材料热处理第7章钢的回火转变

1、钢的回火转变第第7章章主要内容主要内容u 淬火碳钢在回火过程中的组织变化淬火碳钢在回火过程中的组织变化u 影响回火转变的因素影响回火转变的因素u 淬火钢回火时力学性能的变化淬火钢回火时力学性能的变化回火回火-将淬火钢加热到低于将淬火钢加热到低于A A1 1临界点以下的某一温临界点以下的某一温度，保温一定时间，使淬火态组织发生某种程度度，保温一定时间，使淬火态组织发生某种程度的变化，再冷却到室温，从而调整零件的使用性的变化，再冷却到室温，从而调整零件的使用性能的工艺，称为回火。能的工艺，称为回火。 A1Mst淬火回火回火的目的回火的目的 1.降低内应力，防止工件变形、开裂。降低内应力，防止工件变

2、形、开裂。 2.调整性能（提高淬火钢的塑性和韧性）调整性能（提高淬火钢的塑性和韧性） 满足生产需要。满足生产需要。 3.稳定组织，防止尺寸变化。稳定组织，防止尺寸变化。 4.降低硬度，便于切削加工。降低硬度，便于切削加工。 回火往往是零件生产中的最后一道工序，决回火往往是零件生产中的最后一道工序，决定钢件最后的性能。定钢件最后的性能。根据回火温度可将钢的回火分为三类：根据回火温度可将钢的回火分为三类：低温回火低温回火( (150250 C) 回火马氏体，马氏体内的过饱和碳原子会以高度弥散并与母相保持着共格关系的碳化物析出。中温回火中温回火( 300500 C) 回火屈氏体回火屈氏体，形成在铁素

3、体基体上弥散分布细小渗碳体颗粒的组织。高温回火高温回火 (500650 C) 回火索氏体回火索氏体，等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织。淬火加高温回火也叫调质处理。刀具刀具回火马氏体回火马氏体淬火马氏体淬火马氏体弹簧弹簧 热锻模热锻模回火屈氏体回火屈氏体屈氏体屈氏体回火索氏体回火索氏体索氏体索氏体凸轮轴凸轮轴变速箱变速箱7.1 7.1 淬火碳钢回火时的组织转变淬火碳钢回火时的组织转变淬火碳钢的回火转变主要有五个过程，他们淬火碳钢的回火转变主要有五个过程，他们不是单独发不是单独发生，而是相互重叠的生，而是相互重叠的： M M中碳原子偏聚（前期阶段）中碳原子偏聚（前期阶段） M M分解（第一

4、阶段转变）分解（第一阶段转变） A AR R转变（第二阶段转变）转变（第二阶段转变） 碳化物析出与转变（第三阶段转变）碳化物析出与转变（第三阶段转变） 相回复与再结晶及碳化物聚集长大（第四阶段转变）相回复与再结晶及碳化物聚集长大（第四阶段转变）温度由低到高温度由低到高（一）碳的偏聚和聚积（一）碳的偏聚和聚积（80100以下以下）原因：原因： M是是C在在-Fe中的过饱和间隙固溶体，中的过饱和间隙固溶体，C原子分布在体心立方点阵的扁八面体间原子分布在体心立方点阵的扁八面体间隙位置，使晶体点阵产生严重的隙位置，使晶体点阵产生严重的弹性变弹性变形形，加之晶体点阵中的，加之晶体点阵中的微观缺陷较多微观

5、缺陷较多，因此使马氏体的因此使马氏体的能量较高能量较高，处于，处于不稳定不稳定状态状态。因此。因此C（N）原子向微观缺陷处的）原子向微观缺陷处的偏聚使马氏体偏聚使马氏体能量降低能量降低。（一）（一）碳的偏聚和聚积（碳的偏聚和聚积（80100以下以下）特征：特征： 从从尺寸、比热、金相组织和硬度上都观察不到明显变化尺寸、比热、金相组织和硬度上都观察不到明显变化； 在马氏体中在马氏体中C（N）原子短距离移动，发生）原子短距离移动，发生C原子的偏聚；原子的偏聚；（一）（一）碳的偏聚和聚积（碳的偏聚和聚积（80100以下以下）特征：特征： 富集区的碳原子将发生有序化富集区的碳原子将发生有序化 析出碳化

6、物析出碳化物马氏体分解马氏体分解。 随着碳化物的析出，马氏体中的碳含量不断降随着碳化物的析出，马氏体中的碳含量不断降低，点阵常数低，点阵常数c减小，减小，a增大，正方度增大，正方度c/a减小。减小。过饱过饱和程度下降。和程度下降。（二）（二） M分解（分解（100250）M分解过程与分解过程与M的成分的成分(碳含量碳含量)密切相关密切相关 1）高碳）高碳M的分解的分解 M的双相分解的双相分解 M的单相分解的单相分解 2）低碳）低碳M的分解的分解1 1）高碳马氏体的分解）高碳马氏体的分解特征：特征： 当回火温度低于当回火温度低于125时，时，相呈现两种正方度，即由于相呈现两种正方度，即由于碳化物

7、析出，同时出现碳含量不同的两种碳化物析出，同时出现碳含量不同的两种相：相： a ) C%:1.4%1.2% (接近淬火高碳接近淬火高碳M)（c/a=1.0621.054）; b) C%: 0.27%0.29%(低碳低碳M)（c/a=1.012l.0l3）; 当回火温度高于当回火温度高于125时，时，相的正方度只有一种，即只相的正方度只有一种，即只存在一种存在一种相，而且随回火温度升高，相，而且随回火温度升高，c/ a逐渐减小，逐渐减小，相中碳相中碳含量逐渐降低。含量逐渐降低。这表明，由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方这表明，由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方式，即双相分解和

8、单相分解。式，即双相分解和单相分解。高碳（高碳（1.4%C）马氏体正方度和碳含量及回火温度的关系）马氏体正方度和碳含量及回火温度的关系a. 马氏体的双相分解温度：温度： 回火温度在回火温度在125150以下以下;特征：特征： 随着碳化物的析出，出现随着碳化物的析出，出现两种两种正方度不同的正方度不同的相相： 具有高正方度的保持原始碳含量的具有高正方度的保持原始碳含量的未分解的未分解的M； 具有低正方度的具有低正方度的碳已部分析出的碳已部分析出的M。 随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种相相 的碳含量均不发生改变，只是的碳含量均不发生改变，只是高碳区愈

