第8章 钢的回火转变及回火

1、第八章 钢的回火转变及回火 回火回火：将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温， 然后以一定的冷却方法冷至室温的工艺过程。 目的目的：去除去除残余应力残余应力；调整性能；稳定尺寸；调整性能；稳定尺寸 组织转变组织转变 回火前的原始组织回火前的原始组织？ 转变过程：温度转变过程：温度 C C偏聚偏聚M M分解分解过渡过渡碳化物析出；碳化物析出； A AR R分解分解碳化物类型转变碳化物类型转变碳化物聚集、基体再结晶碳化物聚集、基体再结晶 驱动力驱动力 原始组织原始组织是是非平衡相非平衡相 M M中碳过饱和中碳过饱和 M M具有高的界面和应变能具有高的界面和应变能 1 1 回火时的组织变化 一、碳

2、原子的重新分布（一、碳原子的重新分布（M M分解）分解） 实验：实验： 选选Ms Ms 1c/a 1 三、残余A分解 与与M M分解同时进行分解同时进行 C% 0.4%C% 0.4%明显明显 分解发生在相界或分解发生在相界或A A晶体内部晶体内部 高碳钢分解高碳钢分解产物产物为为相相+ +（稳定碳化物）稳定碳化物） 碳化物颗粒状，与残余碳化物颗粒状，与残余A A有取向关系有取向关系 低低M M板条之间板条之间的的 残余残余A A 分解分解形成的碳化形成的碳化 物物连续连续导致回火脆性导致回火脆性 四、碳化物类型的转变 与与A A分解同时进行分解同时进行 低低C C位错位错M M：偏聚在位错附近

3、的：偏聚在位错附近的C C原子，可原子，可 直接析出直接析出-K-K（Fe3C)Fe3C)。位置：析出在位。位置：析出在位 错线附近或错线附近或M M条间界上，呈细小片状条间界上，呈细小片状 高高C C孪晶孪晶M M：最先析出：最先析出-K-K，当回火温度，当回火温度 高于高于250 250 析出析出-K-K和和-K-K。位置：。位置：M M孪孪 晶面晶面112112M M上。上。 低、中碳钢在板条内形核，与低、中碳钢在板条内形核，与M M有惯习面和有惯习面和 取向关系，因小角度相界的消失取向关系，因小角度相界的消失板条粗化板条粗化 基体基体M M中中C%C%平衡，平衡， c/a c/a =

4、=1 1。 但仍保持淬火但仍保持淬火 时形态时形态 内应力基本消除。内应力基本消除。 高碳高碳M M 亚稳定碳化物亚稳定碳化物先形成先形成 随后被稳随后被稳 定定碳化物碳化物取代取代 n碳化物晶格结构碳化物晶格结构 n密排六方点阵密排六方点阵 n成分：成分：Fe2CFe3C n碳化物碳化物 n复杂斜方点阵复杂斜方点阵 n成分：成分：Fe5C2 n碳化物碳化物 n复杂斜方点阵复杂斜方点阵 n成分：成分：Fe3C 碳化物转变方式 原位原位转变转变：成分、结构改变：成分、结构改变 独立独立 转变转变 ：亚稳定碳化物溶解，稳：亚稳定碳化物溶解，稳 定碳化物在其它部位形核、长大定碳化物在其它部位形核、长

5、大 五、碳化物聚集、等轴F形成 碳化物由棒、片碳化物由棒、片球球 粗化粗化（大吞小大吞小） 系统能量下降系统能量下降 渗碳体渗碳体因密度小于因密度小于F F 较小的碳化物溶入较小的碳化物溶入 基体基体 产生空位产生空位促进促进渗碳体渗碳体长大长大 大角度相界合并大角度相界合并晶粒长大晶粒长大等轴等轴F F M M形貌消失形貌消失 残余应力消除残余应力消除 c/a c/a = =1 1 综上所述：综上所述：总体变化总体变化 2 回火后的性能变化 一、一、硬度硬度 在在100100时略高（亚稳定碳化物共格作用时略高（亚稳定碳化物共格作用 M M中析出中析出C C的弱化作用）的弱化作用） 温度温度

