淬火钢回火后的组织和性能变化

1.淬火钢在回火时的组织转变

钢经淬火后其正常组织为：马氏体+残余奥氏体（亚共析钢和共析钢）；马氏体+碳化物+残余奥氏体（过共析钢）。而钢在室温下的平衡组织只有铁素体和渗碳体，因此，淬火钢中不稳定的马氏体和残余奥氏体组织会自发地向铁素体和渗碳体转变。

淬火钢回火时的组织转变大致包括以下几个阶段的转变。

（1）回火前期阶段的转变——碳原子的偏聚 碳原子的偏聚发生在100℃以下，是钢回火时发生的第一个组织结构方面的变化。这个阶段被称为回火的前期阶段——时效阶段。

w（Ni）=16.2%、w（C）=0.82%的合金钢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^[13]，温度超过-80℃，硬度就开始上升。80℃回火3h后，硬度由原来的54HRC上升到58HRC。

硬度的提高是由碳原子的偏聚引起的，其结果类似于时效。淬火马氏体在100℃以下温度回火，碳、氮等间隙原子只能短距离扩散迁移，向大量存在于马氏体中的位错及孪晶界面偏聚，在晶体内部重新分布形成偏聚状态，以降低弹性应变能。回火时产生碳原子的偏聚，一部分以“柯氏气团”形式存在，一部分以“弘津气团”形式存在。

马氏体中的碳原子择优占据[001]_α等同一晶向八面体间隙，回火时进一步发生偏聚，形成透镜状的碳原子偏聚团，称为“弘津气团”。它仅仅包含2～4个碳原子，厚度只有零点几纳米，直径约为1.0nm。碳原子进入马氏体晶格中刃型位错线附近的张应力区形成柯氏气团。含碳量达到w（C）=0.2%就可使马氏体中的位错完全饱和。当马氏体中含w（C）>0.25%，多余碳原子才形成碳原子偏聚团。马氏体中的w（C）超过0.2%越多，形成“弘津气团”的数量越多^[14]。

（2）回火第一阶段的转变——马氏体的分解 当回火温度超过100℃时，马氏体将发生分解，从过饱和固溶体α′中析出弥散的、与基体共格的亚稳碳化物，马氏体中的碳浓度降低，晶格常数c减小，a增大，正方度c/a减小。对于w（C）<0.3%的低碳板条马氏体，在小于250℃时，一般不析出亚稳碳化物，只是碳原子进一步偏聚在位错缺陷处。

在150～300℃的温度范围内，碳原子的扩散能力有所提高。此时既有ε-碳化物的继续析出，也有已析出的ε-碳化物的稍许长大，故马氏体的分解得以加速进行。直到350℃左右，α相的碳浓度达到平衡浓度，正方度趋近于1。至此，马氏体分解基本结束。

图13-5和图13-6分别表示马氏体的碳含量与回火温度、回火时间的变化规律。由图13-5可知：提高回火温度，将使马氏体以更大的速度进行分解，而且温度越高，分解后所达到的碳浓度也就越低。由图13-6也可看出：对应于一定的回火温度，回火马氏体中的碳浓度是一定的。温度越高，这碳浓度越低。至于α相真正达到平衡成分，则要500℃左右温度。

图13-5 马氏体碳浓度与回火温度的关系

图13-6 w（C）=1.09%的钢回火时马氏体的w（C）与回火温度和时间的关系^[13]

淬火马氏体回火时，碳已经部分地从固溶体中析出并形成了过渡碳化物，此时的组织即为回火马氏体。析出的亚稳过渡碳化物极细小，不能用光学显微镜分辨出。但由于碳化物的析出，与淬火马氏体相比较，使回火马氏体极易腐蚀，在光学显微镜下呈黑色，与下贝氏体极相似。

（3）残余奥氏体的转变 淬火的中、高碳钢含有部分残余奥氏体，在200～300℃范围内回火时，将发生残余奥氏体转变。这是回火的第二阶段。

残余奥氏体与过冷奥氏体并无本质区别。残余奥氏体在贝氏体形成温度范围内回火时，残余奥氏体则转变为贝氏体；在马氏体形成温度范围内回火时，残余奥氏体则转变为马氏体，随后分解成回火马氏体。

（4）碳化物类型的转变 回火温度升高到250～400℃，回火第一阶段析出的亚稳碳化物将向稳定的渗碳体θ-Fe₃C发生转变。这就是回火的第三阶段^[15]。

回火温度高于100℃，中、高碳马氏体中就析出亚稳碳化物ε-碳化物。它是密排六方晶格，其化学式接近于Fe_2.4C，因此常常被写为ε-Fe_2.4C。ε-碳化物总是以条状或薄片形式析出于马氏体的一定晶面上。低碳马氏体不析出亚稳碳化物。(www.xing528.com)

