四 碳化物转变(250~400℃) ——转变第三阶段

（一）高碳马氏体
碳钢中马氏体过饱和的C几乎全部脱溶，但仍 具有一定的正方度。形成两种比ε-FexC更加稳定 的碳化物： 一种是c-Fe5C2——单斜晶系

一种是θ-Fe3C——正交晶系


(1)碳化物转变取决于回火温度，也和时间有关， 随着回火时间的延长，转变温度可以降低。 (2)是否出现χ-Fe5C2与钢的C%有关，C%增加有利 于χ-Fe5C2产生(板条马氏体不易产生χ-Fe5C2)。
c
c/a
3.02 3.02 2.886 2.886 2.884 2.878 2.874
1.062 1.062 1.013 1.012 1.009 1.006 1.004
碳含量 (%) 1.4
1.2 0.29 0.27 0.21 0.14 0.08
250
1h
2.863
2.872
1.003
0.06

2. 马氏体单相分解 当温度高于150℃时，碳原子扩散能力 加大，a-Fe中不同浓度可通过长程扩散消 除，析出的碳化物粒子可从较远处得到碳 原子而长大。故在分解过程中，不再存在 两种不同碳含量的a相，碳含量和正方度不 断下降，当温度达300℃时，正方度c/a接 近 1。



淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的 组织： 250℃以下回火，得到α+碳化物(ε,η)， 即回火马氏体 (碳化物存在于板条或片内)， 记作M‘ ----低温回火 350~500℃回火，得到α （0.25%C）+θ 碳 化物，即回火屈氏体(细小碳化物及针状 α )， 记作T‘。----中温回火 500~650℃回火，得到平衡态等轴α+θ碳 化物，即回火索氏体(细粒碳化物及等轴 α)，记作S‘。-----高温回火
回复过程：
①板条马氏体的位错降低，剩下的位错将重 新排列形成二维位错网络 —— 多边化。这 是比较稳定的状态，这些位错网络把板条 马氏体晶粒分割成亚晶粒。 ②片状马氏体回火温度高于250℃时孪晶开始 消失，400℃孪晶全部消失。 回复过程马氏体晶粒空间形态不变(板 条状马氏体仍板条状，片状马氏体仍片状)。
Α’→ α’(C↓)+ε-FexC+ α’(C↑) 动画1 动画2
表7-1 含碳 1.4%的马氏体回火后点阵常数、 正方度与含碳量的变化
回火温 回火时 a 度℃ 间 10d 2.846 室温
100 125 150 175 200 225 1h 1h 1h 1h 1h 1h 2.846 2.846 2.852 2.857 2.859 2.861



淬火钢组织：M+Ar 回火转变的四个阶段： （1）马氏体分解，室温～350℃； （2）残余奥氏体转变，200℃300℃，属 于低温回火，得到回火马氏体(M')； （3）碳化物的析出和变化，250400℃, 属 于中温回火，得到回火屈氏体(T')； （4）a相的回复、再结晶, 400℃650℃， 属于高温回火，得到回火索氏体(S')。

在200～300℃之间, 钢中的残余奥氏体将 发生分解，转变为回火马氏体或下贝氏体。 其转变可用下式表示： Ar→M回或B下(α+ε-FexC)
回火T>Ms点，转变为P、B
二次淬火：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，将再次转变为马 氏体，这种情况称为二次淬火。



回火过程中，马氏体将继续转变，这必 然影响到残余奥氏体的转变，所以： a) 当加热到 A1 ～ MS 之间时，马氏体的存 在可促进珠光体转变，但影响不大。马氏体 的存在可大大促进贝氏体转变。 b) 当加热至 MS 以下时，残余奥氏体有可 能转变为马氏体。 c) 当加热回火时，如残余奥氏体未分解， 则在冷却过程中残余奥氏体将转变为马氏体， 这一过程称为催化。

（二 ）板条马氏体

低碳(＜0.2%C)板条马氏体在100~200℃ 回火，C原子仍偏聚在位错线附近处于稳定 状态，不析出ε-FexC。
马氏体分解与回火温度和时间的关系

（1）回火T↑，回火t ↑ ，M分解加剧； （2）M含碳量愈高，随T升高，含碳量降低迅速。 （3）回火初期，M中的碳含量下降快，一定时间 后基本不变。
（一）高碳马氏体

高碳马氏体的分解分为两步： 1.马氏体双相分解（100～150℃） a) 在碳原子的富集区，形成碳化物核，周围 碳原子的扩散促使其长大。但由于温度低，进行 的仅仅是近程扩散，从而形成具有二个浓度的α 相，析出的碳化物粒子也不易长大。 b) 在高碳区继续形成新核，随时间延长，高 碳区逐渐变成低碳区，高碳区减少。 c) 低碳区增多，平均成分将至 0.250.3% ， 与原始碳量、分解温度无关
此过程发生在温度高于100℃时，马氏 体开始发生部分分解，随回火温度的升高 及时间的延长，富集区的碳原子发生有序 化然后转变为碳化物。随碳化物的析出， 马氏体的含碳量不断减少，点阵常数c下降、 a升高、正方度c/a不断下降，并析出弥散 分布的过渡型ε碳化物。 α′→ M回(α′ + ε-FexC) ～0.25%C 共格 2~3

