鋼的回火轉變及回火1第1頁，課件共41頁，創作于2023年2月將淬火鋼或鑄鐵加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。

淬火鋼的組織是亞穩態，在性能上的表現是塑性、韌性低，內應力大，脆性大，變形、開裂傾向大，往往不能滿足實際應用要求，因此淬火鋼必須回火，以消除內應力、防止變形或開裂，并獲得穩定的組織和所需性能。

2第2頁，課件共41頁，創作于2023年2月第一節淬火鋼回火時的組織轉變

淬火鋼在熱力學上具有從非平衡態想平衡態轉變的自發傾向。平衡態與非平衡態的自由能差提供了這種轉變的熱力學驅動力，但動力學上十分緩慢。Ac1臨界點以下的加熱回火，將使得動力學轉變明顯。

1）碳原子偏聚—回火預備階段（25~100oC以下）2）馬氏體分解—回火第一階段（100~250oC）3）殘余奧氏體的轉變—回火第二階段（200~300oC）4）滲碳體的形成—回火第三階段（250~400oC）5）α相的回復再結晶和滲碳體的聚集長大—回火第四階段（400oC以上）3第3頁，課件共41頁，創作于2023年2月1.碳原子的偏聚

在回火的預備階段，即25~100oC范圍內，將發生碳原子的偏聚。低碳板條馬氏體中碳原子主要偏聚在位錯的張應力區；高碳片狀馬氏體的碳原子主要偏聚在孿晶面等一定晶面上。

4第4頁，課件共41頁，創作于2023年2月

ε碳化物時從過飽和固溶體中析出的亞穩碳化物，可以保持到300oC以上。2.馬氏體的分解

在回火的第一階段100~250oC范圍，中高碳馬氏體將分解為由含碳量過飽和的ω(C)=0.2~0.3%的α相和與之共格的ε亞穩碳化物組成的回火馬氏體；ω(C)≤0.2%的低碳馬氏體不發生馬氏體分解，碳原子將繼續偏聚而不析出。

。

5第5頁，課件共41頁，創作于2023年2月高碳馬氏體的分解：

1）高碳馬氏體的雙相分解

回火溫度在125~150oC以下，高碳馬氏體以雙相分解的方式進行分解。隨著ε?Fe2.4C碳化物的不斷析出，出現兩種正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原始碳含量且未分解的馬氏體α相以及具有低正方度的已析出部分碳的α相。在分解過程中，始終存在這兩種含碳量不同的α相，且兩種相的含碳量不發生改變。

6第6頁，課件共41頁，創作于2023年2月

2）高碳馬氏體的單相分解

回火溫度在150~300oC范圍內，碳原子活動能力提高，能進行較長距離的擴散。因此隨著回火保溫時間延長，ε碳化物可以從較遠處獲得碳原子而長大，馬氏體的碳濃度連續不斷下降，不會出現兩種碳濃度截然不同的α相，即所謂的連續式分解。

低碳馬氏體的分解：含碳量低于0.2%的板條馬氏體在100~200oC之間回火時沒有ε碳化物析出，碳原子仍然偏聚在位錯線附近。當回火溫度超過200oC時，才有可能通過單相分解析出碳化物。7第7頁，課件共41頁，創作于2023年2月中碳鋼馬氏體的分解：中碳鋼在正常淬火時得到低碳板條位錯馬氏體與高碳片狀孿晶馬氏體的混合組織，因此回火時也兼具低碳馬氏體與高碳馬氏體的分解特征。

隨著回火溫度升高，固溶于體心正方馬氏體中的過飽和碳不斷以彌散微小的亞穩碳化物的形式析出，使得馬氏體的碳含量不斷下降，最終變成體心立方馬氏體。8第8頁，課件共41頁，創作于2023年2月3.殘余奧氏體的轉變

在回火的第二階段，即200~300oC范圍內，將發生殘余奧氏體的轉變。含碳量大于0.4%的鋼中的殘余奧氏體或者在Ms點以上溫度范圍內轉變為下貝氏體，或者在Ms以下的溫度范圍內轉變為馬氏體。含碳量低于0.4%的鋼淬火后不出現殘余奧氏體，因而不存在殘余奧氏體轉變問題。

9第9頁，課件共41頁，創作于2023年2月4.滲碳體的形成在回火的第三階段，即250~400oC范圍內，將有滲碳體（θ碳化物）形成，α相的含碳量逐漸降至0.1%以下，位錯重新排列，密度下降，孿晶逐漸消失，但仍保持馬氏體外形。

