第二十章-回火转变.ppt

1、凝固理论与固态相变 Solidification Theory and Phase Transformations in Solids,南京航空航天大学 材料科学与技术学院 缪强,第二十章 淬火钢回火时的转变,前 言,钢件淬火后获得的组织是马氏体或马氏体+残余奥氏体，此外还可能存在一些未溶碳化物。马氏体和残余奥氏体在室温都处于亚稳定状态，它们都有向铁素体+渗碳体的稳定状态自发转变的趋势。,前 言,马氏体+残余奥氏体向稳定状态转变需要一定的温度和时间的条件。 回火是将淬火钢加热到低于临界点A1的某一温度并保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的冷却方式冷却到室温的一种热处理工艺

2、。,前 言,螺杆表面的淬火裂纹,回火的目的,减少或消除淬火内应力， 防止变形或开裂。 获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,前 言,回火的目的,稳定尺寸。M和A 有自发向平衡组织转变的倾向，回火使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。,淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,前 言,本章学习重点： 淬火钢回火时组织转变的过程； 合金元素对回火转变的影响； 回火时钢的力学性能的变化。 本章学习难点： 合金元素对回火转变的影响； 回火脆性及其预防。,第一节 碳钢回火时的组织转变,第一节 碳钢回火时的组织转变,淬火钢回火时，

3、随加热温度升高和时间延长，淬火钢的组织发生多个阶段变化。,网带式回火电炉,一、马氏体中碳的偏聚,马氏体中碳原子位于扁八面体间隙位置，使晶格产生较大弹性畸变，且马氏体晶体中存在较多的微观缺陷，故马氏体的能量升高，处于不稳定状态。 20100温度范围内回火时，铁和合金元素难以进行扩散，但C、N等间隙原子尚能进行短程扩散迁移。当C、N原子扩散到上述缺陷位置后，将降低马氏体能量，因此马氏体中的过饱和C、N原子将自发地向晶体缺陷位置偏聚。,第一节 碳钢回火时的组织转变,板条马贝氏体内部存在大量的位错，碳原子倾向偏聚于位错线附近的缺陷，形成碳的偏聚区，导致马氏体的弹性畸变能降低。,第一节 碳钢回火时的组织

4、转变,片状马贝氏体的亚结构为孪晶，没有大量的位错位错线容纳间隙原子，除少量碳原子偏聚于位错线外，大量碳原子将向垂直于马氏体c轴的（100）晶面偏聚，形成小圆片状的富碳区，其厚度只有零点几nm，直径约1.0nm。,第一节 碳钢回火时的组织转变,第一节 碳钢回火时的组织转变,碳原子偏聚不能通过金相方法直接观察到，但碳原子的偏聚将导致钢的电阻率升高，因此可,推杆式回火电炉,用电阻法等实验方法来验证其存在，也可以用内耗法来推测。,第一节 碳钢回火时的组织转变,二、马氏体的分解,当回火温度超过80时，马氏体将发生分解。随着回火温度的升高，马氏体的碳浓度逐渐降低，晶格常数c减小，a增大，正方度c/a减小。

5、 马氏体的分解一直延续到350 以上，在高合金钢中甚至可以延续到600。,马氏体的碳浓度与回火温度的关系（回火1h）,第一节 碳钢回火时的组织转变,随着回火温度的升高，马氏体的碳浓度不断降低。高碳钢的马氏体的碳浓度降低很快，而含碳较低的钢则降低较缓。 超过200回火，各种高中碳钢马氏体的碳浓度已几乎一样。,马氏体的碳浓度与回火时间的关系（1.09%C）,回火时间对马氏体中的含碳量影响较小。马氏体的碳浓度在回火初期下降很快，随后趋于平缓。回火温度越高，回火初期马氏体的碳浓度下降越多。,第一节 碳钢回火时的组织转变,第一节 碳钢回火时的组织转变,片状马氏体在100250回火时，马氏体固溶体中的过饱

6、和碳原子脱溶而沿马氏体的（001）晶面,1、片状氏体,盐浴炉,沉淀析出-碳化物，其晶体结构为密排六方，常用-FexC来表示。-碳化物与母相共格，相互之间有一定的晶体学位向关系。,透射电镜下的-碳化物形貌,第一节 碳钢回火时的组织转变,用透射电子显微镜观察-碳化物，它是长度约为100nm的条状薄片，经分辨率更高的显微镜在暗场下观察，薄片是由许多直径为5nm的小粒子组成。,第一节 碳钢回火时的组织转变,回火时，片状马氏体的分解往往分为两个阶段。,第一阶段：80150回火时，由于活动能力很低，碳原子只能在很短距离内扩散。微小的-碳化物析出后，只是周围局部马氏体贫碳，远处马氏体的碳浓度不变。这样马氏体

