回火的脆性机理与避免方法

回火脆性的机理与避免方法摘要：金属脆性断裂过程中，承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度，甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力。由于脆性断裂前既无宏观塑性变形，又无其他预兆，并且一旦开裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或很大的裂口，有时还产生很多碎片，容易导致严重事故。脆性断裂通常发生于塑性和韧性差的金属或合金中。本文将从淬火钢回火过程中产生的回火脆性这方面探讨，就如何防止出现回火脆性，从而进一步提高钢的冲击韧性进行讨论。关键词：回火脆性 冲击韧性一、基本概念冲击韧性是指金属抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力，是金属材料力学性能的一个重要指标。淬火钢回火时的冲击韧性并不总是随回火温度的升高单调增大，有些钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。钢在250400温度范围内出现的回火脆性叫第一类回火脆性，也叫低温回火脆性；在450650温度范围内出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，也叫高温回火脆性。二、低温回火脆性1.低温回火脆性的机理低温回火脆性几乎在所有的工业用钢中都会出现。低温回火脆性产生的机理：一般认为，低温回火脆性是由于马氏体分解时沿马氏体条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物，降低了晶界的断裂强度，使之成为裂纹扩展的路径，因而导致脆性断裂。如果提高回火温度，由于析出的碳化物聚集和球化，改善了脆化界面状况而使钢的韧性又重新恢复或提高。另外也有认为低温回火脆性是韧性相残余奥氏体的转变所引起的。钢中含有合金元素一般不能抑制低温回火脆性，但Si、Cr、Mn等元素可使脆化温度推向更高温度。例如，Si=1.0%1.5%的钢，产生脆化的温度为300320；而Si=1.0%1.5%、Cr=1.5%2.0%的钢，脆化温度可达350370。2.低温回火脆性防止措施到目前为止还没有一种有效地消除低温回火脆性的热处理或合金化方法。但根据上面的一些产生机理，可以采取以下措施来防止或减轻低温回火脆性：（1）降低钢中杂质元素的含量；（2）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒；（3）加入Mo、W等可以减轻第一类回火脆性的合金元素；（4）加入Cr、Si以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；（5）采用等温淬火代替淬火加高温回火。三、高温回火脆性高温回火脆性主要在合金结构钢中出现，碳钢一般不出现这种脆性。高温回火脆性通常在回火保温后缓冷的情况下出现，若快速冷却，脆化现象将消失或受到抑制。因此这种回火脆性可以通过再次高温回火并快冷的办法消除，但是若将已消除脆性的钢件重新高温回火并随后缓冷时脆化现象又再次出现。为此，高温回火脆性又称可逆回火脆性。1.影响高温回火脆性的因素（1） 化学成分的影响： Sb、Sn、P、As等杂质元素在回火处理时向原奥氏体晶界偏聚，减弱了奥氏体晶界上原子间的结合力，降低晶界断裂强度是产生高温回火脆性的主要原因。Ni、Cr等合金元素不但促进这些杂质元素的偏聚，而且本身也向晶界偏聚，进一步降低了晶界断裂强度，从而增大了回火脆性倾向。Mo与杂质元素发生交换作用，抑制杂质元素向晶界偏聚，从而能减轻回火脆性倾向。（2） 热处理工艺参数的影响：A在450650范围内回火脆性的脆化速度及脆化程度均与回火温度与时间有关；B在550以下，温度愈低，脆化速度愈慢，能达到的脆化程度愈大；C550以上，随着等温温度升高，脆化速度愈慢，能达到的脆化程度进一步下降。缓冷脆化不仅与回火温度与时间有关，更主要的是与回火后的冷速有关。650回火后的冷速愈低，室温下冲击韧性值也愈低。（3） 组织因素的影响：不论钢具有何种原始组织均有第二类回火脆性，以马氏体组织的回火脆性最为严重，贝氏体次之，珠光体组织最轻。第二类回火脆性还与奥氏体晶粒有关，奥氏体晶粒愈细，第二类回火脆性愈轻。 2高温回火脆性的主要特征1）是一种晶界脆化；2）脆化与温度有关，脆化需要时间，脆化动力学具有“C”曲线特性；3）与钢材化学成分密切相关；4）脆化过程具有可逆性；5）原始组织为贝氏体或珠光体时也能发生脆化。所以，高温回火脆性的脆化过程必然是一个受扩散控制，并发生于晶界的能使晶界弱化的与马氏体及残余奥氏体无直接关系的可逆过程。3.高温回火脆性的机理目前关于高温回火脆性的形成理论主要有两种：析出理论和偏聚理论。析出理论，即是碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出的理论。回火后缓冷脆性相沿晶界析出而引起脆化。温度升高时，脆性相重新回溶而使脆性消失。这可解释高温回火脆性的可逆性。偏聚理论，即沿奥氏体23个原子厚度的晶界薄层内确实偏聚了某些合金元素及杂质元素，且杂质元素的偏聚与高温回火脆性有良好对应关系。4.高温回火脆性的防止措施防止或减轻高温回火脆性的方法很多。采用高温回火后快冷的方法可抑制回火脆性，但这种方法不适用于对回火脆性敏感的较大工件。在钢中加入Mo、W等合金元素阻碍杂质元素在晶界上偏聚，也可以有效地抑制高温回火脆性。此外，对亚共析钢采用亚温淬火方法，使P等杂质元素溶入残留的铁素体中，减轻P等杂质元素在原奥氏体晶界面上的偏聚，也可以减小高温回火脆性倾向。还有，选择含杂质元素极少的优质钢材以及采用形变热处理等方法都可以减轻高温回火脆性。四、结论 回火脆性对金属材料的力学性能产生不利影响，如果不给予正视可能会给生产与生活带来不必要的损失。对于高温回火脆性和低温回火脆性，根据产生的机理不同，要采取不同的措施，从而提高金属材料的力学性能。