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回火是工件淬硬后加熱到AC1以下的某一溫度,保溫一定時間,然後冷卻到室溫的熱處理工藝。

1 回火 -回火

 回火是將淬火鋼加熱到奧氏體轉變溫度以下,保溫1到2小時候冷卻的工藝。回火往往是與淬火相伴,並且是熱處理的最後一道工序。經過回火,鋼的組織趨於穩定,淬火鋼的脆性降低,韌性與塑性提高,消除或者減少淬火應力,穩定鋼的形狀與尺寸,防止淬火零件變形和開裂,高溫回火還可以改善切削加工性能。
依據加熱溫度不同,回火分為:
低溫回火 加熱溫度150-200℃。淬火產生的馬氏體保持不變,但是鋼的脆性降低,淬火應力降低。主要用於工具、滾動軸承、滲碳零件和表面淬火零件等要求高硬度的零件。
中溫回火 加熱溫度350-500℃。回火組織為針狀鐵素體和細粒狀滲碳體(FeC)的混合物,稱為回火屈氏體。中溫回火能獲得較高的彈性極限和韌性,主要用於彈簧和熱作磨具回火。
高溫回火 加熱溫度500-600℃。淬火加高溫回火的連續工藝稱為調質處理。高溫回火組織為多邊形的鐵素體(ferrite)和細粒狀滲碳體(FeC)的混合組織,稱為回火索氏體。高溫回火為了得到強度、硬度和塑性韌性等性能的均衡狀態,主要用於重要結構零件的熱處理,如軸、齒輪、曲軸等。

2 回火 -正文

  將淬火成馬氏體的鋼加熱到臨界點A1以下某個溫度,保溫適當時間,再冷到室溫的一種熱處理工藝。回火的目的在於消除淬火應力,使鋼的組織轉變為相對穩定狀態。在不降低或適當降低鋼的硬度和強度的條件下改善鋼的塑性和韌性,以獲得所希望的性能。中碳和高碳鋼淬火后通常硬度很高,但很脆,一般需經回火處理才能使用。鋼中的淬火馬氏體,是碳在α-Fe中的過飽和固溶體,具有體心正方結構,其正方度c/a隨含碳量的增加而增大(c/a=1+0.045wt%C)。馬氏體組織在熱力學上是不穩定的,有向穩定組織過渡的趨勢。許多鋼淬火后還有一定量的殘留奧氏體,也是不穩定的,回火過程中將發生轉變。因此,回火過程本質上是在一定溫度範圍內加熱粹火鋼,使鋼中的熱力學不穩定組織結構向穩定狀態過渡的複雜轉變過程。轉變的內容和形式則視淬火鋼的化學成分和組織,以及加熱溫度而有所不同(見馬氏體相變。
  碳鋼的回火過程 淬火碳鋼回火過程中的組織轉變對於各種鋼來說都有代表性。回火過程包括馬氏體分解,碳化物的析出、轉化、聚集和長大,鐵素體回復和再結晶,殘留奧氏體分解等四類反應。低、中碳鋼回火過程中的轉變示意地歸納在圖1中。根據它們的反應溫度,可描述為相互交疊的四個階段。

回火回火

  第一階段回火(250℃以下)  馬氏體在室溫是不穩定的,填隙的碳原子可以在馬氏體內進行緩慢的移動,產生某種程度的碳偏聚。隨著回火溫度的升高,馬氏體開始分解,在中、高碳鋼中沉澱出ε-碳化物(圖2),馬氏體的正方度減小。高碳鋼在 50~100℃回火后觀察到的硬度增高現象,就是由於ε-碳化物在馬氏體中產生沉澱硬化的結果(見脫溶)。 ε-碳化物具有密排六方結構,呈狹條狀或細棒狀,和基體有一定的取向關係。初生的 ε-碳化物很可能和基體保持共格。在250℃回火后,馬氏體內仍保持含碳約0.25%。含碳低於 0.2%的馬氏體在200℃以下回火時不發生ε-碳化物沉澱,只有碳的偏聚,而在更高的溫度回火則直接分解出滲碳體。

回火回火

  第二階段回火(200~300℃)  殘留奧氏體轉變。回火到200~300℃的溫度範圍,淬火鋼中原來沒有完全轉變的殘留奧氏體,此時將會發生分解,形成貝氏體組織。在中碳和高碳鋼中這個轉變比較明顯。含碳低於 0.4%的碳鋼和低合金鋼,由於殘留奧氏體量很少,所以這一轉變基本上可以忽略不計。
  第三階段回火(200~350℃)  馬氏體分解完成,正方度消失。ε-碳化物轉化為滲碳體 (Fe3C)。這一轉化是通過 ε-碳化物的溶解和滲碳體重新形核長大方式進行的。最初形成的滲碳體和基體保持嚴格的取向關係。滲碳體往往在ε-碳化物和基體的界面上、馬氏體界面上、高碳馬氏體片中的孿晶界上和原始奧氏體晶粒界上形核(圖3)。形成的滲碳體開始時呈薄膜狀,然後逐漸球化成為顆粒狀的Fe3C。