7、就变成了浓度不同的“二相”，故称为二相式分解。,第一节 碳钢回火时的组织转变,第二阶段：约在150350回火时，由于碳原子可以作较长距离扩散，随着-碳化物析出和长大，马氏体的碳浓度持续不断地降低，因此称为连续式分解。直至350左右，相的碳含量达到平衡浓度，正方度趋于1，而至此马氏体的分解基本结束。,马氏体的二相式分解（a）和连续式分解（b）示意图,第一节 碳钢回火时的组织转变,高碳钢在350 以下回火时，马氏体分解而形成的相和弥散的-碳化物组成的复相组织称回火马氏体，用M回表示。,第一节 碳钢回火时的组织转变,其中相仍保持针片状形态，但由于M回是两相组成物，较淬火马氏体易腐蚀，故在金相显微镜下

8、呈黑色针状。,回火马氏体,第一节 碳钢回火时的组织转变,低碳钢（0.2%C）的板条马氏体在淬火时已发生了自回火，绝大部分碳原子都偏聚到位错线附近，所以在200 以下回火时没有-碳化物的析出。,2、板条马氏体,第一节 碳钢回火时的组织转变,三、残余奥氏体的转变,含碳量0.4%的碳钢淬火后，组织中含有一定量的残余奥氏体，在250300温度范围回火时，这些残余奥氏体将发生分解，形成低碳马氏体和-碳化物，即回火马氏体。回火温度越高，残余奥氏体的数量减少。,第一节 碳钢回火时的组织转变,1.0%C, 4.0%Cr钢的两种奥氏体C曲线,残余奥氏体与过冷奥氏体并无本质区别，它们的C曲线也很相似，转变温度区间

9、也大致相同，只是两者所处的物理状态不同，致使转变的速度有所差异。Cr的两种奥氏体C曲线如右图。,第一节 碳钢回火时的组织转变,1.0%C, 4.0%Cr钢的两种奥氏体C曲线,可见，残余奥氏体贝氏体速度，而残奥珠光体速度。在珠光体形成温度范围内回火，残余奥氏体先析出先共析碳化物，随后分解为珠光体；在贝氏体形成温度区间回火，残余奥氏体将转变为贝氏体。在珠光体和贝氏体两种转变之间，存在一个残余奥氏体的稳定区。,第一节 碳钢回火时的组织转变,四、碳化物类型的转变,在250400温度范围回火时，马氏体中的过饱和碳原子几乎全部脱溶，并形成比-碳化物更稳定的碳化物。,第一节 碳钢回火时的组织转变,回火温度升

10、高到250以上，在碳浓度大于0.4%的马氏体中，-碳化物逐渐溶解，同时沿（112）晶面析出-碳化物（又称Hagg碳化物），其分子式为Fe5C2，具有单斜晶格。 -碳化物呈小片状平行地分布于马氏体片中，与母相有共格界面，并保持一定的位向关系。,第一节 碳钢回火时的组织转变,-碳化物与-碳化物的惯习面不同，说明-碳化物不是由-碳化物直接转变来的，而是通过-碳化物溶解，并在其它地方重新形核、长大的方式形成的，通常称为“离位析出”。 随着回火温度的升高，除了析出-碳化物以外，还同时析出-碳化物，-碳化物即为Fe3C。, -碳化物的惯习面有两组：,第一节 碳钢回火时的组织转变,（112）晶面，与-碳化物

11、的惯习面相同，说明这一组碳化物是直接由-碳化物转变来的，即“原位析出”。 （100）晶面，与-碳化物的惯习面不相同，说明这一组碳化物不是直接由-碳化物转变来的，而是 -碳化物首先溶解，然后在其它地方重新形核、长大，以“离位析出”的方式形成的，,淬火高碳钢（1.34%C）回火时碳化物转变温度和时间的关系,第一节 碳钢回火时的组织转变,刚形成的-碳化物与母相保持共格关系，当其长大到尺寸时，共格关系被破坏， -碳化物即独立析出。回火温度与时间对淬火碳钢中碳化物的变化的影响如下。,第一节 碳钢回火时的组织转变,淬火高碳钢（1.34%C）回火时碳化物转变温度和时间的关系,由图可见，随着回火时间的延长，碳

