淺談淬火碳鋼在回火時的轉變
2018-04-23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，在現代機械制造工業得到廣泛的應用，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
關鍵詞：淬火碳鋼；回火；轉變
馬氏體和殘余奧氏體是淬火后鋼的的兩大組成部分，有自發轉變為鐵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定的，而淬火鋼的回火就是促使馬氏體和殘余奧氏體轉變為鐵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Z大和Z小的組織。體積的變化將伴隨整個轉變過程，并且根據這種體積變化，就可了解回火時的相變情況。例如當馬氏體發生轉變導致鋼的體積將減小；當殘余奧氏體發生轉變導致鋼的體積將增大。因此，在出現明顯的體積變化時，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，經過X射線分析證明，此時只發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，即發生回火的次轉變（回火階段）。在此階段，鋼的體積發生收縮。在此溫度范圍內，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，以致于它們仍然含有飽和的碳。所以在回火次轉變后，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系的ε碳化物。這種碳化物與馬氏體保持共格聯系，回火馬氏體即是指回火次轉變后鋼的組織。此時與過飽和固溶體的母相共格聯系的碳化物極為細小，它們所析出的碳化物數量較多、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。
在次轉變后，繼續加熱到200℃～300℃時鋼的體積又發生膨脹。主要是因為比容Z小的殘余奧氏體在鋼的組織中發生分解所致。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℃區間發生分解并分解完畢，一般轉變為下貝氏體。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，馬氏體繼續分解會降低鋼的硬度，但是同時出現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固溶體內繼續析出，同時ε碳化物也逐漸轉變為Fe3C，需繼續加熱，一直延續至400℃而告終，導致鋼的體積又發生收縮。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固溶體內析出，并出現穩定的與母相不再有晶格聯系的Fe3C相，因而內應力大量消除。經第三次轉變后，鋼即由鐵素體和滲碳體所組成。繼續升高溫度，發生回火第四次轉變，此時將使滲碳體質點發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為體心立方晶格，內部亞結構發生回復與再結晶，所產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，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，滲碳體已經聚集球化成顆粒狀。
（3）回火索氏體
在500℃～600℃溫度范圍內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）.
在淬火鋼中的馬氏體和奧氏體分別是比容Z大和Z小的組織。體積的變化將伴隨整個轉變過程，并且根據這種體積變化，就可了解回火時的相變情況。例如當馬氏體發生轉變導致鋼的體積將減小；當殘余奧氏體發生轉變導致鋼的體積將增大。因此，在出現明顯的體積變化時，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，經過X射線分析證明，此時只發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，即發生回火的次轉變（回火階段）。在此階段，鋼的體積發生收縮。在此溫度范圍內，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，以致于它們仍然含有飽和的碳。所以在回火次轉變后，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系的ε碳化物。這種碳化物與馬氏體保持共格聯系，回火馬氏體即是指回火次轉變后鋼的組織。此時與過飽和固溶體的母相共格聯系的碳化物極為細小，它們所析出的碳化物數量較多、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。
在次轉變后，繼續加熱到200℃～300℃時鋼的體積又發生膨脹。主要是因為比容Z小的殘余奧氏體在鋼的組織中發生分解所致。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℃區間發生分解并分解完畢，一般轉變為下貝氏體。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，馬氏體繼續分解會降低鋼的硬度，但是同時出現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固溶體內繼續析出，同時ε碳化物也逐漸轉變為Fe3C，需繼續加熱，一直延續至400℃而告終，導致鋼的體積又發生收縮。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固溶體內析出，并出現穩定的與母相不再有晶格聯系的Fe3C相，因而內應力大量消除。經第三次轉變后，鋼即由鐵素體和滲碳體所組成。繼續升高溫度，發生回火第四次轉變，此時將使滲碳體質點發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為體心立方晶格，內部亞結構發生回復與再結晶，所產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，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，滲碳體已經聚集球化成顆粒狀。
（3）回火索氏體
在500℃～600℃溫度范圍內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.
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