碳含量低于0.2%的低碳馬氏體200oC以上回火時，將在碳偏聚區直接析出θ碳化物；

高碳馬氏體在250oC以上回火時，將通過ε碳化物和χ碳化物等亞穩碳化物的轉化，在(112)a’和(110)a’晶面上及馬氏體晶界上形成穩定的碳化物（θ碳化物）。

10第10頁，課件共41頁，創作于2023年2月5.α相回復再結晶和碳化物的聚集長大在回火的第四階段，即高于400oC范圍內，α相基體將發生回復和再結晶，片狀滲碳體也將逐漸球化并聚集長大，殘余內應力大幅度消失。

隨回火溫度升高，碳化物不斷析出，致使α固溶體的含碳量接近于平衡，即鐵素體開始回復。回復過程中，位錯通過滑移和攀移而消失，位錯密度下降，剩余位錯重新排列形成二維位錯網，構成亞晶粒的晶界。

回火溫度高于

500oC

以后，α相含碳量達到平衡，鐵素體由板條或片狀逐漸轉變為等軸晶粒，此為鐵素體的再結晶。

11第11頁，課件共41頁，創作于2023年2月當回火溫度高于600oC時將發生再結晶而使片狀特征消失，形成多邊形的鐵素體，此時滲碳體也聚集成較大的顆粒。

當回火溫度升高至400oC以上時，已脫離共格關系的滲碳體開始明顯地聚集長大，最終形成粒狀滲碳體。高于600oC回火時，細粒狀滲碳體迅速聚集粗化。12第12頁，課件共41頁，創作于2023年2月13第13頁，課件共41頁，創作于2023年2月第二節碳鋼回火后的力學性能淬火鋼回火后，隨回火溫度不同，其機械性能將發生變化，這是顯微組織變化的結果。由右圖可見，不同碳含量鋼隨著回火溫度升高，鋼的硬度連續降低。但高碳鋼在100oC左右回火時，硬度略有提高。高碳鋼低溫會后峰值的出現是由于碳原子的偏聚和ε碳化物的共格析出造成的。14第14頁，課件共41頁，創作于2023年2月三種不同碳含量的鋼隨著回火溫度升高，強度和硬度都下降，但延伸率和斷面收縮率則提高。15第15頁，課件共41頁，創作于2023年2月第三節合金元素對回火轉變的影響

合金元素對鋼的回火轉變以及回火后的組織和性能都有很大影響，可歸納為：1）延緩鋼的軟化，提高鋼的回火抗力；2）引起二次硬化現象；3）影響鋼的回火脆性。16第16頁，課件共41頁，創作于2023年2月1.回火抗力的提高

鋼抵抗回火硬度降低的能力成為回火抗力。合金元素一般都能提高鋼的回火抗力。

由圖可見，在回火溫度和時間相同情況下，合金鋼回火后的硬度要比含碳量相同的碳鋼高，表明合金元素提高了剛的回火抗力。17第17頁，課件共41頁，創作于2023年2月

合金元素提高回火抗力的原因包括以下幾點：

1）大多數合金元素（特別是強碳化物形成元素）降低碳原子的擴散速度，從而降低馬氏體的分解速度；2）有的非碳化物形成元素（如Ni,P等）溶入馬氏體增強固溶強化作用，使得馬氏體不易分解；3）有的非碳化物形成元素（如Si,Co等）溶入ε碳化物使之更穩定，推遲其向滲碳體的轉變；4）有的碳化物形成元素（如Cr等）溶入滲碳體使之不易聚集長大，有的碳化物形成元素（如Mo,W,V,Ti,Nb）等形成細小特殊合金碳化物使硬度提高。18第18頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.二次淬火

當鋼中存在較多合金元素時，淬火后將產生大量殘余奧氏體。如果回火保溫時殘余奧氏體沒有分解，在隨后的冷卻中，殘余奧氏體將轉變為淬火馬氏體，這一現象稱為二次淬火。

奧氏體熱穩定化可以通過回火加以消除。將淬火零件加熱到某一溫度進行回火，如在回火過程中殘余奧氏體未發生分解，則在回火后的冷卻過程中殘余奧氏體將轉變為馬氏體，即回火使得殘余奧氏體恢復了轉變為馬氏體的能力。這一現象稱為反穩定化或催化。19第19頁，課件共41頁，創作于2023年2月

W18Cr4V高速鋼在淬火冷至室溫過程中，將產生奧氏體熱穩定化，Ms點降低到室溫以下，殘余奧氏體可高達23%。淬火后在560oC回火，回火溫度正處于高速鋼的珠光體與貝氏體轉變之間的奧氏體穩定區，故在回火時殘余奧氏體不分解，但在回火冷卻過程中部分殘余奧氏體將轉變為淬火馬氏體，同時前一次回火形成的二次淬火馬氏體得到回火。3~4次560oC每次1h的回火即可使殘余奧氏體全部轉變為馬氏體。20第20頁，課件共41頁，創作于2023年2月3.二次硬化

