原理第9.2章 钢在回火时的转变.ppt

第六章 钢在回火时的转变钢在淬火后所得组织因工艺不同是有所差别的：完全淬火的组织为：马氏体+残余奥氏体；不完全淬火的组织为：马氏体+残余奥氏体+贝氏体+碳化物+先共析铁素体等这些组织在A1以下都是不稳定组织，同时在相变过程中要产生组织应力、热应力等最终的稳定状态为铁素体+渗碳体回火的目的就是为了提前解决这些不稳定因素，避免在使用过程发生这类变化回火的目的：1、为了获得我们所需要的组织和性能；2、消除应力，稳定组织，稳定尺寸，降低脆性第六章 钢在回火时的转变一、淬火碳钢回火时组织转变碳素钢淬火后在不同温度下回火时，组织将发生不同的变化由于组织变化会带来物理性能的变化，而不同的组织变化，物理性能的变化也不同通常根据物理性能的变化把回火转变分成四种类型第一类回火转变：M分解为回火M，80－250℃；第二类回火转变：残余A分解为回火M或B下，200－300℃；第三类回火转变：回火M转变为回火T（亚稳碳化物转变为稳定碳化物），250－400℃； 第四类回火转变：回火T转变为回火S（碳化物聚集长大，α再结晶），400－700 ℃第六章 钢在回火时的转变1、马氏体中碳原子偏聚（前期阶段，称预备阶段或时效阶段）回火温度在 80～100℃以下。

在此阶段，从金相组织和硬度上都观察不到有明显的变化，但此时在马氏体中将发生 C原子的偏聚（集团化）马氏体是 C在-Fe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隙位置，使晶体点阵产生严重的弹性变形，加之晶体点阵中的微观缺陷较多，因此使马氏体的能量较高，处于不稳定状态在室温附近，Fe 及合金元素原子都难以扩散迁移，但 C、N 等间隙原子尚能作短距离扩散当 C、N原子扩散到上述微观缺陷处后，将降低马氏体的能量因此处于不稳定状态的淬火马氏体在室温附近，甚至在更低温度下停留时，C、N原子可以作一定距离的迁移，出现 C、N原子向微观缺陷处的偏聚现象 第六章 钢在回火时的转变对于板条状马氏体，由于其亚结构为大量位错，C原子倾向于在位错线附近偏聚，形成 C的偏聚区，导致马氏体弹性畸变能下降由于马氏体中的 C原子分布在正常间隙位置时比偏聚在位错线附近时的电阻率高，因此可通过测定淬火钢的电阻率变化来间接地推测 C 原子的偏聚行为 用碳原子在晶体缺陷处偏聚的观点，能够较圆满地解释碳含量小于 0.2％时，马氏体不呈现正方度，为立方点阵结构，而当碳含量高于 0.2％时，才可能测出正方度的现象。

对于片状马氏体，由于其亚结构主要是孪晶，可被利用的低能量位错很少，因此除少量 C原子可以向位错偏聚外，大量 C原子可能在某些孪晶界面上富集，形成厚度和直径均小于 1nm 的小片状富碳区第六章 钢在回火时的转变图 6.1 淬火 Fe-C 合金电阻率与碳含量的关系 第六章 钢在回火时的转变2、马氏体分解（回火第一阶段转变） 在80－250℃内为马氏体分解阶段，得到的组织是回火马氏体马氏体是一种过饱和固溶体，随回火温度的升高，原子活动能力增强，由马氏体中析出的碳也就增加由于马氏体中碳含量的下降，将使点阵常数c下降，a升高，c/a下降，马氏体的硬度下降原马氏体中含碳量高，随回火温度的升高，马氏体中碳含量下降的幅度大，而含碳低的下降幅度小即碳含量越高，碳的析出速度越快结构分析证明，c/a随回火温度升高而下降，300 ℃左右时， c/a基本上等于1第六章 钢在回火时的转变1）高碳马氏体的分解实验测定高碳（1.4%C）马氏体的正方度与回火温度之间的关系，如表 6.1所示由表可见，回火温度低于 125℃时，相呈现两种正方度，而当回火温度高于125℃时，相的正方度只有一种，即只存在一种相，而且随回火温度升高，c/a逐渐减小，相中碳含量逐渐降低。

