大学固态相变.

第六章钢中的回火转变概述回火的定义淬火之后将工件加热到低于临界点的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的一种热处理方法。①是含碳过饱和的固溶体；②有很高的应变能；③有很大的内应力（热应力和组织应力）；④存在残余奥氏体，也是亚稳定的。钢中马氏体的组织特点热应力：工件内外温差造成的；组织应力：转变为不同的组织时造成的概述回火的目的（为什么要回火？）获得所需要的稳定组织和性能，并消除或减少淬火内应力，防止工件变形、开裂，稳定组织，防止尺寸变化，降低硬度，便于加工。回火马氏体回火原材料M+AR奥氏体加热奥氏体化淬火使用淬火碳钢回火时的组织转变回火马氏体中碳原子偏聚(前期阶段)(100℃以下)马氏体分解(80-250℃)残余奥氏体转变(200-300℃)碳化物析出(250-400℃)α相回复和碳化物的聚集长大(400℃以上)淬火碳钢回火时的组织转变一、马氏体中碳原子偏聚（T=80~100℃）碳原子在马氏体的扁八面体间隙，造成很大弹性变形；晶体中存在微观缺陷较多。处于能量较高的状态，必然向能量低的状态转变马氏体的结构转变方式：碳原子向微观缺陷处集中。淬火碳钢回火时的组织转变1.板条马氏体亚结构为大量的位错，碳原子易与位错发生交互作用，形成“气团”，造成偏聚，而碳原子分布在正常间隙位置时的电阻率比偏聚在位错附近时的高。当C%0.2%时，偏聚于位错等晶体缺陷处的碳原子已达到饱和状态，多余的碳原子只能处于无缺陷晶格的扁八面体间隙处。C%0.2%时，随着碳含量的增加，电阻率增加较慢，与完全偏聚状态非常接近。碳原子大部分偏聚于位错处。淬火碳钢回火时的组织转变碳原子的偏聚取决于位错密度和碳原子扩散能力，位错密度越高，碳原子扩散能力越大，偏聚越严重。淬火碳钢回火时的组织转变2.片状马氏体大量碳原子可能在某些孪晶面上富集，形成厚度和直径均小于1nm的小片状富碳区。随马氏体中碳含量的增多，富碳区的数量越多。富碳区使马氏体的电阻率和硬度有所提高。淬火碳钢回火时的组织转变二、马氏体分解（回火第一阶段转变）在80~250℃回火时，随着回火温度升高及回火时间延长，富碳区的碳原子将发生有序化，继而转变为碳化物析出，即马氏体分解。碳化物析出基体碳含量降低c减小而a增大结果：淬火碳钢回火时的组织转变1.高碳马氏体的分解（1）双相分解（回火温度在125~150℃以下）在某些富碳区，经过有序化后析出碳化物晶核，并依靠其周围α相提供的碳原子而长大，由于碳化物的析出，在其周围造成贫碳区（C1），而在远处的α相仍保持原有碳含量。此时分解析出的碳化物为ε-碳化物，呈细片状或条状，与基体保持共格关系。淬火碳钢回火时的组织转变贫碳区中马氏体的正方度c/a与富碳区中马氏体的正方度不同。贫碳区中的马氏体正方度有所降低，而富碳区中马氏体的正方度与未经回火的淬火高碳马氏体的接近。此阶段温度较低，碳原子不能作长程扩散，高碳区与贫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贫碳区，富碳区减少，贫碳区增多。富碳区消失时双相分解即告结束，此时α相的平均碳含量降为C1≈0.25~0.3%。温度越高，双相分解速度越快。淬火碳钢回火时的组织转变（2）单相分解（回火温度高于125~150℃时）碳原子的活动能力增强，可作较长距离的扩散，已析出的碳化物可从较远区域获得碳原子而长大，α相内的碳浓度梯度也可通过碳原子扩散而消除，使得分解过程中不再出现两种碳含量的α相。随着过程的进行，α相的碳含量及正方度均下降。温度达300℃时，c/a接近于1，α相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解基本结束。淬火碳钢回火时的组织转变2.低碳马氏体的分解低碳马氏体的Ms点较高，在淬火过程中就发生碳原子向位错的偏聚，先形成的马氏体中可能发生自回火，析出碳化物。