12、化物转变温度逐渐降低。 注：碳含量0.4的马氏体回火时不形成-碳化物， 碳含量0.4的马氏体回火时不析出 -碳化物，而是直接形成-碳化物。,第一节 碳钢回火时的组织转变,当回火温度升高到400，淬火马氏体完全分解，但相仍保持针状外形，而碳化物全部转变为,回火托氏体,-碳化物，这种由针状相和与其无共格关系的细小粒状或片状渗碳体组成的机械混合物称为回火托氏体。,第一节 碳钢回火时的组织转变,五、渗碳体的聚集长大和 相的回复、再结晶,当回火温度升高到400以上时，析出的渗碳体逐渐聚集，片状渗碳体的长/宽比逐渐缩小并球化，最终形成粒状渗碳体。当回火温度600时，粒状碳化物将迅速团聚并粗化，碳化物的球化

13、长大过程是按照小颗粒溶解、大颗粒长大的机制进行的。,第一节 碳钢回火时的组织转变,由于淬火马氏体晶粒的形状为非等轴状，而且晶内的位错密度很高，与冷变形金属相似，所以在回火过程中也发生回复与再结晶。,第一节 碳钢回火时的组织转变,板条马氏体的回复过程主要是相中的位错胞及胞内位错线的逐渐消失。晶内位错密度降低，剩下的位错将重新排列成二维位错网络，相晶粒被位错网络分割成许多亚晶粒。回火温度高于400时，相已开始发生明显的回复，回复后相仍具有板条特征。当回火温度600时，相发生再结晶，由位错密度很低的等轴状新晶粒逐渐取代板条状晶粒。,对于片状马氏体，当回火温度高于250时，马氏体中孪晶亚结构逐渐消失，

14、出现位错网络。当回火温度400时，孪晶全部消失，相发生回复。当回火温度超过600时，相发生再结晶，其过程与板条马氏体的变化相同。,第一节 碳钢回火时的组织转变,第一节 碳钢回火时的组织转变,在回火过程中，当温度达350时，由于碳原子从相中的析出已基本完成，第三类内应力被消除； 当温度超过350后，由于相发生回复，使第二类内应力迅速下降，至500时基本消除； 当回火温度达到500600时，第一类内应力接近全部消除。,淬火钢在500600回火时，渗碳体团聚成较大颗粒，同时马氏体的针状形态消失，形成多边形铁,回火索氏体,素体，这种铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火索氏体，用S回表示。,第一节

15、碳钢回火时的组织转变,第二节 合金元素对回火转变的影响,合金元素可提高耐回火性：当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。,第二节 合金元素对回火转变的影响,一、合金元素对马氏体分解的影响,对于马氏体分解第一阶段不发生显著影响。 对于马氏体分解第二阶段有显著影响。合金元素影响了碳化物颗粒的聚集速度，从而影响了相碳含量的降低。 （1）非碳化物形成元素（Ni）、弱碳化物形成元素（Mn）与C的结合力与Fe相当，所以对马氏体分解无明显影响。,第二节 合金元素对回火转变的影响,（2）强碳化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Ti等）与C的结合力强于Fe，增大了C原

16、子在马氏体中扩散的激活能，阻碍了C原子在马氏体中的扩散，所以减慢了马氏体分解的速度。 （3）非碳化物形成元素Si和Co能够溶解到-FexC中，使-FexC稳定，也减缓了碳化物的聚集，从而推迟了马氏体的分解。,第二节 合金元素对回火转变的影响,合金钢中马氏体的分解终了温度可延续到350500，在含Ti、V、W、Mo的钢中，即使在较高温度下回火，仍可使相保持一定的饱和碳浓度和细小的碳化物，从而保持高的硬度和强度。 合金元素阻碍相中碳含量的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，称为抗回火性或回火稳定性。,第二节 合金元素对回火转变的影响,二、合金元素对残余奥氏体转变的影响,合金钢中残

17、余奥氏体的转变情况与碳钢基本相似，但合金元素可以改变残余奥氏体分解的温度、速度，从而可能对其转变的性质、类型发生影响。 在Ms点以下温度回火，残余奥氏体先转变为马氏体，而后马氏体分解为回火马氏体。,第二节 合金元素对回火转变的影响,残余奥氏体在贝氏体形成区域等温转变为贝氏体。 残余奥氏体在珠光体形成区域等温转变为珠光体。 残余奥氏体在回火加热、保温过程中不发生分解，而在随后的冷却过程中转变为马氏体。,在Ms点以上温度回火，对于残余奥氏体比较稳定的钢可以发生如下转变：,第二节 合金元素对回火转变的影响,三、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并不影响，但可