6、100 100后后硬度硬度，因为：，因为： M M中中C C析出析出固溶强化效果固溶强化效果 残余残余A A分解分解 碳化物析出碳化物析出基体基体C C平衡平衡 碳化物粗化碳化物粗化 F F等轴化（再结晶）等轴化（再结晶） 二、强度、塑性 随温度升高随温度升高强度降低、塑性升高强度降低、塑性升高 碳钢均在碳钢均在300400300400时弹性时弹性最最好好 三、韧性 除回火脆性外，温度升高除回火脆性外，温度升高韧性升高韧性升高 高碳钢回火韧性提高显著高碳钢回火韧性提高显著 亚亚稳定稳定碳化物析出碳化物析出 内应力内应力降低降低 M M收缩收缩 显微裂纹显微裂纹减少减少 碳化物碳化物 聚集聚集焊

7、合显微裂纹焊合显微裂纹 小结 硬硬 度度 ： 200200以下，以下，HRCHRC不变。不变。 300300，HRCHRC降低。降低。 弹性极限：弹性极限： 在在300-400 300-400 最高。最高。 塑塑 性：性： 在在600-650 600-650 最高。最高。 3 合金元素对回火的影响 过程与碳钢回火相同，推迟进程过程与碳钢回火相同，推迟进程 特点特点 提高回火抗力提高回火抗力 某些钢产生某些钢产生二次硬化二次硬化现象现象 影响回火脆性影响回火脆性 一、提高回火抗力 1 1、时效、时效、低温回火低温回火 影响影响小小 2 2、 316316 中温回火中温回火 合金合金元素元素降低碳

8、的扩散系数降低碳的扩散系数 NiNi、SiSi等非碳化物形成元素向等非碳化物形成元素向M M中扩散中扩散 CrCr、V V等等碳化物形成元素碳化物形成元素向碳化物中扩向碳化物中扩 散散 以上因素此时不是过程转变的控制因以上因素此时不是过程转变的控制因 素，故影响弱素，故影响弱 3 3、SiSi中温回火时中温回火时 阻碍碳化物类阻碍碳化物类 型转变型转变 显著提高回火抗力显著提高回火抗力 4 4、除、除NiNi、P P外，其它合金元素外，其它合金元素随随回回 火温度升高，阻碍碳化物粗化、火温度升高，阻碍碳化物粗化、F F 再结晶再结晶提高回火抗力提高回火抗力 5 5、如如残余残余A A在回火在回

9、火保温保温时未分解时未分解P P或或 B B，则则回火冷却时回火冷却时二次淬火二次淬火硬硬 度提高、脆性增加度提高、脆性增加进行再次回火进行再次回火 二、引起二次硬化 1 1、产生条件、产生条件 500650500650 含含有有强碳化物强碳化物形成元素（形成元素（TiTi、CrCr、 V V、）的钢的钢 强碳化物强碳化物形成元素超过一定形成元素超过一定% % 2 2、 实质实质 MoMo2 2C WC W2 2C VC TiC C VC TiC CrCr7 7C C3 3 共格碳化物共格碳化物的的 弥散强化弥散强化 作用作用 超温超温过时效过时效硬度降低（碳化物类型硬度降低（碳化物类型 转变

10、）转变） 3 3、合金碳化物取代渗碳体方式 原位转变原位转变 相界面形核相界面形核 二次硬化效果差（碳化物较粗）二次硬化效果差（碳化物较粗） 独立转变独立转变 位错处形核位错处形核长大长大碳化物细小碳化物细小效果效果 好好 多组元多组元效果佳效果佳 转转型序列型序列 FeFe3 3C C VC VC FeFe3 3C C W W2 2C C W W6 6C C 4 4、工程意义 工具钢工具钢提高红硬性提高红硬性 耐热钢耐热钢高温强度好高温强度好 结构钢结构钢提高材料强度、韧性提高材料强度、韧性轻量轻量 化设计化设计 5、提高二次硬化效果的途径 形变形变+ +淬火淬火 位错密度提高位错密度提高碳