9、来愈少，而高碳区愈来愈少，而 低碳区愈来愈多低碳区愈来愈多。马氏体双相分解示意图马氏体双相分解示意图碳化物碳化物C0C1碳化物碳化物C0C1C0C1碳化物长大：碳化物长大：在碳原子富集区，经过有序化后析出碳化物晶核并依在碳原子富集区，经过有序化后析出碳化物晶核并依靠周围靠周围相提供的碳原子长大成碳化物颗粒。相提供的碳原子长大成碳化物颗粒。两相两相相形成：相形成：由于碳化物的析出，在其周围出现由于碳化物的析出，在其周围出现低碳（低碳（C1）的）的相相，而远处的，而远处的相仍保持相仍保持原有碳含量原有碳含量C0。马氏体双相分解时碳的分布马氏体双相分解时碳的分布碳化物碳化物C0C1M继续分解：继续分

10、解：由于温度较低，由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散碳原子不能作远距离扩散，已经析，已经析出的碳化物不能继续长大。马氏体的继续分解只能依靠在其他出的碳化物不能继续长大。马氏体的继续分解只能依靠在其他高碳高碳区析出新的碳化物颗粒区析出新的碳化物颗粒，并在其周围形成，并在其周围形成新的低碳区新的低碳区。马氏体双相分解时碳的分布马氏体双相分解时碳的分布C0C1M分解完成分解完成：随着分解过程进行，随着分解过程进行，高碳区愈来愈少，低碳区愈来高碳区愈来愈少，低碳区愈来愈多愈多。当高碳区完全消失时双相分解即告结束。此时，。当高碳区完全消失时双相分解即告结束。此时，相的平均相的平均碳含量降至碳含量降至C

11、1。马氏体双相分解时碳的分布马氏体双相分解时碳的分布C1C1 低碳区的低碳区的C1与马氏体原始与马氏体原始C0及分解温度无关，为一恒定值，及分解温度无关，为一恒定值，约为约为0.25%0.30%。温度越高，分解越快。温度越高，分解越快。马氏体双相分解时碳的分布马氏体双相分解时碳的分布C1C1b.b.马氏体的单相分解马氏体的单相分解温度：温度： 回火温度高于回火温度高于125150；特征：特征： 马氏体将以连续分解方式进行分解。马氏体将以连续分解方式进行分解。碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散。碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散。已经析出的已经析出的碳化物碳化物有可能从较远区

12、域获得碳原子而长大，有可能从较远区域获得碳原子而长大，相相内的碳浓度梯度也可以通过碳内的碳浓度梯度也可以通过碳原子的扩散而消除。原子的扩散而消除。在分解过程中不再存在两种不同碳含量的在分解过程中不再存在两种不同碳含量的相相。相的碳含量及正方度随相的碳含量及正方度随分解过程的进行不断下降。当温度达到分解过程的进行不断下降。当温度达到300时，正方度时，正方度c/a接近接近1，此时，此时相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解过程基本结束。相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解过程基本结束。2 2）低碳马氏体的分解）低碳马氏体的分解 特征：特征： 低碳钢的低碳钢的Ms点较高，淬火时发

13、生自回火。点较高，淬火时发生自回火。 在淬火形成马氏体的过程中，除了可能发生碳原子向位错的偏聚外，在最先形成在淬火形成马氏体的过程中，除了可能发生碳原子向位错的偏聚外，在最先形成的马氏体中还可能发生的马氏体中还可能发生自回火，析出碳化物自回火，析出碳化物。钢的。钢的Ms点愈高，淬火冷却速度愈慢，点愈高，淬火冷却速度愈慢，则自回火析出的碳化物就愈多。则自回火析出的碳化物就愈多。 回火温度较低不析出碳化物，高于回火温度较低不析出碳化物，高于200的回火析出碳化物。的回火析出碳化物。 淬火后在淬火后在100200之间回火时，低碳板条状马氏体不析出碳化物，之间回火时，低碳板条状马氏体不析出碳化物，C原

14、子仍然原子仍然偏聚在位错线附近偏聚在位错线附近，这是由于，这是由于C原子偏聚的能量状态低于析出碳化物的能量状态。原子偏聚的能量状态低于析出碳化物的能量状态。 当回火温度高于当回火温度高于200时，才有可能通过时，才有可能通过单相分解析出碳化物单相分解析出碳化物，使，使基体中的碳含基体中的碳含量降低。量降低。总结：总结：随着回火温度随着回火温度不断析出过饱和碳不断析出过饱和碳马氏体的马氏体的碳含量碳含量 立方马氏体立方马氏体碳化物碳化物马氏体分解（回火第一阶段转变）马氏体分解（回火第一阶段转变）不同碳含量马不同碳含量马氏体回火时碳氏体回火时碳浓度的变化浓度的变化淬火低温回火淬火低温回火回火回火M

15、B下下组织相似组织相似（三）（三） 残余奥氏体转变（残余奥氏体转变（200300）残余奥氏体转变残余奥氏体转变 1）残余奥氏体向）残余奥氏体向珠光体珠光体及及贝氏体贝氏体的转变的转变 2）残余奥氏体向）残余奥氏体向马氏体马氏体的转变的转变 a 等温转变成马氏体等温转变成马氏体 b 二次淬火二次淬火 1 1）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变 淬火钢加热到淬火钢加热到Ms点以上、点以上、A1点以下点以下各个温度等温保持，残余各个温度等温保持，残余奥氏体在高温区将转变为奥氏体在高温区将转变为珠光体珠光体，在中温区将转变为，在中温区将转变为贝氏体贝氏体。Fe-0.7C

