第九章 钢的回火转变及回火

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章,钢的回火转变及回火,1,第九章,钢的回火转变及回火,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.2,碳钢回火后的力学性能,9.3,合金元素对回火转变的影响,9.4,回火脆性,9.5,回火工艺,2,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,9.1.2,马氏体的分解,9.1.3,残余奥氏体的转变,9.1.4,渗碳体的形成,9.1.5,a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,3,9.1,淬火钢回火时的组织转变,(1),碳原子的偏聚,回火的预备阶段,(25100,以下,),(2),马氏体的分解,回火第一阶段,(100250),(3),残余奥氏体的转变,回火第二阶段,(200300),(4),渗碳体的形成,回火第三阶段,(250400),(5),a,相的回复再结晶和渗碳体的聚集长大,回火第四阶段,(400,以上,),4,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,Fe-16.7Ni-0.82C,合金经奥氏体化后快冷至,-195,，然后在,-195 100,各个温度下回火,3h,，考察其硬度变化。结果发现，温度超过,-80,，硬度就开始上升。,80,回火,3h,后，,Fe-16.7Ni-0.82C,合金硬度由原来的,54HRC,上升到,58HRC,。检查其显微组织，并未发现该过程中有任何第二相析出。因此推断，,100,以下回火其硬度的提高是由碳原子的偏聚引起的，其结果类似于时效。,5,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,图,9.1 Fe-Ni-C,马氏体在不同温度时效,3h,于,-196,测得的硬度,6,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,在低碳板条马氏体中，碳、氮原子或者偏聚于位错附近的间隙位置，与位错相结合，形成富碳、氮原子的偏聚区；或者沿,110,M,晶面形成富碳、氮的原子团。当,w,（,C,）小于,0.25%,时回火马氏体中不会出现碳原子集群。,在高碳片状马氏体中，则碳原子多偏聚在晶体中的一定晶面（如孪晶面）上，碳原子集群化，形成预脱溶原子团，进而形成长程有序化或调幅结构。,7,透镜状马氏体的偏聚区,透镜状马氏体，由于低能量的位错位置很少，除少量碳原子向位错线偏聚外，大量碳原子将向垂直于马氏体,C,轴的,(100),M,面或孪晶面,112,M,上富集，形成薄片状偏聚区，其厚度只有零点几纳米，直径约为,1.0nm,。,Fe-0.78C-0.65Mn,钢，经,1200,、,2h,奥氏体化后水淬成马氏体并立即在液氮中深冷，再在室温时效,24h,，然后用原子探针测量。结果得出，,a,基底碳含量为,0.57%,，低于平均碳含量，而孪晶界的碳含量为,1.45%,。,8,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,碳原子偏聚团仅仅包含几个碳原子，呈透镜状，惯习面为,100,g,，称为“,弘津气团,”。,图,9.2,a,-Fe,八面体间隙亚点阵中的碳原子偏聚团的外形尺寸,9,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.1,碳原子的偏聚,(a) 5.5h, (100),取向,; (b) 2d, (331),取向,; (c) 48d, (100),取向,图,9.3 Fe-15Ni-1C,合金马氏体在室温时效不同时间后的调幅组织,(TEM,照片,),10,室温回火马氏体是以调幅分解机理进行分解的。,调幅分解：过饱和固,溶体在一定温度下分解成,结构相 同、成分不同,的两个相的过程。,Fe-Ni-C,合金马氏体在室温短时间时效后，一个精细尺度、粗花呢织物状的碳浓度调幅组织沿马氏体的,203,方向形成，马氏体内形成一些微小富碳区和贫碳区，相间地规则分布。,室温下碳原子迁移,0.2nm,的距离则需要,20s,。这表明，碳原子在室温仍有一定的扩散能力。,11,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,图,9.5 Fe-15Ni-1C,马氏体,150lh,回火后,-Fe,x,C,的,TEM,照片,-Fe,x,C,长度 为,100 nm,的平行于,100,a,的条状薄片。