由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方式，即双相分解和单相分解 第六章 钢在回火时的转变表 6.1 高碳（1.4%C）马氏体正方度和碳含量及回火温度的关系 第六章 钢在回火时的转变（1）马氏体的双相分解 回火温度在 125～150℃以下，马氏体以双相分解方式进行分解此时，随着碳化物的析出，出现两种正方度不同的相，即具有高正方度的保持原始碳含量的未分解的马氏体以及具有低正方度的碳已部分析出的相随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种相的碳含量均不发生改变，只是高碳区愈来愈少，而低碳区愈来愈多 第六章 钢在回火时的转变马氏体双相分解示意图 第六章 钢在回火时的转变马氏体双相分解时碳的分布 第六章 钢在回火时的转变为什么会出现两种正方度？由于温度较低，碳原子扩散能力很弱，ε-FeXC在马氏体某些碳的富集区通过能量、结构和成分起伏形核，并向马氏体中长大在长大时，要吸收碳，所以碳化物附近的马氏体向其提供碳原子，而远离ε-FeXC的马氏体中碳原子保持不变这样在同一片马氏体出现了成分不同，而结构相同的两个区域，每个区域相当于一相，所以称之为两相分解合金元素对马氏体的两相式分解没有影响。

由马氏体中析出的ε-FeXC与基体保持共格联系，并有一定的惯习面{100}α，与马氏体保持下述位向关系：（0001）ε∥ （011 ）α ，[10-11] ε∥ [101] α第六章 钢在回火时的转变由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散，高碳区与低碳区之间的浓度差不易消失，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高碳区析出新的碳化物颗粒，并在其周围形成新的低碳区所以，随着分解过程的进行，高碳区愈来愈少，低碳区愈来愈多当高碳区完全消失时双相分解即告结束此时，相的平均碳含量亦降至 C1经过测定，低碳区的碳含量 C1与马氏体原始碳含量及分解温度均无关，为一 恒定值，约为 0.25%～0.30% 双相分解的速度与温度有关，温度愈高，分解速度就愈快 第六章 钢在回火时的转变（2）马氏体的单相分解回火温度高于125～150℃时，马氏体将以单相分解亦即连续分解方式进行分解此时，碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散因此，已经析出的碳化物有可能从较远区域获得碳原子而长大，相内的碳浓度梯度也可以通过碳原子的扩散而消除所以，在分解过程中不再存在两种不同碳含量的相，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 300℃时，正方度 c/a 接近 1，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 第六章 钢在回火时的转变2）低碳马氏体的分解低碳钢的 Ms点较高，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自回火，析出碳化物淬火后在 100～200℃之间回火时，低碳板条状马氏体不析出碳化物，C 原子仍然偏聚在位错线附近，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当回火温度高于 200℃时，才有可能通过单相分解析出碳化物，使基体中的碳含量降低中碳钢在正常淬火时得到板条位错马氏体与片状孪晶马氏体的混合组织，故回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征第六章 钢在回火时的转变综上所述，在此阶段，随着回火温度的升高，固溶于正方马氏体中的过饱和碳不断以微小-碳化物的形式析出，使马氏体的碳含量不断下降，最终变成立方马氏体，并且立方马氏体的碳含量与淬火钢的碳含量无关原始碳含量不同的马氏体，随着碳化物的不断析出，在高于 200℃以后其碳含量趋于一致马氏体经过分解后获得的立方马氏体加-碳化物的混合组织称为回火马氏体。