16、-1Cr-3Ni钢奥氏体等温转变动力学图钢奥氏体等温转变动力学图 一定量一定量马氏体的存在促进残余马氏体的存在促进残余奥氏体转变奥氏体转变，尤其使贝氏体转变，尤其使贝氏体转变显著加速。显著加速。马氏体的存在增加了贝氏体的马氏体的存在增加了贝氏体的形核部位形核部位，从而使贝氏体转变加，从而使贝氏体转变加速。因为贝氏体均在马氏体与残速。因为贝氏体均在马氏体与残余奥氏体的交界面上形核。余奥氏体的交界面上形核。（1 1）等温转变成马氏体）等温转变成马氏体 条件：条件：在在已形成的马氏体发生分解以后已形成的马氏体发生分解以后，淬火钢加热到，淬火钢加热到低于低于Ms点的某一温度等温保持点的某一温度等温保持

17、，则残余奥氏体有，则残余奥氏体有可能等温转变成马氏体。可能等温转变成马氏体。 2 2）残余奥氏体向马氏体的转变）残余奥氏体向马氏体的转变回火回火M低碳低碳M (0.25C)-碳化物碳化物AR（2 2）二次淬火）二次淬火 消除奥氏体热稳定化现象消除奥氏体热稳定化现象。 将淬火钢加热到较高温度回火，若残余奥氏体比较稳定，将淬火钢加热到较高温度回火，若残余奥氏体比较稳定，在回火保温时未发生分解，则在回火后的冷却过程中将转变在回火保温时未发生分解，则在回火后的冷却过程中将转变为马氏体。这种在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现为马氏体。这种在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为象称为“二次淬火二

18、次淬火*”。 淬火高速钢中存在大量残余奥氏体，淬火高速钢中存在大量残余奥氏体，560加热保温后在冷却过程中大量残余加热保温后在冷却过程中大量残余奥氏体将转变为马氏体奥氏体将转变为马氏体，即在，即在560保温过程中发生了某种催化，提高了残余奥氏保温过程中发生了某种催化，提高了残余奥氏体的体的Ms点，增强了向马氏体转变的能力。点，增强了向马氏体转变的能力。影响二次淬火现象的因素影响二次淬火现象的因素回火工艺回火工艺举例说明二次淬火现象的出现与回火工艺密切相关性：举例说明二次淬火现象的出现与回火工艺密切相关性： 若若在在560回火后冷至回火后冷至250停留停留5分分钟钟，残余奥氏体又将变得稳定，在冷

19、至室，残余奥氏体又将变得稳定，在冷至室温过程中不再发生转变。即在温过程中不再发生转变。即在250保温保温过程中发生了反催化（稳定化），降低了过程中发生了反催化（稳定化），降低了残余奥氏体的残余奥氏体的Ms点，减弱了向马氏体转点，减弱了向马氏体转变的能力。上述这种催化与稳定化可以反变的能力。上述这种催化与稳定化可以反复进行多次。复进行多次。等温停留560 如如Ta= 250二次淬火现象产生的原因：二次淬火现象产生的原因： a. C 、N原子气团作用。原子气团作用。 一定温度一定温度 （如（如560）保温，破坏了柯氏气团，）保温，破坏了柯氏气团，C、N原子将从位错逸出而使原子将从位错逸出而使原子气

20、团原子气团“蒸发蒸发”，从而减小相变阻力，起到催化（反稳定化）作用。，从而减小相变阻力，起到催化（反稳定化）作用。b. 碳化物的析出提高了残余奥氏体的碳化物的析出提高了残余奥氏体的Ms点。点。 碳化物析出使其碳含量和合金元素含量下降。碳化物析出使其碳含量和合金元素含量下降。c. 相变消除了相硬化相变消除了相硬化 回火消除了马氏体相变引起的相硬化，从而恢复了残余奥氏体转变马氏体的回火消除了马氏体相变引起的相硬化，从而恢复了残余奥氏体转变马氏体的能力。能力。残余奥氏体转变（回火第二阶段转变）残余奥氏体转变（回火第二阶段转变）总结：总结：残余奥氏体随回火温度不同，发生不同的转变：残余奥氏体随回火温度

21、不同，发生不同的转变： 1）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变）残余奥氏体向珠光体及贝氏体的转变 （1）在）在P形成温度范围内，残余形成温度范围内，残余A先析出碳化物，随后分解为先析出碳化物，随后分解为P； （2）在）在B形成温度范围内，形成温度范围内，A 也可能转变为也可能转变为B；2）残余奥氏体向马氏体的转变）残余奥氏体向马氏体的转变 （3）在随后冷却过程中转变为回火）在随后冷却过程中转变为回火M； a，等温转变成马氏体，等温转变成马氏体 b，二次淬火，二次淬火 （4）残余）残余A热稳定区不转变；热稳定区不转变；（1）在）在P形成温度范围内，残余形成温度范围内，残余A先析出碳化物，随后分解为

22、先析出碳化物，随后分解为P；（2）在）在B形成温度范围内，形成温度范围内，A 也可能转变为也可能转变为B；（3）在随后冷却过程中转变为回火）在随后冷却过程中转变为回火M；（4）残余）残余A热稳定区不转变；热稳定区不转变；应用举例：应用举例： W18Cr4V高速工具钢的热处理工艺高速工具钢的热处理工艺含大量的合金元素，含大量的合金元素，塑性差塑性差,导热性差导热性差,在快速加热时的热应力在快速加热时的热应力使之变形开裂。加热到使之变形开裂。加热到淬火温度淬火温度12701280度在度在800840预预热热（W等合金元素都缩小等合金元素都缩小A区区,使得共析与共晶温度提高使得共析与共晶温度提高,因

23、而因而选择选择12701280度）度）. Mf点高点高，淬火后的组织为，淬火后的组织为M十碳化物十十碳化物十残余残余A(多达多达30%)。 要在要在550一一570度回火，析出度回火，析出WC等引起二次硬化；等引起二次硬化； A分解分解,析析C,降低合金元素含量降低合金元素含量,使使Ms上升上升,从而造成二次淬火。从而造成二次淬火。为降低残余为降低残余A，需要进行多次回火。，需要进行多次回火。一次回火一次回火,还有还有15%的残的残余余A,二次回火残余二次回火残余A3%一一5%, 三次回火三次回火,只有只有1%一一2%,最终得最终得回火组织回火组织M十碳化物十极少量残余十碳化物十极少量残余 A

