为珠光体；区域内转变为珠光体；残残A A在回火加热和保温过程中不发生分解，而在回火加热和保温过程中不发生分解，而在随后的冷却过程中转变为在随后的冷却过程中转变为M M。Ms点以上温度回火时，残点以上温度回火时，残A可能可能发生以下转变：发生以下转变：回火的二次淬火、稳定化及催化现象回火的二次
36、淬火、稳定化及催化现象由于由于残残A本身的稳定性高，或在本身的稳定性高，或在P P和和B B区之间比较区之间比较稳定的区域保温时，稳定的区域保温时，残残A可以不发生分解，而在可以不发生分解，而在随后冷却时转变为随后冷却时转变为M M，从而提高材料的强度和硬，从而提高材料的强度和硬度的现象。度的现象。二次淬火二次淬火39研究发现，二次淬火所产生的研究发现，二次淬火所产生的M M量，与二次淬火的量，与二次淬火的M Ms s 点和钢材原点和钢材原M Ms s点之间的关系密切相关。点之间的关系密切相关。稳定化及催化现象稳定化及催化现象560560回火时，回火时，M Ms s 高于高于M Ms s，产生
37、了催化作用。，产生了催化作用。250250回火时，回火时，M Ms s 低于低于M Ms s，产生了稳定化作用。，产生了稳定化作用。例如：例如：W18Cr4V钢的回火工艺钢的回火工艺Ms MsMs Ms产生的二次淬火产生的二次淬火M量较多量较多产生的二次淬火产生的二次淬火M量较少量较少催化催化稳定化稳定化40先在先在560560回火，冷却到回火，冷却到250250再保温一定时间，再再保温一定时间，再冷却到室温时，冷却到室温时，M Ms s M Ms s，与，与250回火回火工艺效果相工艺效果相同。同。说明，说明，W W1818CrCr4 4V V钢的稳定化与催化是可逆的，但并非钢的稳定化与催化
38、是可逆的，但并非所有钢残所有钢残A A的稳定化和催化都是可逆的。的稳定化和催化都是可逆的。催化与稳定化机理的解释有以下几种观点：催化与稳定化机理的解释有以下几种观点：u 碳化物析出理论；碳化物析出理论；u 相硬化消除理论；相硬化消除理论；u C C原子微扩散理论：用柯氏气团解释，柯氏气团原子微扩散理论：用柯氏气团解释，柯氏气团有一上限温度。有一上限温度。41 合金元素对回火时碳化物转变的影响合金元素对回火时碳化物转变的影响钢中加入合金元素，对回火时碳化物转变的性质钢中加入合金元素，对回火时碳化物转变的性质并无影响，但可以改变碳化物转变的温度范围。并无影响，但可以改变碳化物转变的温度范围。合金元
39、合金元素素非碳化物非碳化物形成元素形成元素弱碳化物弱碳化物形成元素形成元素强碳化物强碳化物形成元素形成元素SiSi可溶入可溶入-Fe-FeX XC C中使其稳定性提高，从而使中使其稳定性提高，从而使-FeFeX XC C转变为其他类型碳化物的温度升高，而其它转变为其他类型碳化物的温度升高，而其它非碳化物形成元素非碳化物形成元素CoCo、CuCu、NiNi、AlAl的影响较小。的影响较小。42合金元合金元素素非碳化物非碳化物形成元素形成元素弱碳化物弱碳化物形成元素形成元素强碳化物强碳化物形成元素形成元素CrCr、MnMn使碳化物稳使碳化物稳定性提高，定性提高，C C扩散系扩散系数减小，渗碳体不数
40、减小，渗碳体不易析出，使碳化物易析出，使碳化物的转变温度升高，的转变温度升高，CrCr的作用大于的作用大于MnMn。强碳化物形成元素强碳化物形成元素MoMo、W W、V V、TiTi使碳化物稳定使碳化物稳定性显著提高，性显著提高，C C的扩散的扩散能力显著下降，显著提能力显著下降，显著提高碳化物的转变温度，高碳化物的转变温度，提高回火稳定性。提高回火稳定性。43合金元素不仅影响碳化物的转变温度，同时对碳化合金元素不仅影响碳化物的转变温度，同时对碳化物聚集与粗化也有很大的影响，使粗化温度升高，物聚集与粗化也有很大的影响，使粗化温度升高，使碳化物能保持较细小的状态。使碳化物能保持较细小的状态。合金