,因,100,a,晶面族中有三个互相垂直的,(111),a,面，故马氏体内析出的,-Fe,x,C,在空间也是垂直的，而在金相试样观察表面则以一定角度交叉分布 。,12,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,9.1.2.1,高碳马氏体的分解,(1),高碳马氏体的双相分解,图,9.6,马氏体双相分解示意图,13,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,图,9.7,马氏体双相分解时碳的分布,14,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,9.1.2.1,高碳马氏体的分解,(1),高碳马氏体的双相分解,15,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,9.1.2.1,高碳马氏体的分解,(2),高碳马氏体的单相分解,150300,，碳原子的活动能力有所提高，能进行较长距离扩散。因此，,-,碳化物可从较远处获得碳原子而长大，马氏体的碳浓度连续不断地下降，不会出现两种不同碳浓度截然不同的,a,相，这就是所谓连续式分解。,16,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,9.1.2.2,低碳马氏体的分解,含碳量,w,（,C,）低于,0.2%,的板条马氏体在,100 200,之间回火时没有,碳化物的析出，,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,a,基体中的碳含量降低。,17,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,9.1.2.3,中碳钢马氏体的分解,中碳钢在正常淬火时得到低碳板条位错马氏体与高碳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。,18,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,图,9.8,不同碳含量马氏体回火时碳浓度的,变化,19,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,回火第一阶段转变后，钢的组织由过饱和度降低了的,a,固溶体和高度弥散分布、与母相,a,保持共格联系的,亚稳碳化物组成，这种组织称为,回火马氏体,。,体心立方马氏体的含碳量与淬火钢的原含碳量无关，如前所述，均为,w,(C)0.25%0.30%,。,20,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.2,马氏体的分解,图,9.9,w,(C)1.84%,高碳马氏体回火时三种碳化物的析出范围,21,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.3,残余奥氏体的转变,200300,范围属于回火的第二阶段。在这个阶段，将发生残余奥氏体的分解。含碳量,w,（,C,）低于,0.4%,的钢淬火后不出现残余奥氏体，故不存在残余奥氏体的分解转变问题。含碳量,w,（,C,）大于,0.4%,的钢淬火后可能得到马氏体和残余奥氏体。残余奥氏体或者在较高温度范围内（下贝氏体转变区）转变为下贝氏体；或者在,M,s,点以下较低温度范围内转变为马氏体。,22,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.4,渗碳体的形成,250400,的范围属于回火的第三阶段。在这个阶段，将有渗碳体（,碳化物）形成。碳含量,w,(C,),低于,0.2%,的低碳马氏体在,200,以上回火时，将在碳偏聚区直接析出,碳化物；高碳马氏体在,250,以上回火时，将通过,-,碳化物和,-,碳化物等亚稳碳化物的转化，然后再在,(112)M,和,(110)M,晶面上及马氏体晶界上形成稳定的渗碳体（,碳化物）。淬火钢经过这个阶段的回火，得到,回火托氏体,。,23,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.4,渗碳体的形成,图,9.10 15MnN,经,900,水淬、,250,回火沿板条马氏体条界析出的,-,碳化物,24,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.4,渗碳体的形成,图,9.11,GCr15,钢,1200,油淬成马氏体后再经,350,回火,2h,所得沿界面分布的,-,碳化物,25,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.5 a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,高于,400,的范围属于回火的第四阶段。