Ms点越高，淬火冷却速度越慢，自回火析出的碳化物越多。①淬火后在100~150℃回火时，碳原子仍偏聚在位错处，不析出碳化物；②200℃时，发生马氏体的单相分解析出碳化物，使α基体中的碳含量降低。淬火碳钢回火时的组织转变立方马氏体的碳含量与淬火钢的碳含量无关。随着碳化物的析出，不同原始碳含量的马氏体在高于200℃以后，其碳含量趋于一致。3.中碳马氏体的分解兼有低碳马氏体和高碳马氏体的分解特征。随着回火温度的升高，固溶于正方马氏体中的碳含量不断下降，最终变为立方马氏体。回火马氏体：中、高碳钢在250℃以下温度回火时，淬火马氏体经分解后获得的立方马氏体和ε-碳化物的混合组织。与淬火马氏体相比，由于ε-碳化物的弥散沉淀使得这种组织易于腐蚀，呈黑色片状。此时α相中仍含有过饱和的碳，马氏体的精细结构也未发生明显变化，仍保持着强化状态。淬火碳钢回火时的组织转变三、残余奥氏体转变（回火第二阶段）在200~300℃回火时残余奥氏体本质上与过冷奥氏体相同，过冷奥氏体可能发生的转变，残余奥氏体都可能发生，但仍有其独特性：①残余奥氏体在淬火过程中已发生塑性形变，存在较大的弹性畸变；②残余奥氏体与马氏体之间存在着界面；③残余奥氏体在转变过程还可能产生热稳定化；④残余奥氏体转变时还伴有淬火马氏体的分解；这些都影响残余奥氏体的分解温度、速度和程度。淬火碳钢回火时的组织转变1.残余奥氏体向珠光体和贝氏体的转变当MsTA1时，残余奥氏体将转变为珠光体或贝氏体。淬火碳钢回火时的组织转变残余奥氏体转变为P和B与过冷奥氏体转变的区别：①由于贝氏体或珠光体在马氏体与残余奥氏体的相界面上形核，因此，一定量马氏体的存在会促进残余奥氏体的转变，尤其使贝氏体转变显著加速，贝氏体转变C曲线左移。②当马氏体量增大到一定程度后，由于残余奥氏体的状态发生很大变化，反而使等温转变减慢。这可能是由于受各向压应力，使原子迁移阻力增大，残余奥氏体的稳定性增大。淬火碳钢回火时的组织转变2.残余奥氏体向马氏体的转变（1）等温转变为马氏体将淬火钢加热至低于Ms点的某一温度等温。残余奥氏体等温转变为马氏体的量很少，受马氏体分解控制，即在已形成的马氏体发生分解以后，残余奥氏体才能等温转变为马氏体。淬火碳钢回火时的组织转变是否出现二次淬火现象与回火工艺密切相关（以淬火高碳钢为例）①加热到560℃保温后，由于发生某种“催化”，提高了残余奥氏体的Ms点，在冷却过程中AR→M。②加热到560℃保温后，再冷至250℃停留5分钟时，会发生“反催化”，从而降低AR的Ms点，在冷至室温过程中AR不发生转变。（2）二次淬火淬火钢在回火过程中未能分解的残余奥氏体，在随后冷却到Ms点以下温度时，再次转变为马氏体的现象称为二次淬火。淬火碳钢回火时的组织转变原因：A.位错气团理论a.AR中存在位错等晶体缺陷，并固溶有C、N等间隙原子；b.250℃保温过程中，为了降低畸变能，C、N原子进入位错区形成原子气团，并对位错起钉扎作用，增大了相变阻力，起到了稳定化作用；c.将处于稳定化状态的AR再加热至560℃保温，为了增加熵以降低系统自由能，C、N原子将从位错逸出而使原子气团“蒸发”，从而减小相变阻力，起催化作用。淬火碳钢回火时的组织转变B.碳化物析出假说在回火过程中从AR中析出碳化物，而使AR中碳和合金元素含量下降，提高了AR的MS点。C.相变硬化消除假说回火消除了马氏体转变所引起的相硬化，使AR恢复了转变为马氏体的能力。淬火碳钢回火时的组织转变四、碳化物析出与转变（回火第三阶段）当温度在250~400℃回火时，ε-碳化物→θ-碳化物。回火屈氏体：250~400℃之间回火时，获得的条状或针状铁素体+片状（或小颗粒状）渗碳体的混合组织。淬火碳钢回火时的组织转变1.高碳马氏体中的碳化物析出（C%0.6%）高碳马氏体转变为高碳回火马氏体（α+ε-FexC），两相之间保持共格关系。随着回火温度的升高，ε-FexC颗粒粗化，畸变严重，两者间难以保持共格关系。