41、钢回火时除了有合金钢回火时除了有-Fe-FeX XC C、-Fe-Fe5 5C C2 2、-Fe-Fe3 3C C外外还会出现特殊类型的碳化物。还会出现特殊类型的碳化物。合金钢中碳化物的类型合金钢中碳化物的类型当回火析出当回火析出后，继续升高回火温度，就会发生渗后，继续升高回火温度，就会发生渗碳体向更稳定的特殊类型碳化物的转变，合金元素碳体向更稳定的特殊类型碳化物的转变，合金元素不同时，可以形成不同类型的特殊类型的碳化物。不同时，可以形成不同类型的特殊类型的碳化物。44例如：高例如：高Cr高碳钢淬火后，在回火过程中碳化物转高碳钢淬火后，在回火过程中碳化物转变过程为变过程为(Fe,Cr)3C(F
42、e,Cr)3C+(Fe,Cr)7C3(Fe,Cr)7C3(Fe,Cr)23C6(Fe,Cr)7C3+(Fe,Cr)23C6回火温度升高回火温度升高45 特殊类型碳化物的形成方式特殊类型碳化物的形成方式原位形核原位形核长大长大独立形核独立形核长大长大总之，回火时合金钢中碳化物的转变，与总之，回火时合金钢中碳化物的转变，与C C及合金元及合金元素在素在相和碳化物中的重新分配有着密切的关系。相和碳化物中的重新分配有着密切的关系。碳化物形成元素在渗碳体中富碳化物形成元素在渗碳体中富集，当浓度超过合金渗碳体中集，当浓度超过合金渗碳体中的溶解度时，渗碳体的点阵就的溶解度时，渗碳体的点阵就改组成特殊碳化物的
43、点阵，完改组成特殊碳化物的点阵，完成向稳定碳化物的转变。成向稳定碳化物的转变。直接从直接从相中析出特殊碳相中析出特殊碳化物的晶核，同时伴随有化物的晶核，同时伴随有合金渗碳体的溶解。通常合金渗碳体的溶解。通常含有特殊类型碳化物形成含有特殊类型碳化物形成元素时，按此法进行。元素时，按此法进行。46通常情况下，碳钢在回火的第三阶段即碳化物转通常情况下，碳钢在回火的第三阶段即碳化物转变阶段，随着渗碳体颗粒的长大，钢件硬度将随变阶段，随着渗碳体颗粒的长大，钢件硬度将随回火温度的升高而逐渐下降。回火温度的升高而逐渐下降。但当钢中含有某些特殊类型碳化物形成元素时，但当钢中含有某些特殊类型碳化物形成元素时，如
44、如MoMo、V V、W W、TaTa、NbNb、TiTi等强碳化物形成元素，等强碳化物形成元素，将减弱钢件软化倾向。当将减弱钢件软化倾向。当M M中含有足够量上述碳化中含有足够量上述碳化物形成元素时，在物形成元素时，在500500以上回火时将析出细小的以上回火时将析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高、渗碳体粗化特殊碳化物，导致因回火温度升高、渗碳体粗化而软化的钢再度硬化，这种现象称为二次硬化。而软化的钢再度硬化，这种现象称为二次硬化。回火时的二次硬化现象回火时的二次硬化现象4710.10%C10.10%C，20.19%C20.19%C，2.91%Cr2.91%Cr30.11%C30.11%
45、C，2.14%Mo2.14%Mo40.50%C40.50%C，0.52%Ti0.52%Ti50.32%C50.32%C，1.36%V1.36%V60.35%C60.35%C，12%Cr12%Cr70.43%C70.43%C，5.6%Mo5.6%Mo48当钢中含有合金元素时，当钢中含有合金元素时，在回火过程中，由于合金在回火过程中，由于合金元素扩散能力很低，新生元素扩散能力很低，新生成的成的特殊特殊碳化物弥散度极碳化物弥散度极高，又与高，又与相保持共格，相保持共格，随回火温度的升高，特殊随回火温度的升高，特殊碳化物尺寸加大，数量增碳化物尺寸加大，数量增多，从而使多，从而使相的共格畸相的共格畸变增
