钢的淬火和回火

1、第七章 钢的淬火和回火 （2） 7.4 7.4 贝氏体相变与等温淬火 7.5 7.5 钢的回火 7.4 Bainitic transformation and Isothermal quenching 7.4.1 Bainitic transformation 共析碳钢: A在约550至从Ms点的温度范围内, 中温转变。 上贝氏体: 550350 , 羽毛状 下贝氏体: 350240, 针状 OM不能分辨F+CM，只 有在SEM/TEM下才能分 辨。 板条F 片状F P M Upper B Lower B B Micrograph by Hultgren showing what may to

2、day be called sheaves of bainite but he called secondary ferrite. Fe-0.61C-6.4W at 525OC for 15 min. 500X Ko and Cottrell: B is closely related to M in the strong relief effect. However grows much slowly compared with M. This indicates a characteristic of diffusion- controlling. Oblak and Hhemann: C

3、arbon replica 1. Structural characteristics of B Upper B: 平行的板条状铁素体+不连续的条 状渗碳体; 板条状铁素体内还包含着若干 更细小的平行排列的亚板条F. 可能有残留 A Upper B in Fe5Ni0.5C 上贝氏体的OM照片， 540X 上贝氏体覆膜EM照片 30CrMnSi钢，8000X Upper B in Fe-0.29C-0.76Mn-0.25Si at 500OC for 9s. 400X. By Aaronson and Wells. Upper B in Fe-0.18C at 450OC for 1s. 50

4、00X. Lower B: 片状铁素体+碳化物; 片状铁素体内也包含着若干更细小的 亚片.碳化物分布于F内，且与F的轴向呈55 60O夹角。F内无孪晶 但有高密度位错；碳化物可为CM或FexC-取决与钢的成分。 下贝氏体的OM照片，540X 下贝氏体覆膜EM照片 4360钢，10000X Lower B with lamellar carbide particles in Fe-1.1C at 190OC for 5 hr. 20000X Lower B with lamellar carbide particles in Fe-0.48C-1.98Mn- 0.28Si at 325OC fo

5、r 80s. 12000X Lower B in Fe-0.2C at 450OC for 40s. 15000X Other types of B 1) 1) 无碳化物贝氏体 平行的铁素体板条间无碳化物、 有其它组织（残余A的冷却产物） 合金钢的Si、Al阻碍碳化物形成， 出现该组织； 低碳钢在上B转变区。 2) 2) 粒状贝氏体 粗大的块状铁素体+孤立的“小 岛”。 小岛：富碳奥氏体产物（可能转 变为M，也可能分解或残留） 低碳、中碳合金钢的常见组织， 在正火、热轧空冷、焊接热影响区的 随后空冷时形成。 B without carbide in Fe5Ni2Si0.5C. Carbide

6、free bainite and C-rich A in Mn-Si-Cr low-carbon steel. B “lath” and A in the boundary. Bright-field Dark-field 2 2贝氏体转变的基本概念 组织形态：组织形态：上B近似于珠光体，但CM不连续 下B近似于片状马氏体，但F内有碳化物 转变温度：转变温度：介于珠光体和马氏体之间（中间型相变） （1 1）转变机制和晶体学 B形成伴随碳原子扩散的共格切变； 铁素体通过奥氏体的共格切变实现点阵改组M转变； 合金元素基本不扩散，碳化物靠碳原子扩散而形成； F轻度过饱和。 B转变驱动 力较大，阻 力

7、小，转变 T高，临界 切变应力小 上贝氏体的形成过程: 铁素体在A晶界含C量低的地方形成，以共格切变方式长大 ， 惯习面随温度变化。 上贝氏体中的铁素体与母相奥氏体符合西山关系。 111/ 110 ， 211/ 110 铁素体轻度过饱和的 固溶体 轻微表面浮凸 上B的形成过程 Carbide 下贝氏体的形成过程: F形核：A晶界、F边界 惯习面为225 F/A位向关系（K-S关系）111 / 110， 110 /111 CM/F: (001)CM/(211)a , 100CM/011a , 010CM/111a 铁素体中碳含量上贝氏 体中的铁素体中的; 过饱和的F固溶体； 碳化物：非CM（T低

8、） 表面浮凸 下B形成过程 Carbide 贝氏体台阶长大机制贝氏体台阶长大机制 TEM: Lath and flake composed with sub-lathes or flakes 与奥氏体非共格的亚板条或亚片的台阶端面通过由扩散控制的 连续运动逐渐向奥氏体中作纵向推进；与此同时，在亚板条或亚片的 侧面则有新的亚板条或亚片的形核，使铁素体既横向增厚，又纵向长 大，整个铁素体就以这种台阶方式向奥氏体中长大 。与珠光体的形成 相比? 4340+Si钢中观察到了这种台阶。 B转变类似于M转变， 但长大速度受碳原子 扩散与碳化物脱溶控 制，因此转变慢于M Sub lath or flake