11、化物弥散析出碳化物弥散析出 加合金元素（加合金元素（CoCo、AlAl、SiSi、NbNb） 抑制特殊碳化物生长抑制特殊碳化物生长 4 钢的回火脆性 一、一、 （ 第一类第一类 、低温、不可逆）低温、不可逆） 回火回火 马氏体马氏体 脆脆 1 1、特征、特征 韧性降低；冷脆转化温度升高；沿晶断裂韧性降低；冷脆转化温度升高；沿晶断裂 250400250400产生，与冷却速度无关产生，与冷却速度无关 几乎所有钢都存在几乎所有钢都存在 不能消除，只能减轻不能消除，只能减轻 已产生此脆性工件在高温区回火已产生此脆性工件在高温区回火消除消除 （再次在此温区回火不产生脆性（再次在此温区回火不产生脆性 不可

12、逆）不可逆） 2、产生原因（不定论） 残余残余A A分解分解 脆化温区与残余脆化温区与残余A A分解温区相同，加合金元分解温区相同，加合金元 素素脆化温区脆化温区会会升高升高 低、中碳钢板条之间渗碳体薄膜生长所致低、中碳钢板条之间渗碳体薄膜生长所致 A A晶界杂质偏聚晶界杂质偏聚 俄歇实验高纯度材料俄歇实验高纯度材料回火脆性倾向降低回火脆性倾向降低 S S、P P 杂质偏聚杂质偏聚 弱化晶界弱化晶界 残余残余A A分解分解+ +A A晶界晶界 SbSb、SnSn、P P、S S、As As 杂质杂质 偏聚偏聚 3、措施 降低杂质降低杂质 细化晶粒降低杂质细化晶粒降低杂质% % （脱氧剂；细化（

13、脱氧剂；细化 元素）元素） 加加Mo Mo 降低降低 晶界磷晶界磷% % 降低降低MnMn 加合金加合金改变脆化温度改变脆化温度 等温淬火代替淬火等温淬火代替淬火+ +回火工艺回火工艺 二、 （ 第二类、可逆） 回火脆 1 1、特征、特征 较高的回火温区出现，时间较高的回火温区出现，时间明显明显 沿晶、合金偏聚；其他特点同前沿晶、合金偏聚；其他特点同前 对冷却速度敏感，快冷不出现对冷却速度敏感，快冷不出现 某些合金钢出现某些合金钢出现 脆性可逆，脆性可逆，只要在此温区只要在此温区（或大于（或大于此温此温 区区）回火缓冷即出现）回火缓冷即出现 已经脆化工件已经脆化工件不满足温度、材料、冷不满足温

14、度、材料、冷 速三个条件速三个条件脱脆脱脆 2、影响因素 成分成分 致脆元素：致脆元素：MnMn、CrCr、NiNi、SiSi与杂质共存时出现与杂质共存时出现 多种元素共同作用多种元素共同作用明显明显： 促进元素：促进元素：P P、SnSn、SbSb、AsAs、B B、S S 去脆元素：去脆元素：W W、MoMo、V V、TiTi； Mo% Mo%约约0.5%0.5%最佳最佳 碳钢碳钢不出现不出现 热处理热处理 时间；冷却速度时间；冷却速度；脆化温区回火；脆化温区回火 组织：组织： MBPMBP 晶粒大晶粒大明显明显 3、机理 平衡偏聚理论平衡偏聚理论 杂质晶界偏聚杂质晶界偏聚晶界畸变能晶界畸

15、变能 二重偏聚：二重偏聚：A A化时化时合金晶界偏聚合金晶界偏聚回火回火 杂质被吸引杂质被吸引 偏聚偏聚 晶界晶界 合金合金元素元素回火回火晶界偏聚晶界偏聚 v合金与杂质亲和力大合金与杂质亲和力大晶内也析出碳化物晶内也析出碳化物抑制脆性抑制脆性 v合金与杂质亲和力中等合金与杂质亲和力中等晶界杂质偏聚晶界杂质偏聚脆性脆性 v合金与杂质亲和力小合金与杂质亲和力小杂质晶界不偏聚杂质晶界不偏聚抑制脆性抑制脆性 非平衡偏聚理论：非平衡偏聚理论： 杂质杂质 在在渗碳体渗碳体中中溶解度小溶解度小 渗碳体渗碳体 形成时排除杂质形成时排除杂质 相相界、界、晶界杂质晶界杂质% %升高升高 超过脆化温度超过脆化温度