46、大，导致钢材在随回变增大，导致钢材在随回火温度升高而出现硬度升火温度升高而出现硬度升高的现象，即二次硬化。高的现象，即二次硬化。二次硬化产生的原因二次硬化产生的原因4950合金钢在高温回火时，如果能形成细小弥散分布的合金钢在高温回火时，如果能形成细小弥散分布的特殊碳化物，由于碳化物又与特殊碳化物，由于碳化物又与相保持共格联系，相保持共格联系，因而显著推迟因而显著推迟相的回复与再结晶，使相的回复与再结晶，使相处于较相处于较大的畸变状态，此时钢的硬度、强度仍然可以保持大的畸变状态，此时钢的硬度、强度仍然可以保持较高的数值，即具有很高的回火稳定性。较高的数值，即具有很高的回火稳定性。在合金钢中，常用
47、合金元素如在合金钢中，常用合金元素如Mo、W、Ti、V、Cr和和Si等等，均具有阻碍回火时各类畸变消除的作用，均具有阻碍回火时各类畸变消除的作用，而且一般都延缓而且一般都延缓相的回复与再结晶以及碳化物的相的回复与再结晶以及碳化物的聚集长大过程，从而提高回火稳定性。聚集长大过程，从而提高回火稳定性。合金元素对回火时合金元素对回火时相回复与再结晶的影响相回复与再结晶的影响51合金元素含量增高，这种延缓合金元素含量增高，这种延缓相的回复与再结晶相的回复与再结晶的作用越强。的作用越强。钢中同时加入几种合金元素，其相互作用加剧。钢中同时加入几种合金元素，其相互作用加剧。总之，合金钢具有较高的回火稳定性，
48、同时由于回总之，合金钢具有较高的回火稳定性，同时由于回火时可以出现二次淬火和二次硬化现象，使零件回火时可以出现二次淬火和二次硬化现象，使零件回火后仍具有较高的硬度和强度，使钢具有红硬性和火后仍具有较高的硬度和强度，使钢具有红硬性和热强性，这对高温下工作的零件是非常重要的。热强性，这对高温下工作的零件是非常重要的。52钢在回火时机械性能的变化，与其显微组织的变钢在回火时机械性能的变化，与其显微组织的变化有着密切的关系。化有着密切的关系。10.3 10.3 淬火钢回火后机械性能的变化淬火钢回火后机械性能的变化不同碳含量的钢随不同碳含量的钢随回火温度的升高，回火温度的升高，钢 的 硬 度 逐 渐 降
49、钢 的 硬 度 逐 渐 降低。低。钢的硬度钢的硬度53马氏体的硬度主要来自马氏体的硬度主要来自过饱和过饱和C的固溶强化。的固溶强化。在回火的时效阶段即在回火的时效阶段即100 时，回火组织的硬度时，回火组织的硬度略有增加，低温回火峰略有增加，低温回火峰值的出现与值的出现与-碳化物的碳化物的共格析出有关。共格析出有关。除时效阶段外，回火的整个过程都伴随着马氏体碳除时效阶段外，回火的整个过程都伴随着马氏体碳含量降低，而过渡碳化物析出产生的硬化效果小于含量降低，而过渡碳化物析出产生的硬化效果小于固溶强化作用的减弱，因此钢的硬度下降。固溶强化作用的减弱，因此钢的硬度下降。54当渗碳体已析出、基体碳含量
50、已降低到平衡浓度当渗碳体已析出、基体碳含量已降低到平衡浓度后，起强化作用的机理基本上是渗碳体的弥散强后，起强化作用的机理基本上是渗碳体的弥散强化。因此，随着渗碳体的粗化和球化、以及铁素化。因此，随着渗碳体的粗化和球化、以及铁素体的回火和等轴化，钢的硬度将进一步降低。体的回火和等轴化，钢的硬度将进一步降低。55虽然，钢中虽然，钢中M M将因碳化将因碳化物的析出而使硬度逐物的析出而使硬度逐渐降低，但又因残余渐降低，但又因残余A A转变为回火转变为回火M M或贝氏体或贝氏体而使硬度升高。而使硬度升高。硬度的变化还与钢中残硬度的变化还与钢中残余余A A含量密切相关。含量密切相关。这两种相互矛盾因素的作