一些高合金鋼在一次或多次回火后硬度上升的現象，稱為二次硬化。二次硬化主要是由于碳化物的彌散析出所致，殘余奧氏體轉變為馬氏體或貝氏體的二次淬火也起到了重要作用。21第21頁，課件共41頁，創作于2023年2月

二次硬化效應的大小取決于引起二次硬化的合金碳化物的種類、數量、大小和形態。

有明顯二次硬化效應的合金碳化物是M2C和MC型碳化物。Mo,W,V,Ti,Nb等元素均能形成M2C和MC型碳化物，故有明顯的二次硬化效應。

能夠引起二次硬化的合金碳化物的量決定于馬氏體的成分。

合金碳化物越細小越穩定，則強化效應越大。

同時加入多種碳化物形成元素可使析出顆粒更小，密度更大，而所用合金元素總量還有所下降。22第22頁，課件共41頁，創作于2023年2月4.合金鋼回火時碳化物的轉變合金鋼淬火馬氏體回火時，隨著回火溫度的升高或回火時間的延長，碳原子也會從馬氏體中不斷析出形成亞穩碳化物，逐漸轉變為滲碳體；與此同時，合金元素將在α

基體和滲碳體之間重新分配，非碳化物形成元素不斷向α

相中富集，碳化物形成元素不斷向滲碳體中擴散，使滲碳體逐漸轉變為合金滲碳體。

合金鋼淬火馬氏體回火時碳化物的轉變順序可能為：

ε

碳化物→滲碳體→合金滲碳體→亞穩特殊碳化物→穩定合金碳化物。23第23頁，課件共41頁，創作于2023年2月合金鋼回火時能否形成亞穩特殊碳化物和特殊碳化物以及形成何種亞穩特殊碳化物和特殊碳化物，取決于所含合金元素的性質和含量、碳或氮的含量以及回火溫度和時間等條件。24第24頁，課件共41頁，創作于2023年2月（4）多元合金馬氏體的脫溶比較復雜，難以理論處理。回火時特殊碳化物也是按照原位轉變和獨立核長大兩種機制轉變的。25第25頁，課件共41頁，創作于2023年2月第四節回火脆性回火脆性：工件淬火后在某些溫度區間回火產生的脆性。鋼在淬火后進行回火的目的是降低脆性，提高韌性。但隨回火溫度的升高，強度和硬度的降低，鋼的沖勁韌度并不是單調上升。在200~350oC之間和450~650oC之間出現兩個低谷。在這兩溫度區間回火，硬度下降，同時沖擊韌度不但未升高，反而顯著下降。

26第26頁，課件共41頁，創作于2023年2月1.第一類回火脆性

1）第一類回火脆性的主要特征及影響因素

工件淬火后在200~350oC回火時產生的脆性稱為第一類回火脆性，又稱不可逆回火脆性、低溫回火脆性。

如果出現第一類回火脆性后再加熱到更高溫度回火，可以將脆性消除，使沖勁入讀重新升高。此時若在200~350oC溫度范圍內回火時將不再產生這種脆性，因此第一類回火脆性是不可逆的。27第27頁，課件共41頁，創作于2023年2月第一類回火脆性的特點是：1）只要在此溫度內回火，其韌性的降低是無法避免的；2）具有不可逆性，即將已產生這種脆性的工件愛更高溫度回火后，其脆性消失。再在此溫度回火，脆性將不會重現；3）脆性出現同時，不會影響其它力學性能變化。

幾乎所有鋼都存在第一類回火脆性。28第28頁，課件共41頁，創作于2023年2月影響第一類回火脆性的主要因素是化學成分：1）有害雜質元素，包括S,P,As,Sn,Sb,Cu,N,H,O等；2）促進第一類回火脆的元素，如Mn,Si,Cr,Ni,V,C等；3）減弱第一類回火脆性的元素，如Mo,W,Ti,Al等。

除了化學成分外，影響第一類回火脆性的因素還有奧氏體晶粒的大小以及殘余奧氏體量的多少。奧氏體晶粒越細，第一類回火脆越弱；殘余奧氏體量越多則越嚴重。29第29頁，課件共41頁，創作于2023年2月

2）第一類回火脆性形成機理

目前對第一類回火脆性的形成機理的認識尚未完全統一。三種理論：片狀碳化物沉淀理論；雜質元素晶界偏聚理論；殘余奧氏體薄膜分解理論，三種理論各有自己的實驗證據支持。

一般認為，第一類回脆性主要是由于馬氏體復分解所形成的χ-Fe5C2和θ-Fe3C片狀碳化物薄膜沿板條馬氏體的條界、束界和群界或在片狀馬氏體的孿晶帶和原奧氏體晶界上析出所導致。