9、of F A Details of B transformation can be found: A. Borgenstam, M. Hillert, J. gren, Acta Mater. 57(2009), 3242-52. (2) (2) 动力学动力学: TTT and CCT (Exception: C%0.77%) : TTT and CCT (Exception: C%0.77%) 贝氏体转变开始温度Bs , 完全转变成贝氏体的上限温度Bf 亚共析钢既可恒温也可连续冷却中形成，共析与过共析钢 连 续冷时一般无B。 与M转变比较: 过冷；孕育期；易不完全(Bf的高低!) 等温温度

10、Fe5Ni2Si steel partially transformed into B at 400OC then quenched. The light gray matrix is martensite. Retained A (narrow white layer) can be seen between B laths (dark gray laths ). Fe-0.95C-1.93Mn at 250OC for 4hr. Lower B with films of retained A between sub-units. 碳钢中含碳量对上/下B转变的影响 上、下贝氏体的形成温度：

11、 含碳量 合金元素：有无碳化物形成C分开？A过冷区，P转变 其它工艺：A化工艺；冷速；塑性变形；外场等 上、下B的分界温度 指能观察到下B的最 高温度。 制订热处理工艺时参 考TTT图(C曲线) 3. 3. 贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能 上贝氏体的强度和韧性较 差: 铁素体板条较宽 ，宽于P 的片层间距；板条之间分布着 不连续的条状渗碳体，在应力 作用下易沿板条脆断。塑性、 强度变差。 下贝氏体的强度和韧性较 好: 铁素体片细薄，有高密度 位错，碳化物弥散于片内。转 变温度越低，F越薄，碳化物越 弥散。 30CrMnSi钢等温淬火与 淬火回火后的性能比 较。x等温淬火；o 淬火-回火。 低

12、碳合金钢：下B的韧性低于回火M。 M中有下B时，性能与下B弥散度有关 7.4.2 7.4.2 钢的等温淬火钢的等温淬火 ( (下下B B淬火淬火) ) 下下B B的强度、硬度较高，韧性、塑性较好的强度、硬度较高，韧性、塑性较好 1 1等温淬火的优点等温淬火的优点 减少淬火应力 (热应力小、组织应力小), 减少开裂倾向，可取消回 火。若M回火位于第一类回火脆性的温度区间时，改用等温淬火。 2. 2. 等温淬火工艺等温淬火工艺 加热温度：加热T一般参照普通淬火，可适当提高。提高加热温度 （3080 ）保证转变成下贝氏体。 等温温度和时间：由C曲线确定。B转变先快后慢！ 一个“鼻子”的C曲线，通过实

13、验(用金相法)确定其下贝氏体的 形成温度范围(上限温度)。 两个“鼻子”的C曲线(双C曲线)，取第二个“鼻温”作为上、 下贝氏体的分界温度。 介质：熔盐或熔碱 3等温淬火的应用范围 尺寸较小，形状复杂，且要求具有较高硬度和韧性的工具、模具。 要求尽量减少热处理变形的小型弹簧。 要求比较精密(热处理变形小或无变形)的小型结构零件(如轴承、 精密齿轮等) 。 若需淬火-高温回火处理，但易于淬火变形、开裂的大型零件， 如用35CrNiMo、40CrMnTi、30CrMn71制成的汽轮机、水压机、 发电机主轴等，可用等温淬火后回火。 有显著低温回火脆性的钢采用下B淬火更好！ 球墨铸铁 Example:

14、 Isothermal quenching to a lowly alloyed-steel Fe-5Ni-0.5C Time Schematic diagram of the experimental procedure for determining the lengthening kinetics of laths (1) Reheating (3) Bainite growth (4) Interruption by He quenching 1100OCx15min 600OCx20min (2) Formation of grain boundary ferrite 10OC/S

15、Temperature 7.5 钢的回火(Tempering of steel) 将淬火钢加热至将淬火钢加热至Ac1以下的温度，保温，然后冷却。以下的温度，保温，然后冷却。 应用：淬火钢广泛用，机械零件及工具、模具、量具应用：淬火钢广泛用，机械零件及工具、模具、量具 目的：目的： (1) 消除或减少淬火钢件的残余内应力、微裂纹（片状M） (2) 调整性能：淬火后高强、硬，塑、韧性低 (3) 稳定组织和尺寸：分解M和残A，稳定组织、性能、尺寸 (4) 某些高淬透性合金钢或莱氏体钢用淬火+高温回火代替长 时间退火，软化，利于切削加工 7.5.1 Evolution of microstructur