回火回火

  第四階段回火(350~700℃)  滲碳體球化和長大,鐵素體回復和再結晶。滲碳體從400℃開始球化,600℃以後發生集聚性長大。過程進行中,較小的滲碳體顆粒溶於基體,而將碳輸送給選擇生長的較大顆粒。位於馬氏體晶界和原始奧氏體晶粒間界上的碳化物顆粒球化和長大的速度最快,因為在這些區域擴散容易得多。
  鐵素體在350~600℃發生回復過程。此時在低碳和中碳鋼中,板條馬氏體的板條內和板條界上的位錯通過合併和重新排列,使位錯密度顯著降低,並形成和原馬氏體內板條束密切關聯的長條狀鐵素體晶粒。原始馬氏體板條界可保持穩定到600℃;在高碳鋼中,針狀馬氏體內孿晶消失而形成的鐵素體,此時也仍然保持其針狀形貌。在600~700℃間鐵素體內發生明顯的再結晶,形成了等軸鐵素體晶粒。此後,Fe3C顆粒不斷變粗,鐵素體晶粒逐漸長大。
  合金元素的影響  對一般回火過程的影響  合金元素硅能推遲碳化物的形核和長大,並有力地阻滯ε-碳化物轉變為滲碳體;鋼中加入2%左右硅可以使ε-碳化物保持到400℃。在碳鋼中,馬氏體的正方度於300℃基本消失,而含Cr、Mo、W、V、Ti和Si等元素的鋼,在450℃甚至 500℃回火后仍能保持一定的正方度。說明這些元素能推遲鐵碳過飽和固溶體的分解。反之,Mn和Ni促進這個分解過程(見合金鋼)。
  合金元素對淬火后的殘留奧氏體量也有很大影響。殘留奧氏體圍繞馬氏體板條成細網路;經300℃回火后這些奧氏體分解,在板條界產生滲碳體薄膜。殘留奧氏體含量高時,這種連續薄膜很可能是造成回火馬氏體脆性(300~350℃)的原因之一。合金元素,尤其是Cr、Si、W、Mo等,進入滲碳體結構內,把滲碳體顆粒粗化溫度由350~400℃提高到500~550℃,從而抑制回火軟化過程,同時也阻礙鐵素體的晶粒長大。
  特殊碳化物和次生硬化  當鋼中存在濃度足夠高的強碳化物形成元素時,在溫度為450~650℃範圍內,能取代滲碳體而形成它們自己的特殊碳化物。形成特殊碳化物時需要合金元素的擴散和再分配,而這些元素在鐵中的擴散係數比C、N等元素要低幾個數量級。因此在形核長大前需要一定的溫度條件。基於同樣理由,這些特殊碳化物的長大速度很低。在450~650℃形成的高度彌散的特殊碳化物,即使長期回火后仍保持其彌散性。圖4表明,在450~650℃之間合金碳化物的形成對基體產生強化作用,使鋼的硬度重新升高,出現峰值。這一現象稱為次生硬化。

回火回火

  鋼在回火后的性能 淬火鋼回火后的性能取決於它的內部顯微組織;鋼的顯微組織又隨其化學成分、淬火工藝及回火工藝而異。碳鋼在100~250℃之間回火后能獲得較好的力學性能。合金結構鋼在200~700℃之間回火后的力學性能的典型變化如圖5所示。從圖5可以看出,隨著回火溫度的升高,鋼的抗拉強度σb單調下降;屈服強度σ0.3先稍升高而後降低;斷面收縮率ψ和伸長率δ不斷改善;韌性(用斷裂韌度K1c為指標)總的趨勢是上升,但在300~400℃之間和500~550℃之間出現兩個極小值,相應地被稱為低溫回火脆性與高溫回火脆性。因此,為了獲得良好的綜合力學性能,合金結構鋼往往在三個不同溫度範圍回火:超高強度鋼約在200~300℃;彈簧鋼在460℃附近;調質鋼在550~650℃回火。碳素及合金工具鋼要求具有高硬度和高強度,回火溫度一般不超過200℃。回火時具有次生硬化的合金結構鋼、模具鋼和高速鋼等都在500~650℃範圍內回火。

回火回火

  回火脆性 是回火中必須注意的問題:
  低溫回火脆性  許多合金鋼淬火成馬氏體后在250~400℃回火中發生的脆化現象。已經發生的脆化不能用重新加熱的方法消除,因此又稱為不可逆回火脆性。引起低溫回火脆性的原因已作了大量研究。普遍認為,淬火鋼在250~400℃範圍內回火時,滲碳體在原奧氏體晶界或在馬氏體界面上析出,形成薄殼,是導致低溫回火脆性的主要原因。鋼中加入一定量的硅,推遲回火時滲碳體的形成,可提高發生低溫回火脆性的溫度,所以含硅的超高強度鋼可在300~320℃回火而不發生脆化,有利於改進綜合力學性能。
  高溫回火脆性  許多合金鋼淬火后在500~550℃之間回火,或在600℃以上溫度回火后以緩慢的冷卻速度通過500~550℃區間時發生的脆化現象。如果重新加熱到600℃以上溫度后快速冷卻,可以恢復韌性,因此又稱為可逆回火脆性。已經證明,鋼中P、Sn、Sb、As等雜質元素在500~550℃溫度向原奧氏體晶界偏聚,導致高溫回火脆性;Ni、Mn等元素可以和P、Sb等雜質元素髮生晶界協同偏聚(cosegregation),Cr元素則又促進這種協同偏聚,所以這些元素都加劇鋼的高溫回火脆性。相反,鉬與磷交互作用,阻礙磷在晶界的偏聚,可以減輕高溫回火脆性。稀土元素也有類似的作用。鋼在 600℃以上溫度回火后快速冷卻可以抑止磷的偏析,在熱處理操作中常用來避免發生高溫回火脆性。

 

3 回火 -配圖

 

4 回火 -相關連接

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