24、。 M内过饱和内过饱和C原子全部脱溶，析出更稳定的原子全部脱溶，析出更稳定的-碳化物碳化物 低低C C位错位错M M：集聚在位错附近集聚在位错附近C原子，可直接析出原子，可直接析出-碳化物。碳化物。位置：析出在位错线附近或位置：析出在位错线附近或M条界上，呈细小片状。条界上，呈细小片状。 高高C C孪晶孪晶M M：先析出先析出-碳化物，当回火温度高于碳化物，当回火温度高于250 ，析，析出出-碳化物和碳化物和-碳化物。位置：碳化物。位置：M孪晶面孪晶面112上上.（四）（四） 碳化物析出与转变（碳化物析出与转变（250400）碳化物析出与转变：碳化物析出与转变： 1）高碳马氏体中的碳化物析出）

25、高碳马氏体中的碳化物析出 2）低碳马氏体中的碳化物析出）低碳马氏体中的碳化物析出 3）中碳马氏体中碳化物的析出）中碳马氏体中碳化物的析出1 1）高碳马氏体中的碳化物析出）高碳马氏体中的碳化物析出 回火第一阶段：回火第一阶段：最初高碳马氏体析出的是最初高碳马氏体析出的是亚稳的亚稳的-碳化物碳化物，具有具有密排六方点阵，成分介于密排六方点阵，成分介于Fe2CFe3C之间，一般用之间，一般用-FexC表示。表示。 温度高于温度高于250:-碳化物碳化物 -碳化物，具有复杂斜方点阵，其碳化物，具有复杂斜方点阵，其组成为组成为Fe5C2，可用，可用-Fe5C2表示，表示，-碳化物呈薄片状且在孪晶界面碳化

26、物呈薄片状且在孪晶界面上析出的。上析出的。 回火温度进一步升高时：回火温度进一步升高时：-碳化物和碳化物和-碳化物又将转变为稳定的碳化物又将转变为稳定的-碳化物，即碳化物，即渗碳体渗碳体Fe3C。具有复杂斜方点阵，。具有复杂斜方点阵，-碳化物也位于原碳化物也位于原孪晶界面，呈条片状。孪晶界面，呈条片状。淬火高碳钢回火过程中的碳化物转变序列可能为：淬火高碳钢回火过程中的碳化物转变序列可能为：（+）（+）（+）（+）（+）在更高温度回火时，在更高温度回火时，形成的碳化物将全部形成的碳化物将全部转变为转变为-Fe3C。初期形成的初期形成的-Fe3C常常呈板片状。呈板片状。T 碳化物析出和转变的影响因

27、素：碳化物析出和转变的影响因素： 回火过程中碳化物的转变主要决定于回火过程中碳化物的转变主要决定于回火温度回火温度和和回火时间回火时间，随，随着回火着回火时间的延长时间的延长，发生碳化物，发生碳化物转变的温度降低转变的温度降低，如图所示。，如图所示。淬火高碳钢回火时三种碳化物的析出范围淬火高碳钢回火时三种碳化物的析出范围* * * 碳化物转变方式：碳化物转变方式： “原位原位”形核形核-在旧碳化物的基础上通过成分改变和点在旧碳化物的基础上通过成分改变和点阵改组逐渐转化为新碳化物。阵改组逐渐转化为新碳化物。 “独立独立”形核形核-新碳化物在其他部位通过形核和长大新碳化物在其他部位通过形核和长大独

28、立形成。此时由于新碳化物的析出，使母相碳含量下降，独立形成。此时由于新碳化物的析出，使母相碳含量下降，故细小的旧碳化物将重新溶入母相直至消失。故细小的旧碳化物将重新溶入母相直至消失。 转变方式主要取决于新旧碳化物与母相的惯习面和位向转变方式主要取决于新旧碳化物与母相的惯习面和位向关系；如果相同关系；如果相同，可能进行可能进行原位转变原位转变；如果不同，则为；如果不同，则为独独立形核长大立形核长大；-Fe5C2转变为转变为-Fe3C时，时，原位或独立形核：原位或独立形核：（+）（+）（+）（+）（+） -FexC转变为转变为- Fe5C2或或-Fe3C时，时，独立形核独立形核：-FexC的惯习面

29、和位向关系与的惯习面和位向关系与-Fe5C2及及-Fe3C不同不同，不可能是原位直接转变，不可能是原位直接转变，而是通过而是通过-FexC溶解，新碳化物独立溶解，新碳化物独立形形核长大核长大方式进行。方式进行。-Fe5C2和和-Fe3C的惯习面和位向关系可的惯习面和位向关系可能能相同相同，也可能，也可能不同不同，所以既可能是，所以既可能是原位原位转变转变，也可能，也可能-Fe5C2溶解，溶解，-Fe3C独立独立形核长大形核长大。2 2）低碳马氏体中的碳化物析出）低碳马氏体中的碳化物析出 马氏体中马氏体中碳含量低于碳含量低于0.2%时时，当，当回火温度高回火温度高200，将在将在碳原子偏聚区碳原

30、子偏聚区通过通过单相分解单相分解自马氏体中直接析出自马氏体中直接析出-碳碳化物化物。自回火：自回火：淬火温度降至淬火温度降至200以前，在已经形成的马氏体中析出以前，在已经形成的马氏体中析出-碳碳化物化物。自回火析出的碳化物均在马氏体。自回火析出的碳化物均在马氏体板条内缠结位错区板条内缠结位错区形成，形状形成，形状为细针状。为细针状。 回火：回火：在在250回火时，未发生自回火的马氏体将发生回火，在马回火时，未发生自回火的马氏体将发生回火，在马氏体氏体板条内位错缠结处板条内位错缠结处析出细针状析出细针状-碳化物碳化物，并沿，并沿板条马氏体条界板条马氏体条界析析出薄片状出薄片状-碳化物碳化物。