第六章 钢在回火时的转变不同碳含量马氏体回火时碳浓度的变化 第六章 钢在回火时的转变3、残余奥氏体转变（回火第二阶段转变） 回火温度在200-300℃时，将发生残余A的转变由于M转变的不完全性，特别是C > 0.4%的钢，淬火后会残留一部分奥氏体，随回火温度的升高，M的分解，使M对残余A的机械作用降低，同时Fe及C原子的活动能力加强，残余A将恢复转变的动力残余A可能转变为回火M或下B，即α和ε-FeXC的机械混合物其中α的C%与M在该温度下分解后的C含量相近，ε-FeXC也与不同温度下M分解或下B中的碳化物相似通常在MS以下回火残余A转变为M，然后分解为回火M，而在B转变区回火，残余A转变为下B第六章 钢在回火时的转变二次淬火 ：淬火时冷却中断或冷速较慢均将使奥氏体不易转变为马氏体而使淬 火至室温时的残余奥氏体量增多，即发生奥氏体热稳定化现象奥氏体热稳定化现象可以通过回火加以消除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”二次淬火现象的出现与否与回火工艺密切相关。

例如，淬火高速钢中存在大量的残余奥氏体，若加热到 560℃保温后，在冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体，即在 560℃保温过程中发生了某种催化，提高了残余奥氏体的 Ms点，增强了向马氏体转变的能力第六章 钢在回火时的转变4、碳化物析出与转变（回火第三阶段转变） 250-400℃时，碳素钢 M 中过饱和的C几乎全部析出，将形成比ε-FeXC更稳定的碳化物在回火过程中除ε-FeXC外，常见的还有两种：一种其组成与Mn5C2相近，称为χ碳化物，用χ-Fe5C2表示；另一种是渗碳体，称θ碳化物，用θ-Fe3C表示这两种碳化物的稳定性均高于ε-FeXC 第六章 钢在回火时的转变1）碳化物形成的方式碳化物的形成是通过形核长大方式进行的1）低C钢当回火温度高于200℃ ，直接由偏聚区析出θ-Fe3C，也有可能由M板条边界上析出2）高C钢低温回火时，M分解析出ε-FeXC， ε-FeXC与M保持共格联系，随ε-FeXC的长大将使母相的点阵畸变增大，当ε-FeXC长大到一定尺寸后，共格关系将被破坏，此时ε-FeXC将转变为更稳定的碳化物一般可在250℃以上出现此过程 第六章 钢在回火时的转变淬火高碳钢后火过程中的碳化物转变序列可能为 第六章 钢在回火时的转变（3）碳化物转变方式碳化物转变也是一个形核及长大过程，具有可分为两种类型，一是原位形核长大，另一是独立形核长大。

a、原位形核长大（原位转变）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b、独立形核长大（离位转变）原碳化物回溶到母相中，而新的、更稳定的碳化物在其他部位重新形核长大ε转变为χ或θ时只能按独立形核长大方式，而χ转变为θ时可以独立形核，也可以原位转变第六章 钢在回火时的转变2）温度及时间对碳化物转变的影响碳化物类型的转变与回火温度有关，随回火温度的升高，由亚稳定状态向稳定状态过渡另外，碳化物类型的转变与回火时间也有一定的关系，通常随回火保温时间的延长，碳化物类型的转变温度降低第六章 钢在回火时的转变3）碳化物的形态及分布ε-FeXC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M的孪晶界或M边界处随M的含碳量降低，薄片状碳化物减少研究表明，不论M的形态如何，在回火过程中，当回火温度较低时，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，分布在M的孪晶界或M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类回火脆性的原因之一通常在250-400℃回火的淬火M，所得到的组织为回火屈氏体，用T´表示 第六章 钢在回火时的转变5、相状态变化及碳化物聚集长大（回火第四阶段转变） 发生在400-700℃时的回火转变。

1）淬火应力的消除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通常分为三类：第一类内应力是区域性的；第二类内应力是晶粒内部晶胞之间；第三类内应力是晶胞内原子之间的(由C溶入引起)第六章 钢在回火时的转变回火时这些内应力，会随回火温度的升高而逐渐消除当回火温度达到300℃左右时，随M分解结束，第三类内应力基本消除当回火温度达到。