16、e during tempering 1) 1) 碳偏聚碳偏聚 ( (自回火自回火) )： T低（RT100OC) 板条马氏体中, 碳原子与位错结 合或碳原子沿100M面富集。 片状马氏体中，碳原子偏聚于孪 晶面112M。 淬火过程中也可能出现自回火： 出现与Ms高的钢中（如低碳钢） 1. 1. 马氏体分解及碳化物的析出和长大马氏体分解及碳化物的析出和长大 M过饱和，加热保温可能会分解，产物随温度/时间而变化 M正方度c/a 回火时间/h 0.96C钢回火时M正方度随回火温度 与时间的变化 0.5C-24Ni中M在205OC回火0.5小时形成的 碳化物 2) 2) 形成过渡碳化物形成过渡碳化物

17、 C%0.2%, 板条M中析出 碳化物（100250 ），=Fe23C, 密 排六方结构。100nm条状薄片（针状）， 惯习面100M 位向关系： (0001)/(100)M , 1011/101M 有研究认为只形成于板条M中 C%0.2%, 片M中先析出 =Fe2C （100200 ） 斜方点阵（与CM类似）， Fe密排层间距与类似，与M 匹配良好，难区分， 亚稳相 高C钢，MHgg碳化物 (200300)，单斜 3 3）形成渗碳体（）形成渗碳体（FeFe3 3C)C) 250350，碳化物的Gibbs能及 与M的界面能进一步降低：M的点阵 常数随C浓度降低而易与CM匹配； 碳化物转化。高碳

18、钢中可能Hgg 优先形成。最初为细板条。 与母相的位向关系：(001)CM /(211) 100CM /011 0100CM /111 CM的形成方式两种：直接析出/通过过渡相转化（阶次规则） 片状M中随CM形成，孪晶亚结构消失 4) 4) 渗碳体的球化和粗化渗碳体的球化和粗化 400600 细板条状的渗碳体聚集成球状。 600700，球状渗碳体迅速粗化(Ostwald ripening) 碳钢，T300 ，M分解基本结束，变化不大；只有碳化物变化 2.2. 残余奥氏体的分解（残余奥氏体的分解（only for C0.2%only for C0.2%，中、高），中、高） 分解温度： 20030

19、0 产物：轻度过饱和的F和（可能CM），与下B类似，称回火M 3. 3. 固溶体基体的回复、再结晶和晶粒长大固溶体基体的回复、再结晶和晶粒长大 温度： 400700， 切变M 板条M 400OC以下保持原M形态； 400OC以上，逐渐出现多边化 亚结构亚晶粒，固溶体仍保持细板条（针）。进一步提高温 度，再结晶，等轴新晶粒；T升高，新晶粒长大。 片状M 孪晶亚结构逐渐消失（T250 ），并出现位错胞和位 错线； T400 OC，孪晶亚结构全部消失，可能有回复、再结晶及 粗化。由于片状M回火时大量第二相析出，会延缓再结晶，只有 650OC 以上才有等轴新晶粒，700OC以上，急剧粗化。 另外：中、

20、高碳钢晶界碳化物可完全抑制再结晶！合金钢中元素？ 回火钢组织：粗大F+晶内或晶界粒状CM 钢回火的基本过程钢回火的基本过程 回火温度/OC主 要 转 变备 注 25100 100250 200300 250350(400) 400600 450(500)600 600700 碳偏聚：板条M中碳原子偏聚 于位错附近；片状M中则偏聚 于孪晶面。 析出或-回火第一阶段 残余A分解-回火第二阶段 M内和界面上形成细小板条状 CM-回火第三阶段。片状M的 固溶体内孪晶消失，出现位错 胞和位错线。 固溶体回复，通过多边化形成 亚晶，但固溶体仍保持板条状 或片状；CM聚集球化 合金碳化物形成-回火第四阶段，

21、 有二次硬化 固溶体再结晶和晶粒长大，形 成等轴晶，球状CM粗化 C600 )(600 ) 组织：粗大的粒状渗碳体和铁素体基体组成 性能：钢的强度、硬度很低 适用对象：淬透性高的合金钢，降低硬度利于切削。 中间热处理，但不宜用作最终热处理。 共析钢淬火后600OCx8h， 球状组织，OM 0.75%C钢淬火后675OCx1h，球 状组织，15000 x 合金钢高温回火的沉淀合金钢高温回火的沉淀合金碳化物和残余合金碳化物和残余A A Cementite precipitates from the carbite -free B and remained A in Mn-Si-Ti low-car