雜質元素P,Sn,Sb,As等偏聚晶界，促進了回火脆性的發展。30第30頁，課件共41頁，創作于2023年2月3）防止或減輕第一類回火脆性的方法

目前尚不能完全消除第一類回火脆性，減輕第一類回火脆性的方法包括：

1）降低鋼中雜質元素含量；2）用Al脫氧或加入Nb,Ti,V等元素細化奧氏體晶粒；3）加入Mo,W等能減輕第一類回火脆性的合金元素；4）加入Cr,Si以調整發生第一類回火脆性的溫度范圍，使之避開所需的回火溫度；5）采用等溫淬火代替淬火加高溫回火。31第31頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.第二類回火脆性

含有Cr,Mn,Cr-Ni等元素的合金鋼工件淬火后，在脆化溫度區（450~650oC）回火，或在更高溫度回火后緩慢冷卻所產生的脆性，稱為第二類回火脆性，又稱可逆回火脆性、高溫回火脆性。1）第一類回火脆性的主要特點

第一個特點是第二類回火脆性的產生與回火后的冷卻速度有關。回火后如果快冷（水冷或油冷），不出現回火脆性，如果慢冷（空冷），則出現回火脆性。

32第32頁，課件共41頁，創作于2023年2月第二個也是最重要的特點是第二類回火脆性的過程可逆。如果將已出現第二類回火脆性的鋼重新加熱回火并快速冷卻到室溫，則可以消除回火脆性，使沖擊韌度升高，恢復到韌化狀態。如果將回火脆性已消除的鋼重新在第二類回火脆性溫度范圍內加熱回火并緩慢冷卻，那么它又會再次脆化，這就是第二類回火脆性稱為可逆回火脆性的原因。

第三個特點是出現第二類回火脆性時，斷口呈沿晶斷裂。這表明第二類回火脆性與原奧氏體晶界上存在的某些雜質元素有密切關系。

33第33頁，課件共41頁，創作于2023年2月

2）影響第二類回火脆性的因素1）化學成分影響

雜質元素，如P,Sn,Sb,As,B,S等，第二類回火脆主要是由這些雜質元素引起的。但當鋼中不含Ni,Cr,Mn,Si等合金元素時，這些雜質元素的存在不會引起第二類回火脆性。

促進第二類回火脆性的合金元素，如Ni,Cr,Mn,Si,C等。這些元素單獨存在時也不會引起第二類回火脆性，必須與雜質元素同時存在才會引起第二類回火脆性。

扼制第二類回火脆性的元素，如Mo,W,V,Ti。往鋼中加入這類元素可以扼制和減輕第二類回火脆性。34第34頁，課件共41頁，創作于2023年2月2）熱處理工藝參數的影響

回火溫度一定時，隨等溫時間延長，脆化程度增加。

第二類回火脆性不僅與回火溫度及時間有關，更主要的是與回火后的冷速有關。緩冷使得脆性增加。3）組織因素的影響

不論鋼具有何種原始組織均有第二類回火脆性。馬氏體的回火脆性最嚴重，貝氏體次之，珠光體最輕。

第二類回火脆性與奧氏體晶粒度有關，奧氏體晶粒越細，第二類回火脆性越輕。35第35頁，課件共41頁，創作于2023年2月

3）第二類回火脆性形成機理

一般認為，第二類回火脆性是由P,Sn,Sb和As等各種雜質在晶界的偏聚所引起的，Mn,Cr,Ni等合金元素則導致了雜質元素的偏聚。

鋼呈現第二類回火脆性時，沿原奧氏體晶界的極薄層內偏聚了某些合金元素以及雜質元素，且回火脆化傾向隨雜質元素在原始奧氏體晶界上偏聚程度的增大而增大。36第36頁，課件共41頁，創作于2023年2月促進第二類回火脆性的合金元素與雜質元素的親和力適中，在回火時其本身也向晶界偏聚，同時將雜質元素帶至晶界，引起脆化；抑制第二類回火脆性的合金元素與雜質親和力很大，在晶內就形成穩定的化合物而析出，故能起到凈化晶界的作用而抑制回火脆性的發生；若合金元素與雜質元素親和力不大，即使其向晶界偏聚，也不會將雜質元素帶至晶界，故不會引起脆化。這就是雜質晶界偏聚理論。37第37頁，課件共41頁，創作于2023年2月4）防止和減輕第二類回火脆性的方法

1）選用高純度鋼，降低鋼中雜質元素含量；2）用加入適量的能扼制第二類回火脆性的合金元素Mo,W等；3）加入能細化奧氏體晶粒的元素，如Nb,V,Ti等，細化奧氏體晶粒，增加晶界面積，減低單位面積雜質元素偏聚量；4）避免在4