16、杂质向杂质向F F中扩散中扩散； 渗碳体渗碳体溶解溶解脆性会脆性会 消失消失 4、预防 大型工件加大型工件加MoMo、W W 降低杂质降低杂质% % 细化晶粒细化晶粒 形状形状简单简单的的小工件回火后快冷小工件回火后快冷 亚温淬火亚温淬火 磷溶入磷溶入F F中中晶界处磷晶界处磷% %降低降低 5钢的回火工艺 一、加热温度制定原则一、加热温度制定原则 成分（碳含量、合金含量）成分（碳含量、合金含量） 淬火后的硬度淬火后的硬度 技术要求技术要求 经验公式（经验公式（Wc%=0.350.65%Wc%=0.350.65%） 1 1）回火）回火=300+=300+（57-HRC757-HRC710-10

17、.8- Wc% )10-10.8- Wc% )150150 2 2）回火）回火=T1+=T1+（淬火（淬火HRC- HRC- 技术要求技术要求HRC)HRC)1010 T1 T1：碳钢：碳钢=200=200；合金钢；合金钢=220=220 回火种类 1 1、低温回火、低温回火 目的目的：降低应力；提高韧性：降低应力；提高韧性 组织组织：回火马氏体回火马氏体（/+ /+ ），），保留淬保留淬 火形态火形态 性能性能： 硬度与淬火时相当硬度与淬火时相当 高碳钢高碳钢耐磨性好耐磨性好 韧性提高，内应力降低韧性提高，内应力降低 应 用 轴承轴承钢钢制作耐磨制作耐磨 工件工件 工、模具钢工、模具钢 渗碳

18、、渗碳、C C、N N共渗工共渗工 件件 铣刀铣刀 双头钻双头钻 量具钢（冷处理量具钢（冷处理 回火回火 研磨研磨 时效）时效） 低碳钢低碳钢制作高制作高 强度工件强度工件 2、中温回火 目的目的 提高弹性极限；获得高的强韧性配合提高弹性极限；获得高的强韧性配合 组织组织 回火屈氏体回火屈氏体（F+F+细小碳化物），细小碳化物）， 保留淬火保留淬火M M形貌形貌 性性能：弹性极限最高；强韧性配合好能：弹性极限最高；强韧性配合好 应用应用：弹性工件；热模具：弹性工件；热模具 3、高温回火（调质处理） 目的目的 获得好的综合力学性能获得好的综合力学性能 产生二次硬化效果产生二次硬化效果 组织组织

19、回火索氏体回火索氏体 （F+F+颗粒碳化物），颗粒碳化物），M M形貌消失形貌消失 性能性能 综合性能优于综合性能优于S S 某些合金钢具有高的红硬性某些合金钢具有高的红硬性 应 用 高速钢产生红硬性高速钢产生红硬性 高合金钢的软化预备热处理高合金钢的软化预备热处理 渗渗N N、表面感应加热的预备热处理表面感应加热的预备热处理 重要结构工件的最终热处理重要结构工件的最终热处理 二、回火时间 根据经验公式选取根据经验公式选取 与设备、装炉量、工件厚度等有关与设备、装炉量、工件厚度等有关 回火温度比回火时间对回火程度（性回火温度比回火时间对回火程度（性 能）的影响大能）的影响大 回火效果回火效果 低温、长时间低温、长时间= =高温、短时间高温、短时间 回火程度通常用硬度衡量回火程度通常用硬度衡量 高碳钢为了防止淬火后开裂高碳钢为了防止淬火后开裂应该及应该及 时回火（时回火（2 2小