22、bon steel tempered at 420. For the 13Cr-6Ni super Martensitic steel, there is about 30% A remained even tempered at 600OC. 12Cr steel quenched from different T followed by Tempering at 750OC: (a) 1100OC, (b)1300OC, (c) Autotempered M+ (Fe4Cr)3C+MN, (d) M+M23C6+ Ti-rich MN+V-rich MC. Carbon replica 合

23、金钢淬火回火 Typical microstructure of the tempered M in Fe-0.15C-11.513.5Cr-1Mn-1Si (S41000) , consisting of F and carbide. Tempering prompts formation of Cr- rich carbide and/or alloy carbide. C1=M23C6 C2=M7C3. Generally the M in the formula mainly stands for Cr (sometimes other metallic elements) in Fe

24、-Cr-C steel. 7.5.2 7.5.2 碳钢回火后的力学性能碳钢回火后的力学性能 碳与合金元素含量温度原始组织，淬火脆性 回火T与硬度（时间1小时） 析出强化与固溶量降低导致的软化竞争，残A分解为下B，共格性，回复 再结晶等因素。 回火前原始组织的影响 低于形成温度时，影响小；高于形 成温度影响大。 超级M不锈钢硬度随回火时间/温度的变化 3 10)lg20( tTP 最高硬度 HV10 超级M不锈钢： Ni降低Ac1，而Mo可 抵消这种作用。一般 说来，低合金类超级 M不锈钢实际Ac1在 650OC左右，而高合 金类的在630OC左右。 回火温度的选择？ 回火温度：调质处理 40钢

25、力学性能与回火温度的关系 高碳钢有淬火应力，微 裂纹，脆性大；回火产 物可填充部分微裂纹， 松弛部分淬火应力。 碳钢500600OC获得回 火S，塑韧性好，强度 适中，综合力学性能良 好！ 回火S与S比较：回火S 中CM为粒状、弥散， 而普通S中CM为片状， 易导致应力集中。因此 回火S的综合力学性能 好于S。 共析碳钢片状组织与粒状组织的力学性能比较 -粒状CM，片状CM 硬度（HRC） 0.32C-1.36V钢回火的二次硬化 7.5.3合金元素对回火的影响 作用：回火抗力、二次硬化、回火脆性 1. 合金元素阻碍马氏体分解及碳化 物长大（3 种）： Ni、Mn无大 影响；Si、Co溶入碳化物

26、，延迟 M分解、延迟过渡碳化物向CM 转变；强碳化物形成元素，阻碍 M分解，降低碳化物形成速度。 合金钢中碳化物细小、弥散！ 2. 合金元素延缓残余奥氏体分解并 可能引起二次淬火硬化：奥氏体 稳定化二次硬化：合金碳化物? 与基体共格 3. 合金元素阻碍F基体的回复、再 结晶和晶粒长大。多边化、再结 晶及长大 T较低时，强碳化物形成元素 扩散慢，难有大量合金碳化物 形成；多边化与过饱和C 二次淬火：Ms随成分变；加工硬化 降低；气团消失等 二次硬化：合金碳化物！细小孔洞不 易形成。高强、高韧！ 7.5.4 回火脆性 回火温度升高时，钢的韧性 并非连续提高，而是在某些 温度范围回火后，韧性反而 下

27、降的现象，称为回火脆性。 在许多钢（主要是结构钢） 中均存在。 两类：低T和高T 回火温度对钢冲击韧性的影响 第一类 第二类 1. 低温回火脆性(250400)，不可逆 几乎所有工业用钢都出现这类脆性，与回火后的冷速无关。 可能原因： 与马氏体分解时渗碳体的初期形核有关，且是某种临界尺寸 的薄膜状碳化物形成于马氏体晶界和亚晶界；韧性残余奥氏体消失 （A分解产物时碳化物沿晶界、亚晶界或其它界面）。也可能是低 熔点微量元素在晶界、亚晶界或其它界面偏聚。 避免：不在该温度区间回火，或改用等温淬火。 低温回火脆性一旦出现就难消除！ 2. 高温回火脆性(450650 )，可逆 对象：合金钢，特别是含Cr