18、以改变碳化物转变的温度范围。,非碳化物形成元素Si，可以使不仅提高了马氏体分解终了温度，也明显提高了-碳化物转变为-碳化物的温度。其它非碳化物形成元素Cu、Ni、Co、Al等对碳化物转变的影响的程度较Si小得多。,第二节 合金元素对回火转变的影响,碳化物形成元素Cr、Mn加入钢中，有延缓碳化物溶解、C扩散及渗碳体析出的作用，因而也延缓了碳化物转变，其中Cr的影响比Mn更强。 Mo、V、W、Ti等强碳化物形成元素都明显推迟发生碳化物抗回火性能。,第二节 合金元素对回火转变的影响,对于含有强碳化物形成元素的合金钢，当回火已经形成渗碳体之后，继续提高回火温度，会发生渗碳体向其它类型特殊碳化物转变的现

19、象，即形成更稳定的合金碳化物。,通过对-碳化物溶解、 C扩散及碳化物转变发生影响，常用合金元素的加入，通常都会提高碳化物聚集长大的温度。同一温度下回火，合金钢中碳化物颗粒尺寸比碳素钢小。,第二节 合金元素对回火转变的影响,合金钢回火时形成的特殊碳化物,第二节 合金元素对回火转变的影响,回火时特殊碳化物的形成有两种途径：,原位转变：碳化物形成元素在渗碳体中富集，当其浓度超过溶解度时，渗碳体的点阵就改组成特殊碳化物点阵。低Cr钢（4%Cr）的碳化物转变就属于这种情况。,第二节 合金元素对回火转变的影响,独立成核长大：直接从相中析出特殊碳化物晶核同时伴随着合金渗碳体的溶解。含有强碳化物形成元素V、T

20、i、Nb、Ta等合金钢以及高Cr钢（37%Cr）的碳化物转变就属于这种情况。 当钢中含有多种合金元素时，回火过程中碳化物转变更趋于复杂。但不论如何合金钢中碳化物的转变是与碳及合金元素在相和碳化物中重新分配密切联系的。,第二节 合金元素对回火转变的影响,四、合金元素对回火时相回复、再结晶的影响,当钢中含有某些合金元素时，有阻碍钢在回火时各类畸变消除的作用，而且一般都推迟了相的回复、再结晶和碳化物聚集过程，从而抑制了钢的硬度、强度降低，增高了钢的回火稳定性。,第二节 合金元素对回火转变的影响,Ni含量较低时，对相的回复、再结晶没有影响，Si和Mo提高了相的再结晶温度。 含Mo、V、W、Ti等强碳化

21、物形成元素的合金钢在高温回火时，形成特殊碳化物，其颗粒细小，又与相保持共格关系，从而使相保持较高的碳过饱和度，显著地延迟了相的回复和再结晶回复、再结晶，使钢的硬度、强度保持在较高水平，具有很高的回火稳定性。,第二节 合金元素对回火转变的影响,五、回火时的二次淬火和稳定化、催化现象,当回火温度处于贝氏体和珠光体区之间的奥氏体亚稳定区时，残余奥氏体可以不发生分解，而在随后的冷却中转变为马氏体，这种在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为 “二次淬火” 。 高碳合金钢零件在淬火后常常具有较多的残余奥氏体，故易产生二次淬火现象。二次淬火可提高工件的硬度、耐磨性和尺寸稳定性。,第二节 合金元素对回火

22、转变的影响,第二节 合金元素对回火转变的影响,出现二次淬火现象时产生的马氏体量的多少与回火工艺有关。 如果回火时二次淬火的马氏体点Ms比原来的Ms点高，产生的二次马氏体量就较多，这种现象称为“催化”。 反之，如果二次淬火的Ms低于Ms点，产生的二次马氏体量就比较少，这种现象称为“稳定化”。,第二节 合金元素对回火转变的影响,高速钢W18Cr4V在不同回火工艺下出现催化和稳定化现象的情况为：,560回火时，Ms高于原Ms点，产生催化作用。 250回火时，Ms低于原Ms点，产生稳定化作用。 先加热到560保温，冷到250再停留一段时间，而后冷却到室温，也产生稳定化作用。,W18Cr4V钢经560回