31、碳化物转变：碳化物转变：进一步提高回火温度，板条界上的进一步提高回火温度，板条界上的-碳化物薄片碳化物薄片在长在长大的同时将大的同时将发生破碎发生破碎而成为而成为短粗针状碳化物短粗针状碳化物。随。随板条界间碳化物的长板条界间碳化物的长大，板条内的细针状及细颗粒状碳化物将重新溶入大，板条内的细针状及细颗粒状碳化物将重新溶入相中。相中。 回火温度达到回火温度达到500550，板条内碳化物已经消失板条内碳化物已经消失，只剩下，只剩下分布在分布在界面上较粗大的直径约为界面上较粗大的直径约为200300nm的碳化物的碳化物。马氏体马氏体板条内位错缠结处板条内位错缠结处析出析出细针状细针状-碳化物碳化物低

32、碳马氏体中的碳化物析出：低碳马氏体中的碳化物析出：马氏体马氏体板条内位错缠结处板条内位错缠结处析出析出细针状细针状-碳化物碳化物马氏体马氏体板条条界板条条界析出析出薄片状薄片状-碳化物碳化物马氏体马氏体板条条界板条条界析出析出薄片状薄片状-碳化物碳化物并并长大长大板条内位错缠结处板条内位错缠结处析出析出细针状细针状-碳化物开始溶解碳化物开始溶解板条内碳化物板条内碳化物已经已经消失消失马氏体马氏体板条条界面上板条条界面上粗大的粗大的-碳化物碳化物回回火火温温度度增增加加3 3）中碳马氏体中碳化物的析出）中碳马氏体中碳化物的析出 碳含量介于碳含量介于0.2%0.6%亚稳的亚稳的-碳化物碳化物稳定的

33、稳定的-碳化物碳化物析出部位：析出部位：板条板条M析出的碳化物大部分呈薄片状分布在板条界上析出的碳化物大部分呈薄片状分布在板条界上超过超过0.2%的碳将分布在的碳将分布在扁八面体中心，能量较扁八面体中心，能量较高，很不稳定，故将以高，很不稳定，故将以碳化物形式析出碳化物形式析出200以下以下温温度度升升高高200以上以上原因原因孪晶孪晶M析出碳化物的过程跟高碳析出碳化物的过程跟高碳M相同相同（五）（五） 碳化物聚集长大与碳化物聚集长大与相状态变化相状态变化碳化物聚集长大碳化物聚集长大低温下，片状低温下，片状400400 CC，聚集、球化、，聚集、球化、 细粒状细粒状600600 CC，迅速聚集

34、并粗化，迅速聚集并粗化1 1）内应力消失）内应力消失 内应力的产生：内应力的产生： 淬火时，由于热应力和组织应力引起塑性变形使晶内缺陷及淬火时，由于热应力和组织应力引起塑性变形使晶内缺陷及各种内应力增加。各种内应力增加。 第一类内应力第一类内应力：由于工件内外温度不一致和相变不同时而造成：由于工件内外温度不一致和相变不同时而造成的宏观区域性的内应力。的宏观区域性的内应力。 第二类内应力第二类内应力：工件中几个晶粒内的温度不一致和相变不同时：工件中几个晶粒内的温度不一致和相变不同时而造成的微观区域性的内应力。而造成的微观区域性的内应力。 第三类内应力第三类内应力：由于碳原子过饱和固溶使晶格畸变以

35、及保持共：由于碳原子过饱和固溶使晶格畸变以及保持共格关系使晶格弹性畸变所引起的内应力。格关系使晶格弹性畸变所引起的内应力。基体基体相状态的变化相状态的变化回火能够消除内应力的原因：回火能够消除内应力的原因： 回火过程中，回火过程中，随回火温度升高，原子活动能力增强，晶内缺陷及各种残余随回火温度升高，原子活动能力增强，晶内缺陷及各种残余内应力均逐渐下降。内应力均逐渐下降。回火温度愈高，内应力下降就愈快，下降程度也就愈大。回火温度愈高，内应力下降就愈快，下降程度也就愈大。对于淬火碳钢，对于淬火碳钢， 300左右左右马氏体分解完毕，马氏体分解完毕，第三类残余内应力第三类残余内应力也将随之消失；也将随

36、之消失； 500时时，第二类残余内应力第二类残余内应力也基本消失；也基本消失； 高于高于550时，时，第一类残余内应力第一类残余内应力接近于全部消除。因为此时接近于全部消除。因为此时-FexC已已经变为渗碳体，碳化物与经变为渗碳体，碳化物与相的共格联系已被破坏，而且渗碳体颗粒也有相的共格联系已被破坏，而且渗碳体颗粒也有一定程度的长大。一定程度的长大。2 2）相的相的回复与再结晶回复与再结晶中、低碳钢的中、低碳钢的板条板条马氏体马氏体高碳钢的高碳钢的片状片状马氏体马氏体中、低碳钢板条马氏体中、低碳钢板条马氏体 淬火所得到的板条中存在大量位错，而且晶粒形状为非等轴状，所以在淬火所得到的板条中存在大

37、量位错，而且晶粒形状为非等轴状，所以在回火过程中，发生回复和再结晶。回火过程中，发生回复和再结晶。回复：回复：相中的相中的位错胞和胞内位错线位错胞和胞内位错线通过滑移和攀移而通过滑移和攀移而消失消失，导致晶体中位，导致晶体中位错密度错密度降低降低。 剩余剩余位错将排列成位错将排列成二维位错网络二维位错网络，形成形成由它们分割而成的由它们分割而成的亚亚晶粒晶粒。回复后组织回复后组织：相形态仍呈板条状相形态仍呈板条状，只是，只是板条宽度板条宽度因相邻板条合并而因相邻板条合并而增加增加。再结晶再结晶(600700)，板条状，板条状转变成等轴状晶粒，并逐渐长大。转变成等轴状晶粒，并逐渐长大。 高温长时

38、间回火后，得到多边形高温长时间回火后，得到多边形相均匀分布的球状碳化物组成相均匀分布的球状碳化物组成的完全再结晶组织，继续升温，的完全再结晶组织，继续升温， 相和碳化物在长大。相和碳化物在长大。高碳钢片状马氏体高碳钢片状马氏体 片状马氏体的亚结构主要是孪晶。片状马氏体的亚结构主要是孪晶。 回复：回复： T250，孪晶亚结构逐渐消失孪晶亚结构逐渐消失，而出现位错胞或位错线，而出现位错胞或位错线（可能是由于碳化物析出的体积变化引起）；（可能是由于碳化物析出的体积变化引起）； T400时时，孪晶全部消失孪晶全部消失，出现胞块，出现胞块，片状马氏体的特征依片状马氏体的特征依然存在然存在。再结晶：再结晶

