淺談淬火碳鋼在回火時的轉變

龐勃

摘 要：淬火是金屬材料加工處理過程中非常重要的一項工藝，在現(xiàn)代機械制造工業(yè)得到廣泛的應用，本文簡要闡述了淬火碳鋼在不同溫度條件下回火時各項組織的轉變。

關鍵詞：淬火碳鋼；回火；轉變

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A

馬氏體和殘余奧氏體是淬火后鋼的的兩大組成部分，有自發(fā)轉變?yōu)殍F素體和滲碳體平衡組織傾向的馬氏體和殘余奧氏體都不是穩(wěn)定的，而淬火鋼的回火就是促使馬氏體和殘余奧氏體轉變?yōu)殍F素體和滲碳體平衡組織易于進行的方法，我們把這種轉變稱之為回火轉變。

在淬火鋼中的馬氏體和奧氏體分別是比容最大和最小的組織。體積的變化將伴隨整個轉變過程，并且根據(jù)這種體積變化，就可了解回火時的相變情況。例如當馬氏體發(fā)生轉變導致鋼的體積將減小；當殘余奧氏體發(fā)生轉變導致鋼的體積將增大。因此，在出現(xiàn)明顯的體積變化時，必然是轉變所導致的。

在小于等于100℃回火時，鋼的體積沒有變化，經(jīng)過X射線分析證明，此時只發(fā)生馬氏體中碳原子的偏聚，而沒有開始分解，證明淬火鋼中沒有明顯的轉變。在100℃～200℃回火時，即發(fā)生回火的第一次轉變（回火第一階段）。在此階段，鋼的體積發(fā)生收縮。在此溫度范圍內(nèi)，通過X射線分析證明可以看出，馬氏體由于正方度減小開始分解，固溶在馬氏體中的過飽和碳原子脫溶沉淀而析出ε碳化物（晶體結構為正交晶格，分子式為Fe2.4C），這種ε碳化物與馬氏體保持共格聯(lián)系的。ε碳化物不是向Fe3C轉變前的一個平衡相，而是一個過度相。同時馬氏體中的碳由于溫度較低導致未全部析出，以致于它們?nèi)匀缓酗柡偷奶肌Ｋ栽诨鼗鸬谝淮无D變后，鋼的組織此時由兩部分組成，分別是過飽和α固溶體和與母相晶格聯(lián)系的ε碳化物。這種碳化物與馬氏體保持共格聯(lián)系， 回火馬氏體即是指回火第一次轉變后鋼的組織。此時與過飽和固溶體的母相共格聯(lián)系的碳化物極為細小， 它們所析出的碳化物數(shù)量較多、彌散硬化的效果較大，故鋼的硬度在回火后不至于降低，而且對共析和過共析碳鋼的硬度還略有升高。

在第一次轉變后，繼續(xù)加熱到200℃ ～300℃時鋼的體積又發(fā)生膨脹。主要是因為比容最小的殘余奧氏體在鋼的組織中發(fā)生分解所致。回火第二次轉變或回火第二階段是指淬火碳鋼中殘余奧氏體從200℃～300℃區(qū)間發(fā)生分解并分解完畢，一般轉變?yōu)橄仑愂象w。在回火第二次轉變終止時（300℃左右），在α固溶體中仍然含有約0.15%～0.20%C。在回火第二階段中，馬氏體繼續(xù)分解會降低鋼的硬度，但是同時出現(xiàn)軟的殘余奧氏體分解為較硬的下貝氏體可以彌補降低的硬度，因此鋼的硬度降低并不顯著。

若使過飽和碳從α固溶體內(nèi)繼續(xù)析出，同時ε碳化物也逐漸轉變?yōu)镕e3C，需繼續(xù)加熱，一直延續(xù)至400℃而告終，導致鋼的體積又發(fā)生收縮。這種轉變稱為第三次轉變或回火第三階段。顯然，由于過飽和碳自α固溶體內(nèi)析出，并出現(xiàn)穩(wěn)定的與母相不再有晶格聯(lián)系的Fe3C相，因而內(nèi)應力大量消除。經(jīng)第三次轉變后，鋼即由鐵素體和滲碳體所組成。繼續(xù)升高溫度，發(fā)生回火第四次轉變，此時將使?jié)B碳體質點發(fā)生聚合從而得到較粗的組織。在回火的第四階段（溫度超過400℃），α固溶體的碳含量已降至平衡濃度此時，同時由體心正方晶格變?yōu)轶w心立方晶格，內(nèi)部亞結構發(fā)生回復與再結晶，所產(chǎn)生的固溶強化作用已完全消失。而鋼的硬度和強度則與滲碳體質點的尺寸和彌散度成正相關，回火溫度愈高，彌散度愈小，則鋼的硬度和強度愈低。

綜上所述，淬火碳鋼在回火時的轉變，大致包括四個階段，分別是：馬氏體分解；殘余奧氏體轉變；碳化物聚集長大；α固溶體的回復與再結晶。

在碳鋼回火各階段所形成的組織大致為：

（1）回火馬氏體

高碳淬火鋼在150～250℃低溫回火時，由于ε碳化物的析出和殘余奧氏體的部分分解而獲得回火馬氏體、殘余奧氏體和下貝氏的混合組織，其中主要是回火馬氏體。在電子顯微鏡下觀察，可見到回火馬氏體保持片狀形態(tài)，其上分布有細小的ε碳化物。

中碳鋼淬火后和低溫回火后得到板條狀和片狀馬氏體的混合組織；低碳鋼淬火后得到低碳板條狀馬氏體組織，無論自回火還是低溫回火，其形態(tài)保持不變，是因為只有碳原子的偏聚而無碳化物析出。

（2）回火屈氏體

在350℃～500℃溫度范圍內(nèi)回火所得到的組織為回火屈氏體，它的滲碳體是粒狀的。含0.90%C鋼815℃淬火后，425℃回火的組織。在425℃回火1分鐘，還存在較長的滲碳體片。425℃回火1小時以后，滲碳體已經(jīng)聚集球化成顆粒狀。

（3）回火索氏體

在500℃～600℃溫度范圍內(nèi)回火所得的組織為回火索氏體，它的滲碳體顆粒比回火屈氏體粗，彌散度較小。

回火組織與一般組織相比，具有較優(yōu)的性能。如硬度相同時，回火屈氏體和回火索氏體比一般屈氏體（油淬）和索氏體（正火）具有較高的強度、塑性和韌性。這主要是因為組織形態(tài)不同所致。

參考文獻

[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M] .上海：上海科技出版社，1983.

[2]王德尊.金屬力學性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1993.

[3]周澍，張柯，顧劍鋒，戎詠華. 淬火-碳分配-回火鋼的低溫組織和性能[J].材料熱處理學報，2012（06）.

[4]許峰云，白秉哲，方鴻生.低碳Mn系水淬貝氏體鋼的組織和力學性能[J].材料熱處理學報，2010（09）.

[5]余偉，陳銀莉，徐立善，蔡慶伍.直接淬火-碳分配處理后高強度鋼的組織與力學性能[J].材料熱處理學報，2012（04）.

[6]徐祖耀.淬火-碳分配-回火（Q-P-T）工藝淺介[J].金屬熱處理， 2009（06）.