23、火1h后在较低温度停留对参与奥氏体稳定化程度Ms 的影响,第二节 合金元素对回火转变的影响,因此，高速钢W18Cr4V在回火时的催化和稳定化具有可逆的特性。 W18Cr4V的残留奥氏体稳定化,560回火时Ms=189 ,程度（Ms点降低度数Ms）随温度的降低和时间的延长而增大。,第二节 合金元素对回火转变的影响,六、回火时的二次硬化现象,某些合金钢在一定温度范围回火时，按独立成核方式形成了特殊碳化物，其弥散度极高，又与相保持共格联系，使得钢硬度反而比在较低温度回火时有所升高，这种现象称为 “二次硬化”。 只有在一定温度下才能析出特殊碳化物而产生 二次硬化现象。,第二节 合金元素对回火转变的影响

24、,含W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等元素的合金钢淬,火回火时都可以发生二次硬化现象。淬火W18Cr4V钢在300回火的硬度值最低，而在560回火出现高硬度峰，产生二次硬化。,第二节 合金元素对回火转变的影响,现象是由二次淬火现象引起的，但即使在残余奥氏体量大大减少的情况下仍出现的硬度峰值，说明AM转变不是其根本原因。,有人认为，高速钢回火时出现的硬度不降反升的,高速钢,第二节 合金元素对回火转变的影响,电子显微镜观察证实，二次硬化是由于形成了极细小的特殊碳化物（如Mo2C、W2C、VC、TiV、,NbC等）引起的，这些碳化物是在位错区沉淀而产生的，同时伴随渗碳体的溶解，其形态常常呈丝状或极细针

25、状。,第二节 合金元素对回火转变的影响,从机理上分析，对二次硬化作出贡献的因素有：特殊碳化物的弥散度、相中高密度的相变诱发位错、碳化物与相的共格畸变、由于碳化物弥散细小而引起相的碳固溶量增大和弥散碳化物钉扎位错等。 继续升高温度，特殊碳化物长大，弥散度减小，共格关系逐渐破坏，畸变消失，位错密度下降，导致硬度迅速降低，这种现象称为 “过时效” 。,第二节 合金元素对回火转变的影响,氏体与马氏体一样，也会出现二次硬化现象，相比于贝氏体较低的原始硬度，回火后的二次硬化量更大。,当钢中含有能产生二次硬化的合金元素时，贝,第二节 合金元素对回火转变的影响,为提高二次硬化的效果，可考虑采取如下途径：,增加

26、钢中的位错密度，如在奥氏体再结晶温度以下进行塑性变形。 添加Co、Al、Si等元素，抑制特殊碳化物中合金元素的扩散，减慢过时效现象的发生。,经不同温度形变热处理3Cr2W8V钢回火温度对硬度的影响,变形度4550%，回火时间1h,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,40钢力学性能与回火温度的关系,淬火钢回火时，随着回火温度的变化，其强度、硬度和塑性、韧性都将发生相应的变化。,淬火钢硬度随回火温度的变化,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,一、硬度,淬火钢回火时的硬度变化规律如右图，总的变化趋势是随着回火温度的升高，钢的硬度持续下降。,第三节 淬火钢回火时力学

27、性能的变化,淬火钢硬度随回火温度的变化,含碳量0.8%钢在100左右回火时，硬度反而略有升高，这是由于碳原子的偏聚和-碳化物析出产生了弥散强化。 200300回火时硬度下降平缓。这是由于M分解使硬度降低，而A残转变为B下或M回使硬度上升。,淬火钢硬度随回火温度的变化,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,回火温度300，-碳化物转变为渗碳体，共格关系破坏，渗碳体的聚集长大，使硬度呈直线下降。 合金元素能在不同程度减小回火时硬度下降的趋势,提高回火稳定性。强碳化物形成元素还可在高温回火时析出弥散的特殊碳化物而使钢的硬度再次升高二次硬化。,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,二、强度与塑性,随着回火

28、温度的升高，淬火钢时的强度b、s不断下降；而塑性、 不断升高，且在400时升高最显著；在350左右回火时弹性极限e达到极大值。,第三节 淬火钢回火时力学性能的变化,b,s,e,b,s,e,b,s,e,脆断,脆断,HRC,HRC,HRC,淬火钢拉伸性能与回火温度的关系,第四节 回火脆性,第四节 回火脆性,淬火钢回火时，其冲击韧性变化的总趋势是随着回火温度而增大，但是，在某一温度区间回火可能出现冲击韧性显著降低的现象，即产生了回火脆性。,回火脆性,第四节 回火脆性,中碳Ni-Cr钢冲击韧性与回火温度的关系,快冷 慢冷,中碳镍铬钢淬火后在250400回火及450650回火（回火后慢冷）时，出现两种脆化现象，前者称第一类回火脆性或低温