39、： T600，发生再结晶而使片状特征消失（与位错发生再结晶而使片状特征消失（与位错M变化相变化相同）同）。马氏体中碳原子偏聚马氏体中碳原子偏聚80100 下下马氏体分解马氏体分解残余奥氏体转变残余奥氏体转变相状态变化及相状态变化及碳化物聚集长大碳化物聚集长大碳化物析出与转变碳化物析出与转变80250 间间200300 间间250400 间间高于高于400 淬火马氏体回火时的组织转变：淬火马氏体回火时的组织转变： 板条板条M的的C原子在位错线附近聚集；原子在位错线附近聚集； 孪晶片状孪晶片状M，在孪晶界面上聚集；，在孪晶界面上聚集；弘津气团弘津气团柯垂尔气团柯垂尔气团Fe-C过渡化合物过渡化合物

40、立方立方M-碳化物碳化物高碳高碳M分解分解低碳低碳M分解分解M双相分解双相分解M单相分解单相分解两种两种正方度正方度不同的不同的相相连续分解连续分解自回火自回火单相分解单相分解富碳区富碳区M碳原子碳原子有序化有序化并转化成并转化成碳化物析出碳化物析出P、BM等温转变等温转变M二次淬火二次淬火温度低于温度低于Ms， ARM已形成已形成M分解后，分解后，ARM回火冷却过程将热稳定回火冷却过程将热稳定A MP、B低碳低碳M-碳化物碳化物亚稳碳化物亚稳碳化物向向稳定碳化物稳定碳化物的转化的转化高碳高碳M碳化物析出碳化物析出低碳低碳M碳化物析出碳化物析出中碳中碳M碳化物析出碳化物析出原位形核原位形核独立

41、形核独立形核单相分解单相分解自回火自回火单相分解单相分解低碳低碳M-碳化物碳化物相状态变化相状态变化碳化物聚集长大碳化物聚集长大内应力消失内应力消失回复再结晶回复再结晶等轴状等轴状碳化物碳化物大颗粒吃小颗粒大颗粒吃小颗粒等轴状等轴状碳化物碳化物等轴状等轴状碳化物碳化物1合金元素对马氏体分解的影响合金元素对马氏体分解的影响2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3合金元素对碳化物转变的影响合金元素对碳化物转变的影响4合金元素对合金元素对相回复和再结晶的影响相回复和再结晶的影响6.2 6.2 合金元素对马氏体回火转变的影响合金元素对马氏体回火转变的影响1 1合金元素对马氏体分

42、解的影响合金元素对马氏体分解的影响（1）合金元素对）合金元素对M分解所起作用分解所起作用阻碍：阻碍： 通过通过影响碳的扩散影响碳的扩散而影响马氏体的分解过程以及碳化物粒而影响马氏体的分解过程以及碳化物粒子的聚集长大速度，从而影响子的聚集长大速度，从而影响相中碳浓度的下降速度。相中碳浓度的下降速度。 合金元素与碳的结合力合金元素与碳的结合力的大小决定影响程度。的大小决定影响程度。弱碳或非碳化物形成元素的影响：弱碳或非碳化物形成元素的影响： Ni和和Mn对马氏体分解无明显影响。对马氏体分解无明显影响。 Si 和Co （非碳化物形成元素）能够溶解到（非碳化物形成元素）能够溶解到-FexC中，使中，使

43、-FexC稳定，稳定，减慢碳化物的聚集速度，从而推迟马氏体分解。减慢碳化物的聚集速度，从而推迟马氏体分解。强碳化物形成元素的影响：强碳化物形成元素的影响： 强碳化物形成元素（强碳化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Ti等）与等）与C的结合力较强，增的结合力较强，增大大C在马氏体中的扩散激活能，阻碍在马氏体中的扩散激活能，阻碍C在马氏体中的扩散，从而减慢马氏在马氏体中的扩散，从而减慢马氏体的分解速度。体的分解速度。（2）对脱溶性能的影响对脱溶性能的影响从而影响从而影响M分解分解： 合金元素提高碳钢的脱溶温度，形成抗回火性：合金元素提高碳钢的脱溶温度，形成抗回火性： 使碳钢完全脱溶温度提高使碳钢完全

44、脱溶温度提高100150。合金钢在较高温度。合金钢在较高温度回火时仍可以保持回火时仍可以保持相具有一定饱和碳浓度和细小碳化物，从相具有一定饱和碳浓度和细小碳化物，从而保持高的硬度和强度。而保持高的硬度和强度。 * * 合金元素这种阻碍合金元素这种阻碍相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质称为合金元素提高了钢的钢件保持高硬度、高强度的性质称为合金元素提高了钢的回火回火抗力或抗力或“抗回火性抗回火性”。2 2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合金元素对AR转变所起作用：转变所起作用： 可改变残余奥氏体可改

45、变残余奥氏体分解的温度和速度分解的温度和速度，从而影响其转变的类型和性质。，从而影响其转变的类型和性质。AR的回火转变：的回火转变： 在在Ms点以下回火时，点以下回火时，残余奥氏体将转变为马氏体。若残余奥氏体将转变为马氏体。若Ms点较高（点较高（100），则随后还将发生马氏体分解过程，形成回火马氏体。），则随后还将发生马氏体分解过程，形成回火马氏体。 在在Ms点以上回火时，点以上回火时，残余奥氏体可能发生三种转变：残余奥氏体可能发生三种转变： 在贝氏体形成区内等温转变为在贝氏体形成区内等温转变为贝氏体贝氏体； 在珠光体形成区内等温转变为在珠光体形成区内等温转变为珠光体珠光体； 二次淬火，二次淬

