淬火钢回火时的组织转变

一、淬火钢回火时的组织转变

淬火钢的组织为淬火马氏体和残留奥氏体，且工件内部还存在很大的内应力。马氏体处于过饱和状态，残留奥氏体处于过冷状态，它们在室温下都是不稳定的，有自发转变为铁素体和渗碳体这种稳定状态的趋势。但在室温下原子扩散能力有限，这种转变难以进行，回火就是促使这种转变的发生和进行。

淬火钢在回火过程中主要发生以下几种转变。

(一)回火第一阶段(＜200℃)淬火马氏体分解为回火马氏体

淬火钢在100℃以下的加热过程中组织无明显变化。经X射线分析证实，此时仅在淬火马氏体内部发生碳原子偏聚。这是由于温度较低，铁和合金元素的原子难以扩散，碳原子仅能作短距离扩散，并向晶体缺陷(如位错线附近)或马氏体某些特定晶面聚集。马氏体晶体内过饱和的碳原子发生偏聚，可看做是马氏体分解的准备阶段。

淬火马氏体的分解实质上就是碳原子从过饱和的α-Fe中不断析出，其正方度不断减小的过程。马氏体的分解大约从100℃时开始，可一直延续至350℃以上。分解初期首先是淬火马氏体中碳原子偏聚区中的碳原子开始有序化，继而转变为碳化物，然后开始从马氏体中析出。在100～200℃范围内从马氏体中析出的碳化物并不是Fe₃C，而是一种呈正交晶格的ε-碳化物。这种碳化物不稳定，它是向Fe₃C转变的一个过渡相，其形态呈极细小的薄片状并与淬火马氏体保持共格关系(所谓共格关系是指两相界面上的原子恰好位于两相晶格的共同结点上，如图6-29所示)。

图6-29　共格关系示意图

由于回火温度较低，原子扩散能力较弱，这一阶段马氏体的分解只能依靠ε-碳化物在马氏体晶体中不断形核、析出，而不能依靠ε-碳化物的长大而进行。故马氏体虽然会因碳的析出过饱和度有所降低，正方度c/a略有减小，但其显微组织仍保持淬火马氏体的片状或板条状形态。所以，在＜200℃回火后，钢的硬度并未降低，但由于ε-碳化物的析出，晶格畸变减轻，淬火应力有所下降。这种由过饱和的α-Fe固溶体和与其保持共格关系的ε-碳化物所组成的双相组织称为回火马氏体。

(二)回火第二阶段(200～300℃)残余奥氏体分解

当回火温度升高至200～300℃之间时，淬火马氏体继续分解为回火马氏体。同时由于其正方度减小，体积收缩，降低了对残余奥氏体的压力，为残余奥氏体转变创造了条件。在200℃以上回火，残余奥氏体开始分解，在析出ε-碳化物的同时，其晶格也由面心立方的γ-Fe固溶体转变为体心立方的α-Fe固溶体。

钢中的残余奥氏体一般从200℃开始分解，到300℃基本完成，其分解产物随回火温度不同而异，温度较低时分解为回火马氏体，温度较高时可分解为下贝氏体。

在200℃～300℃温度范围，马氏体的进一步分解将导致钢的硬度下降，但残余奥氏体的转变又会使钢的硬度升高，两方面综合作用的结果，使钢的硬度在此阶段并不出现明显下降，但淬火应力进一步降低。

(三)回火第三阶段(250～450℃)碳化物的转变

从马氏体和残余奥氏体中析出的ε-碳化物，在继续升温的过程中，将转变为更加稳定的Fe₃C。温度达到350℃时这种转变进行最快，同时渗碳体的形态也由极细的薄片状逐渐聚集成细粒状。当温度升高到450℃时，淬火马氏体完全分解，α固溶体的碳含量已降至接近平衡值(0．0218%)，晶格正方度c/a也已接近于1。实质上过饱和的α固溶体此时已转变为体心立方晶格的铁素体，但其仍可保持针状或板条状形态。在马氏体分解的同时，所有碳化物与母相α固溶体的共格关系已完全破坏，全部转变为细粒状的渗碳体。这时钢的组织由铁素体和高度弥散分布的渗碳体组成，这种组织称为回火托氏体。

在这一阶段，钢的硬度已有明显降低，内应力基本消除。

(四)回火第四阶段(450～700℃)渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶

当回火温度升高至450℃以上时，回火托氏体中高度弥散分布的渗碳体已完全球化成细粒状，在随后温度升高的过程中将不断地聚集长大，600℃以上则迅速长大粗化。在渗碳体长大的同时，回火托氏体中针状或板条状的铁素体开始通过重新形核、长大，逐渐形成多边形化的等轴晶粒，这个过程称为铁素体的再结晶。这种由已经发生再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成的混合物组织，称为回火索氏体。

这时，淬火产生的强化作用已完全消失，钢的强度和硬度则主要取决于组织中渗碳体质点的大小和弥散度。回火温度愈高，渗碳体质点愈大，弥散度愈小，钢的硬度和强度愈低。但在一定的回火温度范围内，钢的韧性却大幅提高。

综上所述，淬火钢在回火过程中的组织转变主要有马氏体的分解;残余奥氏体的转变;碳化物的转变和铁素体的再结晶四种。这四种转变发生在几个不同但又相互交叉的温度范围内，不同的转变过程往往同时交错进行。