28、、Ni、Mn等元素 现象：两个温度区间回火 在450600足够时间的回火（与回火时的冷却速度无关） 在600650的温度回火，随后在600450范围慢冷（若 快冷，则基本上不产生脆性） ；但重新加热至600-650以 上后快冷，消失。 原因：微裂纹表面和原奥氏体晶界有害杂质偏聚。碳钢中基本没 有高温回火脆性，而含Cr、Ni、Mn等合金元素时，杂质与 合金元素均偏聚。-合金元素与杂质元素相互作用。 防止：形变热处理，细化晶粒，添加Mo、W、Ti等，回火后快冷 Mo、W减轻回火脆性的作用机理有两个：减轻回火脆性的作用机理有两个： 其一，溶入基体，形成Mo-Fe-P等的Cluster， 阻碍低熔点元

29、素向晶界的偏聚； 其二，偏聚于晶界，增大晶界结合力。 合金钢中的脆性：合金钢中的脆性：铁素体不锈钢有三种脆化现象 （1）低温脆性：Fe-Cr合金在425550OC脆性，富Cr铁素体和富Fe铁素体 生成，其中共格析出物导致钢脆化；脆化速度与富Cr铁素体中的Cr 含量有关部门，高Cr量导致快脆化。且Mo、Ti、Nb加速脆化。冷加工促使富 Cr铁素体形成因而加速脆化。短时间加热到较高温550600OC有助消除脆 性。 （2）相和相脆化：高Cr(2070%)的Fe-Cr钢加热到550600OC停留导致相 形成。Cr量越高， 相越容易形成。低于20%Cr时， 相形成需要很长时间 （几百小时），高Cr时几

30、小时即可形成。冷加工促进相形成。合金元素Mo、 Ni、Si、Mn使相形成区间向较高温度、较低Cr含量、较短时间转移。另外， 高Cr、高Mo合金也可生成相导致脆性。 （3）高温脆性：在高于0.7Tm的温度停留而发生。一般在形变热处理或焊接 过程发生。富铬碳化物和氮化物的析出。一般地，低C+N量应快冷；高C+N量 的高Cr钢，快冷增加脆性。添加Mo、Ti、Al、Nb使稳定的Ti、Nb碳化物和富 Al的氮化物和氧化物生成，降低脆性。 2.25Cr1Mo steel tempered at 270OC with small-punch testing at -56, -160 and -190OC.

31、From ductile to brittle 2.25Cr1Mo steel tempered at 400OC with small-punch testing at -56, -145 and -190OC. From ductile to brittle. To compare the 2 cases of tempering, difference is clear for the ruptures. 7.5.5 回火工艺 1低温回火(150250 )，？回火M（5864HRC ） 目的：降低钢中残余应力和脆性，同时保持高的硬度和耐磨性。 应用：各种高碳钢工具、滚动轴承和渗碳零件等

32、。水、空冷 2中温回火(350500)，回火T（3545HRC） 目的：一定韧性、较高弹性极限和屈服强度。 应用：各种弹簧、锻模、刀杆和轴套。回火后空冷 3高温回火(500650)，回火S组织(14-38HRC)，调质 目的：获得强度、硬度和塑性、韧性良好配合的综合力学性能。 应用：结构零件（特别是交变负荷下工作），如发动机连杆、连螺 栓、齿轮及轴类等。空冷 此外，特别处理：合金钢650OC以上，软化（球化组织）。量具、精密轴承、 冷轧辊等仅在100150OC长时回火稳定化处理/时效处理。 Microstructure of S43000 after quenched from 1100OC

33、to RT. M is distributed along the F boundaries and a certain amount of nitride and carbide precipitate in F. Cooling rate? S43000: Fe-1Mn-1Si-1618Cr-0.75Ni-0.12C. 铁素体不锈钢 P M Upper B Lower B B Other types of B 1) 1) 无碳化物贝氏体 平行的铁素体板条间无碳化物、 有其它组织（残余A的冷却产物） 合金钢的Si、Al阻碍碳化物形成， 出现该组织； 低碳钢在上B转变区。 2) 2) 粒状贝氏

34、体 粗大的块状铁素体+孤立的“小 岛”。 小岛：富碳奥氏体产物（可能转 变为M，也可能分解或残留） 低碳、中碳合金钢的常见组织， 在正火、热轧空冷、焊接热影响区的 随后空冷时形成。 B without carbide in Fe5Ni2Si0.5C. Fe5Ni2Si steel partially transformed into B at 400OC then quenched. The light gray matrix is martensite. Retained A (narrow white layer) can be seen between B laths (dark gray laths ). 12Cr steel quenched from different T followed by Tempering at 750OC: (a) 1100OC, (b)1300OC, (c) Autotempered M+ (Fe4Cr)3C+MN, (d) M+M23C6+ Ti-rich MN+V-rich MC. Carbon replica 合金钢淬火回火 超级M不锈钢