46、火，转变为转变为马氏体马氏体。3 3合金元素对碳化物转变的影响合金元素对碳化物转变的影响 非碳化物形成元素非碳化物形成元素（Cu、Ni、Co、Al、Si等）与碳不形成特殊等）与碳不形成特殊类型的碳化物，它们只是类型的碳化物，它们只是提高提高-FexC向向-Fe3C转变的温度范围。例转变的温度范围。例如钢中加入如钢中加入Si，能明显提高钢的回火抗力。，能明显提高钢的回火抗力。 强碳化物形成元素强碳化物形成元素（Mo、V、W、Ti等）不但强烈等）不但强烈推迟推迟-FexC向向-Fe3C的转变，而且还会发生渗碳体到其他类型特殊碳化物的转变。的转变，而且还会发生渗碳体到其他类型特殊碳化物的转变。 合金

47、元素合金元素在渗碳体和在渗碳体和相之间相之间重新分配重新分配，从而发生碳化物成分和，从而发生碳化物成分和结构变化：结构变化：合金钢回火时碳化物转变的可能顺序合金钢回火时碳化物转变的可能顺序： 影响形成特殊碳化物的因素：影响形成特殊碳化物的因素： 合金元素的性质和含量；合金元素的性质和含量； 碳或氮的含量碳或氮的含量； 回火温度回火温度和和时间时间等。等。例，高例，高Cr高碳钢淬火后，在回火过程中的碳化物转变过程为：高碳钢淬火后，在回火过程中的碳化物转变过程为：特殊碳化物的转变机制：特殊碳化物的转变机制： 原位转变； 单独形核长大；碳钢：在回火第三阶段，随着渗碳体颗粒的长大，将不断软化。碳钢：在

48、回火第三阶段，随着渗碳体颗粒的长大，将不断软化。合金钢：合金碳化物的聚集长大是通过小颗粒碳化物溶解、碳和合合金钢：合金碳化物的聚集长大是通过小颗粒碳化物溶解、碳和合金元素扩散到大颗粒碳化物中去。金元素扩散到大颗粒碳化物中去。钢中含有钢中含有Mo、V、W、Ta、Nb和和Ti等强碳化物形成元素时，将等强碳化物形成元素时，将减弱软化减弱软化倾向倾向，即增大了软化抗力。，即增大了软化抗力。4 4合金元素对碳化物聚集长大的影响合金元素对碳化物聚集长大的影响钢的二次硬化现象：钢的二次硬化现象：* 定义：定义： 当马氏体中含有足够量碳化物形成当马氏体中含有足够量碳化物形成合金元素合金元素时，时，在在500以

49、上回火时将会析出以上回火时将会析出细小的特殊碳化物细小的特殊碳化物，导致钢的再，导致钢的再度硬化，这种现象称为度硬化，这种现象称为二次硬化二次硬化。有时二次硬化峰的硬度可。有时二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度还高。能比淬火硬度还高。二次硬化的原因：二次硬化的原因： 细小的特殊碳化物在细小的特殊碳化物在相中的高弥散度；相中的高弥散度； 相中的高密度位错；相中的高密度位错； 碳化物与碳化物与相之间的共格畸变加剧；相之间的共格畸变加剧；合金元素含量和回火温度马氏体二次硬化作用的影响：合金元素含量和回火温度马氏体二次硬化作用的影响：合金元素含量提高，硬度提高；合金元素含量提高，硬度提高；T，碳化物数量增

50、多，碳化物尺，碳化物数量增多，碳化物尺寸逐步增大，与寸逐步增大，与相的共格畸变相的共格畸变也也逐渐加剧，直至硬度达到逐渐加剧，直至硬度达到峰值峰值。继续升高继续升高T，由于碳化物长大，弥，由于碳化物长大，弥散度减小，共格关系被破坏，共散度减小，共格关系被破坏，共格畸变消失以及格畸变消失以及位错密度位错密度降低，降低，从而使硬度迅速下降。从而使硬度迅速下降。提高钢的二次硬化效应的途径：提高钢的二次硬化效应的途径： 第一，第一，采用低温形变淬火方法采用低温形变淬火方法。增大钢中的位错密度，以增加。增大钢中的位错密度，以增加特殊碳化物的形核部位，从而进一步增大碳化物的弥散度。特殊碳化物的形核部位，从

51、而进一步增大碳化物的弥散度。 第二，第二，钢中加入某些合金元素钢中加入某些合金元素。以减慢特殊碳化物形成元素的。以减慢特殊碳化物形成元素的扩散，抑制细小碳化物的长大和延缓这类碳化物时效现象的发生。扩散，抑制细小碳化物的长大和延缓这类碳化物时效现象的发生。如加入如加入Co、Al、Si等。等。总结：合金元素对碳化物转变的影响结果： 提高钢的回火抗力；提高钢的回火抗力； （也就是推迟亚稳态碳化物向稳定态的转变） 形成特殊碳化物；形成特殊碳化物； 产生二次硬化现象产生二次硬化现象5 5合金元素对合金元素对相回复和再结晶的影响相回复和再结晶的影响u 延迟延迟相的回复和再结晶，保持高的回火稳定性相的回复和

52、再结晶，保持高的回火稳定性 显著地显著地延迟延迟相的回复和再结晶相的回复和再结晶，因而使，因而使相处于较大的畸变状态，相处于较大的畸变状态，仍然保持仍然保持较高的硬度和强度较高的硬度和强度，即具有很高的，即具有很高的回火稳定性回火稳定性。n 合金元素含量增高，这种延缓作用增强。合金元素含量增高，这种延缓作用增强。n 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。例如切削刀具，热作模具钢等工具钢就是利用了例如切削刀具，热作模具钢等工具钢就是利用了合金钢的回火稳定性合金钢的回火稳定性，能在，能在较高的温度下仍保持较高的硬度和强度，使钢具有红硬性和热强性。较高的

53、温度下仍保持较高的硬度和强度，使钢具有红硬性和热强性。 合金元素的影响机制：合金元素的影响机制： n 合金元素阻碍回火时各类畸变的消除合金元素阻碍回火时各类畸变的消除 常用常用合金元素合金元素（如（如Mo、W、Ti、V、Cr、Si等）均具有等）均具有阻碍阻碍回火时各类回火时各类畸变消除畸变消除的作用，而且一般都的作用，而且一般都延缓延缓相的回复和再结晶相的回复和再结晶（提高再结晶温度）（提高再结晶温度）以及以及碳化物的聚集长大碳化物的聚集长大过程，从而过程，从而提高提高钢的钢的回火稳定性回火稳定性。1硬度和强度的变化硬度和强度的变化2塑性和韧性的变化塑性和韧性的变化3钢的回火脆性钢的回火脆性6