在普通金相显微镜下，观察不出回火 马氏体中的ε碳化物。回火马氏体在形态 上与淬火马氏体相似，但回火马氏体易腐 蚀，成黑色组织；回火马氏体和下贝氏体 都是由α固溶体和ε碳化物所组成，但回 火马氏体中的ε碳化物较下贝氏体中的ε 碳化物分布均匀。
20钢980℃淬火+200℃回火组织（400倍）
三 残余奥氏体转变(200~300℃) ——转变第二阶段
3.对a相回复、再结晶的影响
Ni无影响； Si、Mn稍有提高； Mo、V、W、Ti、Cr等提高回复、再结晶温度。 原因：碳化物颗粒钉扎位错。
合金钢回火时碳化物析出序列
二、二次硬化现象

二次硬化：如钢中含有Cr、Mo、V、Ti、Nb等碳 化物形成元素，经淬火并在500-600℃之间回火时， 不仅硬度不降低，反而升高到接近淬火钢的高硬 度值，这种强化效应，称为合金钢的二次硬化。
2 对碳化物聚集长大的影响
（1）碳化物形成元素可阻碍碳的扩散，从而 显著提高了马氏体的分解温度。 （2）合金碳化物的稳定性高。 当强碳化物形成元素含量较低时，一般溶于 Fe3C形成合金渗碳体； 当含量较高时，以合金碳化物的形式出现。
合金碳化物比θ 碳化物稳定； 一种合金元素可以形成几种不同的合金碳化 物； MC、M2C、M6C、M7C3、M23C6 合金碳化物形成有两种方式： (1)原位转变:碳化物形成元素在渗碳体中 富集，当浓度超过合金渗体中的溶解度时， 渗碳体的点阵就改组成特殊碳化物的点阵， 完成向稳定碳化物的转变。 (2)独立转变:直接从α相中析出特殊碳化物的 晶核，同时伴随有合金渗碳体的溶解。
8
45钢
840℃水淬+650℃回火
回火S
由原来M组织形态变成多边形F与颗粒状渗碳体组成的组织称为回火S。
回火组织（M’、T’、S’）比较
T8钢的回火组织 （M’、T’、S’）
6.2 合金元素对回火转变的影响和钢 中的回火脆性
合金元素对钢回火时组织转变的影响表 现在： 1.延缓钢的软化，回火稳定性提高； 2.引起二次硬化现象； 3.影响钢的回火脆性。 回火稳定性指随回火温度升高，材料的强 度和硬度下降快慢的程度，也称回火抗力的组织转变

一 碳原子的偏聚（～100℃）
1.板条马氏体 亚结构为位错，碳原子向位错线附近 偏聚形成偏聚区。C＋⊥ = ⊥C 2.片状马氏体 亚结构主要为孪晶，大量的碳原子向 垂直于马氏体的C轴的｛100｝面富集，形成 富碳区。
二 马氏体的分解与亚稳碳化物的形成 ----转变第一阶段
（二）低碳马氏体

当碳含量低于0.2%时，在200℃以下回 火，仅发生碳在位错线的偏聚，而且较为 稳定；在200℃以上回火，析出稳定的θ碳 化物。回火时，在板条内位错缠结处析出 细针状碳化物，沿板条界析出薄片状碳化 物。
综上所述 1.板条马氏体 马氏体中的碳原子全部析出， 在原马氏体内或晶界上析出渗碳体。α相仍保持 原M的形态。 2.片状马氏体 ε碳化物溶解，形成χ碳化物 （χ—Fe5C2），χ碳化物再转变成渗碳体。χ碳 化物仍与基体保持共格关系。渗碳体与基体无共 格关系。α相中的孪晶亚结构消失。 这一阶段转变完成后, 钢的组织由饱和的针状 α相和细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为回 火屈氏体。回火屈氏体仍保持原马氏体的形态， 但模糊不清。

如W18Cr4V淬火后，加热到560℃三次回火， 由于560℃正处于高速钢的珠光体与贝氏体 之间的转变奥氏体稳定区，故奥氏体在回 火中不发生转变，在随后的冷却过程中就 转变为马氏体，这就是催化。 但如果该钢 560℃回火后，在冷却过程中在250℃停留5 分钟，残余奥氏体又变得稳定，这一过程 称为稳定化。
45钢 840℃水淬+400℃回火
回火T
回火M转变为在保持M形态的F基体上分布着极其细小的渗碳体颗粒
五 a相回复再结晶及碳化物聚集长大 (＞400℃) ——转变第四阶段
由于马氏体中的缺陷（如位错或形变 孪晶等）密度很高，当回火温度超过400℃ 以上后，在回火过程中也发生回复和再结 晶过程。 1.α相400℃开始回复，位错密度下降。 2.600℃以下α相基本上保持板条或片状 M形态。 3.600℃以上球状渗碳体聚集和长大，进 一步粗化。 α相再结晶，由片状或板条状 转变成无应变的、等轴状新晶粒
第六章 钢的回火转变
本章基本内容


回火的定义、目的 淬火钢的回火时的组织转变 淬火钢回火时力学性能的变化
回火的定义：
将淬火零件重新加热到低于临界点A1某 一温度加热保温，使淬火亚稳组织发生转 变为稳定的回火组织，并一适当的冷却速 度冷却到室温的热处理工艺过程。