回火温度高于200℃时，中、高碳马氏体中析出的亚稳碳化物ε-Fe_2.4C开始回溶于基体。同时，从中碳马氏体中析出平衡相θ-Fe₃C；从高碳马氏体中析出更稳定的另一种亚稳过渡碳化物χ-Fe₅C₂，然后开始析出平衡相θ-Fe₃C；从低碳马氏体中则直接析出渗碳体θ-Fe₃C。

在350～400℃温度范围内，亚稳碳化物向稳定渗碳体的转化最为剧烈，大量的渗碳体都是在这时形成的。渗碳体的初始形态呈极薄的片状，在400℃以上温度开始长大。

在这个阶段，碳化物与基体的共格关系遭到了破坏。原高碳片状马氏体的α相中的孪晶亚结构消失，原低碳板条马氏体的α相仍保持着板条形态。

马氏体在350～450℃温度范围内回火时形成的α基体和其中极其细小的碳化物或渗碳体，因其过于细小以致在光学显微镜下高倍放大也分辨不清，只看到其总体是一片黑的复相组织，称为回火托氏体。

（5）α相的回复、再结晶及渗碳体的聚集和球化 回火温度高于400℃时，α相开始明显回复^[16]，碳化物开始集聚和球化^[13]，这就是回火的第四阶段。回复后的铁素体仍保持着原马氏体的板条或片状的外形。板条马氏体中的位错密度降低，剩下的位错将排列成位错网络，形成由它们分割而成的亚晶粒。

当回火温度上升到500℃以后^[14，17]，回复后的α相开始由细小的板条或片状，逐渐长大成细小的等轴晶粒，这一过程称为α相的再结晶。在600～700℃时，由于铁原子的扩散能力显著提高，铁素体的再结晶最为剧烈。

在回火时形成的马氏体，在光学显微镜下放大五六百倍才能分辨出来其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球状的复相组织，被称为回火索氏体^[2]。就是说，在500～650℃之间回火，可以得到由细粒状渗碳体和等轴铁素体晶粒所组成的混合物，即回火索氏体。

当回火温度升到600℃以后，粒状渗碳体迅速聚集粗化。回火温度在650℃～Ac₁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^[15]，其金相组织基本上和球化退火组织相同。

总之，淬火钢的回火转变是由以上五个转变过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将它们截然分开，它们有时是互相交错，有时同时进行。

若钢中有合金元素存在，则上述回火转变的五个转变阶段的温度区间可能会发生变化。一般而言，回火时合金元素会将马氏体的分解推向高温，提高钢的耐回火性；合金元素的原子会取代部分渗碳体中的铁原子，形成合金渗碳体；合金元素的原子还会与碳原子结合形成合金碳化物。

2.淬火钢在回火时的性能变化

一般而言，淬火钢回火时力学性能总的变化趋势是：随着回火温度的上升，硬度、强度降低，塑性、韧性升高。有二次硬化和回火脆性的钢，回火时力学性能的变化规律较为特殊，后面还要另作介绍。

图13-7 不同含碳量的碳钢回火温度与硬度的关系[17]

（1）回火对淬火钢硬度的影响 当回火温度不超过200～250℃范围时，回火后的组织是回火马氏体，其硬度较淬火马氏体只是稍有下降。高碳钢因弥散状的ε-碳化物大量析出，在温度高于100℃时硬度反而略有回升。另外由于其有较多的残余奥氏体，在200～250℃温度区间，它们将转变成回火马氏体，这会减缓其回火组织硬度下降的速度。低碳钢由于不存在ε-碳化物的析出，且残余奥氏体量也极少，故不存在这两个变化。在300℃以上回火时，各种碳钢的硬度都随回火温度的升高而显著下降。图13-7是不同含碳量的碳钢硬度与回火温度的关系。

（2）回火对钢的强度、塑性和韧性的影响 图13-8描述了低碳、中碳及高碳钢的力学性能与回火温度的关系。由图中可看出，钢的强度指标（σ_b、σ_s）与硬度指标的变化类似，随回火温度的升高而降低。塑性指标（δ、ψ）恰好与强度、硬度指标相反，随回火温度的升高而逐渐增大。冲击韧度（α_K）也是随回火温度的升高而增大，在600℃左右回火时达最大值。弹性极限（σ_e）在300～350℃时出现极大值，这是由于回火托氏体本身强度较高，以及残留应力大大降低的缘故。

另外淬火钢回火时的力学性能也与它内应力消除的程度有关，回火温度越高，淬火内应力消除越彻底，只有当回火温度高于500℃，并保持足够的回火时间，才能使淬火内应力基本消除。