54、.3 6.3 回火时机械性能的变化回火时机械性能的变化1 1硬度和强度的变化硬度和强度的变化 碳钢：碳钢：随着回火温度升高，硬度和强度降低。随着回火温度升高，硬度和强度降低。回火温度回火温度对各种淬对各种淬火碳钢硬火碳钢硬度的影响度的影响 对于低碳钢，对于低碳钢， 在淬火时在淬火时已经发生碳原子向位错线偏已经发生碳原子向位错线偏聚和析出少量碳化物的聚和析出少量碳化物的自回自回火现象火现象，所以在，所以在200以下以下回火时其组织变化较小，硬回火时其组织变化较小，硬度变化不大。度变化不大。 对于高碳钢对于高碳钢（0.8C），），在在100回火时硬度稍有上升回火时硬度稍有上升，这是，这是由于由于C

55、原子偏聚原子偏聚以及以及-碳化物析出碳化物析出造造成的；成的；在在200300回火时出现的硬度回火时出现的硬度“平台平台”，则是由于则是由于残余奥氏体转残余奥氏体转变变（使硬度上升）和（使硬度上升）和马氏体大量分马氏体大量分解解（使硬度下降）这两个因素综合（使硬度下降）这两个因素综合作用的结果。作用的结果。合金元素的影响：合金元素的影响： 钢中加入钢中加入合金元素合金元素能能减小减小硬度和强度降低的硬度和强度降低的趋势趋势。由于合。由于合金元素有提高金元素有提高回火稳定性回火稳定性的作用。的作用。 例如：例如： 在高于在高于300回火时，如果回火温度和时间相同，则合金钢常回火时，如果回火温度和

56、时间相同，则合金钢常常具有较高的强度（与相同碳含量的碳钢相比）。常具有较高的强度（与相同碳含量的碳钢相比）。 加入强烈形成碳化物的合金元素还可以在高温（加入强烈形成碳化物的合金元素还可以在高温（500600）回火时）回火时析出细小弥散的特殊碳化物，产生析出细小弥散的特殊碳化物，产生二次硬化二次硬化现象。现象。2塑性和韧性的变化塑性和韧性的变化 淬火钢随回火温度升高，在硬度和强度不断下降的同时，淬火钢随回火温度升高，在硬度和强度不断下降的同时，塑性（断面收缩率、延伸率）不断上升。塑性（断面收缩率、延伸率）不断上升。原因：原因： 淬火淬火内应力消除内应力消除； 碳化物聚集长大碳化物聚集长大和和球化

57、；球化； 相回复和再结晶相回复和再结晶。*冲击韧性不是单调增加，很可能出现回火脆性：冲击韧性不是单调增加，很可能出现回火脆性：回火脆性：回火脆性： 淬火钢在回火时的冲击韧性并不一定随回火温度升高而单调淬火钢在回火时的冲击韧性并不一定随回火温度升高而单调地增高，许多钢可能在两个温度区域内出现韧性下降的现象。这地增高，许多钢可能在两个温度区域内出现韧性下降的现象。这种种随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象，称为，称为“回火脆回火脆性性”。CrNi钢冲击韧性与回火温度的关系钢冲击韧性与回火温度的关系第一类回火脆性第一类回火脆性 在在250250400400之间

58、出现的回火脆性称为第一类回火脆性，之间出现的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低也称低温回火脆性。几乎所有的钢均存在第一类回火脆性。温回火脆性。几乎所有的钢均存在第一类回火脆性。CrNi钢冲击韧性与钢冲击韧性与回火温度的关系回火温度的关系（1）主要特征）主要特征 a) 不可逆性。不可逆性。 如果将产生第一类回火脆性的工件重新加热，其脆性仍然不如果将产生第一类回火脆性的工件重新加热，其脆性仍然不能消除能消除。 b) 与回火后冷却速度无关。与回火后冷却速度无关。 在产生回火脆性的温度保温后，不论随后是快冷还是慢冷，钢件都会产在产生回火脆性的温度保温后，不论随后是快冷还是慢冷，钢件都会产生脆化。生脆化

59、。 c) 断口为晶间断裂断口为晶间断裂 产生第一类回火脆性的工件，其断口大多为晶间（沿晶界）断裂，而在产生第一类回火脆性的工件，其断口大多为晶间（沿晶界）断裂，而在非脆化温度回火的工件一般为穿晶（沿晶粒内部）断裂。非脆化温度回火的工件一般为穿晶（沿晶粒内部）断裂。（2）影响因素）影响因素化学成分的影响：化学成分的影响： 第一类：第一类：有害杂质元素，如有害杂质元素，如S、P、As、Sb、Cu、N、H、O等。钢中等。钢中存在这些元素时均将导致出现第一类回火脆性。存在这些元素时均将导致出现第一类回火脆性。 第二类：第二类：促进第一类回火脆性的元素，如促进第一类回火脆性的元素，如Mn、Si、Cr、N

60、i、V等。这等。这些类合金元素能促进第一类回火脆性的发展，还有可能将第一类回火脆些类合金元素能促进第一类回火脆性的发展，还有可能将第一类回火脆性推向较高的温度。性推向较高的温度。 第三类：第三类：减弱第一类回火脆性的元素，如减弱第一类回火脆性的元素，如Mo、W、Ti、Al等。钢中含等。钢中含有这些合金元素时第一类回火脆性将被减弱，其中尤以有这些合金元素时第一类回火脆性将被减弱，其中尤以Mo的效果最显著。的效果最显著。奥氏体晶粒愈粗大，残余奥氏体量愈多，奥氏体晶粒愈粗大，残余奥氏体量愈多，则第一类回火脆性就愈严重则第一类回火脆性就愈严重.（3 3）形成机制）形成机制 三种理论：三种理论： a，残