在这个阶段，,相基体将发生回复和再结晶，片状渗碳体也将逐渐球化并聚集长大，残余内应力大幅度消失。,淬火所得到的马氏体中存在大量位错、孪晶等晶体缺陷，中低碳马氏体中位错密度可达,0.3 0.9 10,12,cm,-2,，与冷变形金属相似，而且马氏体晶体形状为非等轴状，所以在回火过程中，将发生回复与再结晶。,26,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.5 a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,再结晶后，原来板条状或片状的马氏体的形貌完全消失。一般把淬火钢在,500650,回火得到的由等轴状铁素体和粒状渗碳体组成的复相组织叫作回火索氏体。回火索氏体在光学显微镜下放大五六百倍才能分辨出来。当回火温度在,650A,c1,之间，渗碳体颗粒和等轴铁素体晶粒都显著长大，得到粗的粒状渗碳体和铁素体所组成的混合物，这种组织被称为回火珠光体，其金相组织基本上和球化退火组织相同。,27,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.5 a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,图,9.12 T8,钢回火托氏体中亚晶的,TEM,像,28,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.5,a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,(a),光学金相照片，,1000,图,9.13,含,0.18%C,马氏体经,600,回火,10min,后的显微组织,29,9.1,淬火钢回火时的组织转变,9.1.5,a,相的回复再结晶和碳化物的聚集长大,(,b) TEM,照片，,20000,图,9.13,含,0.18%C,马氏体经,600,回火,10min,后的显微组织,30,表,9.1,铁基合金淬火后回火过程的组织转变,阶 段,回火温度,/,组 织 转 变,回火预备阶段,(,碳原子偏聚,),25100,板条马氏体中,C,、,N,原子在位错线附近间隙位置偏聚，,w,(C,)0.2%,的马氏体开始析出与基体共格的,e,-Fe,x,C,，淬火马氏体分解转变为由含碳量稍微过饱和的,w,(C)=0.25%0.3%,的,a,相和,e,碳化物组成的回火马氏体；,w,(C,)0.4%,钢中残留奥氏体转变为下贝氏体或马氏体；,w,(C,)118,66,9.4.2,第二类回火脆性,图,9.26 Mo,含量对,P0.026%-C0.3%-Ni3%-Cr1%,钢的,FATT,的影响,(500,1000h),67,9.4,回火脆性,9.4.2,第二类回火脆性,图,9.29,回火温度及回火后冷速对,30CrMnSi,钢冲击韧性的影响,68,表,9.4 P,含量对,C0.8%-Ni3.6%-Cr0.7%9.7,钢回火脆性的影响,P,/%,650,回火,2h,后的艾氏冲击功,/J,900,油淬,1000,油淬,水冷,空冷,2.5/min,1/min,0.3/min,水冷,0.3/min,0.026,0.090,0.136,97.6,89.5,79.6,93.6,67.8,31.2,93.6,23.1,9.5,90.9,16.3,9.1,89.1,14.9,4.1,1.1,6.0,19.3,93.6,89.1,67.8,85.4,13.6,2.7,1.1,6.5,25.0,69,9.4.2.4,防止第二类回火脆性的方法,1,）选用高纯度钢，降低钢中杂质元素的含量；,2,）加入适量的能扼制第二类回火脆性的合金元素,Mo,、,W,等；,3,）加入能细化奥氏体晶粒的元素如,Nb,、,V,、,Ti,等以细化奥氏体晶粒，增加晶界面积，降低单位面积杂质元素偏聚量；,4,）避免在,450 650,范围内回火，在,650,以上回火后应采取快冷；,5,）对亚共析钢采用亚温淬火方法，在淬火加热时，使,P,等元素溶入残留的,a,相中，降低,P,等元素在原奥氏体晶界上的偏聚浓度；,6,）采用形变热处理方法，细化奥氏体晶粒并使晶界呈锯齿状，增大晶界面积，减轻回火时杂质元素向晶界的偏聚。,70,9.5,回火工艺,凡经淬火的钢随后都要进行回火，其原因主要是,：,(1),在通常情况下，工件淬火后强度与硬度虽有很大提高，但塑性与韧性却明显下降，而实际使用的工件则往往要求强度与塑性能有适宜的配合；,(2),淬火组织处于亚稳定状态，它具有自发地向稳定组织转变的趋势，因而将引起工件的性能与尺寸稳定性的改变；,(3),淬火钢内通常总存在很大的内应力，如不及时消除，会引起工件进一步的变形甚至开裂。