T250℃时，ε-FexC转变为较稳定的χ-碳化物，呈薄片状，与基体间存在一定的位向关系；温度进一步升高，ε-FexC和χ-Fe5C2将转变为稳定的θ碳化物（Fe3C），初期形成的常呈板片状，与基体也存在一定位向关系。淬火碳钢回火时的组织转变随着回火温度的升高或保温时间的延长，淬火高碳钢中碳化物的转变顺序为：α’→(α+ε)→(α+ε+χ)→(α+ε+χ+θ)→(α+χ+θ)→(α+θ)取决于回火温度，也与回火时间有关。回火时间越长，碳化物转变的温度降低。淬火碳钢回火时的组织转变碳化物的转变是以形核长大方式进行的。①“原位”转变：在原碳化物的基础上通过成分变化和点阵改组逐渐转化为新碳化物；②“独立”转变(异位转变)：伴随着原碳化物的重新溶解，新碳化物在其他部位通过形核和长大独立形成。异位转变通常是在新相与母相的惯习面和位向关系不同的时候发生的。如ε-碳化物和θ-碳化物。碳化物的转变原位转变或异位形核异位形核长大CFe3χε淬火碳钢回火时的组织转变2.低碳马氏体中的碳化物析出（C%0.2%）①当淬火时，在温度降至200℃以前，发生自回火，在马氏体板条内的缠结位错区析出θ-碳化物，呈细针状；②未发生自回火的马氏体将在250℃回火时，在马氏体板条位错缠结处析出细针状θ-碳化物；③沿板条马氏体条界析出薄片状θ-碳化物。进一步提高温度，板条界上的薄片状θ-碳化物长大，破碎成短粗针状碳化物，板条内的细针状及细颗粒状碳化物将重新溶入α相中。500~550℃时，板条内碳化物已消失，只剩下分布在板条界面上的、较粗大的、直径约为200~300nm的碳化物。淬火碳钢回火时的组织转变3.中碳马氏体中的碳化物析出（C%=0.2~0.6%）CFeCFexC3200温度升高淬火碳钢回火时的组织转变五、α相状态变化及碳化物聚集长大（回火第四阶段）回火索氏体：高于400℃回火时，由于片状渗碳体逐渐球化并聚集长大，铁素体基体发生回复和再结晶，针、条状形态消失，获得的等轴铁素体+尺寸较大的粒状渗碳体的混合组织。回火温度400℃，片状渗碳体逐渐球化并聚集长大，铁素体基体也将发生回复和再结晶。淬火碳钢回火时的组织转变A.第一类内应力（宏观应力）由于工件内外温度不一致和相变不同时而造成的宏观区域性的内应力。会导致工件变形、开裂。1.内应力消失B.第二类内应力——微观应力由于工件中几个晶粒内的温度不一致和相变不同时而造成的微观区域性的内应力。产生于晶粒或亚晶粒之间。C.第三类内应力由于碳原子过饱和固溶，使晶格畸变，并保持共格关系，造成晶格弹性畸变所引起的内应力。淬火碳钢回火时的组织转变A.第一类内应力（宏观应力）①回火温度一定时，时间↑→应力↓，达到一定值后趋于稳定，仍有部分残留；②随回火温度的升高，应力↓。但低温（150℃）回火时，仅消除了25~30%。300℃回火时，有50%残留。只有当高于550~600℃回火，第一类内应力才可基本消除。因为此时碳化物已经转变为渗碳体，与基体的共格关系已破坏，渗碳体颗粒也有一定程度的长大。淬火碳钢回火时的组织转变B.第二类内应力——微观应力随着温度的升高，第二类内应力刚开始下降迅速，后趋于缓慢。T↑→应力↓150℃时，下降很少；400~500℃回火时，才可接近消除。淬火碳钢回火时的组织转变C.第三类内应力回火温度↑马氏体分解碳化物析出第三类内应力↓300℃左右基本可消除。淬火碳钢回火时的组织转变2.α相回复与再结晶（1）中、低碳钢由于中、低碳钢淬火所得到的板条马氏体中存在大量位错，且马氏体晶粒形状为非等轴状。因此回火时将发生回复与再结晶。淬火碳钢回火时的组织转变A.回复（400℃）①α相中的位错胞和胞内位错线将通过滑移和攀移逐渐消失，使晶体中位错密度降低。②剩余的相同符号的位错将重新排列成较低能量的状态（二维位错网络），形成由它们分割而成的亚晶粒。③回复后的α相仍保持板条状，只是板条宽度由于相邻板条合并而增加。淬火碳钢回火时的组织转变B.再结晶（600℃）①一些位错密度很低的胞块长大成等轴α相晶粒；②位错密度很低的α相新晶粒将逐渐取代板条状