因此，回火一般就成为淬火后必不可少的后续工序，其主要的目的就是,(1),获得所需组织以改善性能；,(2),稳定组织与尺寸；,(3),消除内应力。,71,9.5,回火工艺,9.5.1,回火温度的确定,9.5.2,回火保温时间的确定,9.5.3,回火后的冷却,9.5.4,回火缺陷,72,9.5,回火工艺,9.5.1,回火温度的确定,钢回火后的性能主要决定于回火温度，确定回火温度的方法一般为：,(1),根据各种钢的回火温度,-,硬度关系曲线或图表来确定回火温度。例如用表,9.5,就可以方便地由所要求的硬度来确定回火温度。这类图标是从长期生产经验中总结出来的。,(2),采用有关经验公式来确定回火温度。例如对碳素结构钢，回火温度可参考下列公式：,T() = 200 + 11(60-H),式中,H,为回火后要求的,HRC,值。此公式适用于回火后要求硬度不小于,30HRC,的,45,钢；如果要求,HRC 60,HRC,45,550,500,450,380,320,240,200,T8,、,T8A,580,530,470,430,380,320,230,180,T12,、,T12A,580,540,490,430,380,340,260,200,40Cr,650,580,480,450,360,200,160,40CrNi,580,550,460,420,320,200,40CrNiMoA,640,600,540,480,420,320,GCrl5,600,570,520,480,420,360,280,180,65Mn,600,640,500,440,380,300,230, 60,HRC,CrWMn,660,640,600,540,500,380,280, 220,Crl2,Crl2MoV,720,680,630,560,520,250, 180,1000,以下淬火,750,700,650,600,550,525,(,二次,),1000,以上淬火,740,670,630,600,530,300,180,W18Cr4V,720,700,680,650,550,士,10,(,三次,),2Cr13,630,610,580,260,480,180,4Cr13,630,610,580,550,520,200,300,9Cr18,580,320,530,100,200,100,78,9.5,回火工艺,9.5.2,回火保温时间的确定,参考下列公式确定：,=,K,h,+,A,h,D,式中，,为回火保温时间,(min),；,K,h,为回火保温时间基数,(min),；,A,h,为回火保温时间系数,(min/mm),；,D,为工件有效厚度,(mm),。,K,h,与,A,h,值可参考表,9.6,确定。,79,表,9.6,回火保温时间基数,K,h,与保温时间系数,A,h,回火条件,300,以下,300450,450,以上,电 炉,盐 炉,电 炉,盐 炉,电 炉,盐 炉,K,h,/,mim,120,120,20,15,10,3,A,h,/minmm,-1,1,0.4,1,0.4,l,0.4,80,9.5,回火工艺,9.5.3,回火后的冷却,无高温回火脆性的钢：空冷。,有高温回火脆性的钢：在,450650,回火后需用油冷或水冷。对这些钢只有在要求冲击韧性不太高而工件尺寸又不太大时，才允许采用空冷。,81,9.5,回火工艺,9.5.4,回火缺陷,9.5.4.1,硬度过高,主要原因是：,回火温度过低；,保温时间不足。,补救办法：在正常规范下重新回火。,82,9.5,回火工艺,9.5.4,回火缺陷,9.5.4.2,硬度不足,(1),淬火后硬度过低，未经检查而按正常规范回火；,(2),回火温度过高；,(3),油淬后工件未经清洗，这对以后回火,(,特别是低温回火,),的工件来说，可能由于表面污垢的燃烧而引起局部硬度过低；,(4),对高速钢及其它二次硬化型钢而言，回火温度过低,(400,以下,),。,补救办法：对高速钢可在正常温度,(560),重新回火；其余的应先进行退火、正火或高温回火，然后按正常工艺重新淬火与回火。,83,9.5,回火工艺,9.5.4,回火缺陷,9.5.4.3,高脆性,(,韧性过低,),产生这种缺陷的原因可能是：,(1),回火不足,(,回火温度过低或时间过短,),；,(2),回火温度选择不当，如在脆性温度区进行回火；,(3),对第二类回火脆性敏感的钢件，在回火后未进行快冷。,84,表,9.7,钢淬火后回火前不同停留时间对开裂的影响,淬火温度,(),经下列时间停留后的开裂数目,5,分,20,分,40,分,1,小时,2,小时,24,小时,780,无,无,无,无,无,无,820,无,3,6,6,7,7,860,无,9,10,10,10,10,960,1,9,10,10,10,10,85,