Chapter8回火转变解读课件.ppt
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- Chapter8 回火 转变 解读 课件
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1、第八章 回火转变与钢的回火Tempering transformation and Tempering of Steel王建刚 8.1 淬火钢在回火时的组织变化淬火钢在回火时的组织变化 8.2 淬火钢回火后机械性能的变化淬火钢回火后机械性能的变化 8.3 合金元素对回火得影响合金元素对回火得影响 8.4 回火脆化现象回火脆化现象 8.5 回火工艺回火工艺主要内容 重点:重点:1.淬火钢回火时组织变化规律;淬火钢回火时组织变化规律;2.合金元素对回火的影响:二次硬化;合金元素对回火的影响:二次硬化;3.回火脆性的原因及防止;回火脆性的原因及防止;4.回火工艺参数确定。回火工艺参数确定。难点:难点
2、:1.回火时组织变化规律;回火时组织变化规律;2.回火脆性现象;回火脆性现象;3.合金元素对回火得影响。合金元素对回火得影响。重点与难点1.回火的定义回火的定义 淬火钢件加热到低于淬火钢件加热到低于A1点以下某一温度保温一段时间,然后点以下某一温度保温一段时间,然后冷却(一般是空冷到室温)的操作,称为回火。冷却(一般是空冷到室温)的操作,称为回火。2.回火的目的回火的目的1)使工件获得所要求的机械性能使工件获得所要求的机械性能2)减少或消除内应力)减少或消除内应力3)稳定工件的组织和尺寸)稳定工件的组织和尺寸 回火使淬火后得到的具有高硬度、高强度的亚稳马氏体及残回火使淬火后得到的具有高硬度、高
3、强度的亚稳马氏体及残余奥氏体组织,具有余奥氏体组织,具有调整组织;调整组织;改善力学性能;改善力学性能;消除消除淬火造成的残余应力的作用。可以在淬火造成的残余应力的作用。可以在A1以下很宽的温度范围以下很宽的温度范围进行,钢的性能也可在很宽的范围内变化。进行,钢的性能也可在很宽的范围内变化。概述8.1 淬火钢在回火时的组织变化淬火钢的组织主要是淬火钢的组织主要是马氏体马氏体和和一定量的残余奥氏体一定量的残余奥氏体。淬火组织高度不稳定:淬火组织高度不稳定:马氏体中的碳高度过饱和;马氏体中的碳高度过饱和;马氏体马氏体中有很高的应变能和界面能;中有很高的应变能和界面能;与马氏体并存的还有一定量的与马
4、氏体并存的还有一定量的残余奥氏体。残余奥氏体。碳钢在整个回火过程可分为碳钢在整个回火过程可分为5个有区别而又互相重叠的阶段:个有区别而又互相重叠的阶段:1.碳原子的重新分布碳原子的重新分布时效阶段(时效阶段(100以下);以下);2.过渡碳化物(过渡碳化物(/或或)的沉淀)的沉淀第一阶段(第一阶段(100300););3.残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解回火第二阶段(回火第二阶段(200300););4.过渡碳化物(过渡碳化物(/或或)转变为)转变为Fe3C第三阶段第三阶段(200350);5.Fe3C的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段回火
5、第四阶段(350以上)。以上)。1.碳原子的重新分布碳原子的重新分布时效阶段(时效阶段(100以下)以下)碳钢马氏体回火时要经历一系列复杂的反应,最终产物为渗碳钢马氏体回火时要经历一系列复杂的反应,最终产物为渗碳体弥散分布在铁素体基体中。之前以碳体弥散分布在铁素体基体中。之前以碳化物的沉淀作为回碳化物的沉淀作为回火第一阶段的标志,后来研究发现在火第一阶段的标志,后来研究发现在碳化物的沉淀之前,马碳化物的沉淀之前,马氏体中还有更小尺度的组织变化,称为时效阶段。氏体中还有更小尺度的组织变化,称为时效阶段。8.1 淬火钢在回火时的组织变化淬火马氏体中的淬火马氏体中的C原子在以碳化物形式析出前,将首先
6、向大原子在以碳化物形式析出前,将首先向大量存在于量存在于M中的位错及孪晶界面偏聚,发生碳原子偏聚和聚集,中的位错及孪晶界面偏聚,发生碳原子偏聚和聚集,成为碳原子偏聚区和成为碳原子偏聚区和C原子集团原子集团 a.温度温度20100 b.具有一定位错密度的板条具有一定位错密度的板条M;c.不具备形成不具备形成K或或K不稳定;不稳定;d.碳的扩散能力不大。碳的扩散能力不大。在此温度范围,在此温度范围,C、N原子尚有一定扩散能力,原子尚有一定扩散能力,C原原子向位错附近的间隙位置偏聚,或在孪晶面形成富子向位错附近的间隙位置偏聚,或在孪晶面形成富碳聚集区域。碳聚集区域。条件条件8.1 淬火钢在回火时的组
7、织变化 淬火淬火M中碳原子分布在其体心立方中碳原子分布在其体心立方的八面体中心,使晶体产生的八面体中心,使晶体产生 严重畸变。严重畸变。原因原因 C原子比较小,直径原子比较小,直径d0.154nm1.54A在常温可通过扩散向晶内缺陷偏聚。在常温可通过扩散向晶内缺陷偏聚。扩散常数扩散常数D00.394mm2/秒秒 在在130,移动,移动0.2nm2A需需 2.5ms8.1 淬火钢在回火时的组织变化2.过渡碳化物(过渡碳化物(/或或)的沉淀)的沉淀 过渡碳化物的析出,也称:淬火马氏体分解,构成了回火第一过渡碳化物的析出,也称:淬火马氏体分解,构成了回火第一阶段。阶段。碳化物具有密排六方结构碳化物具
8、有密排六方结构8.1 淬火钢在回火时的组织变化M 相相 碳化物碳化物 多余的碳原子与多余的碳原子与Fe形成化合物:形成化合物:碳化物碳化物 母相由过饱和状态转变为饱和状态;母相由过饱和状态转变为饱和状态;正方度正方度c/a度减小,直到度减小,直到c/a 1回火马氏体:低碳回火马氏体:低碳相和弥散分布的,并与之保持相和弥散分布的,并与之保持共格关系的共格关系的 碳化物构成的组织碳化物构成的组织0.20.3%C偏聚、有序偏聚、有序化、化合形成化、化合形成45#钢钢900水冷组织,条状水冷组织,条状M+片状片状M 1.回火马氏体回火马氏体 C钢淬火钢淬火M为条状片状混合组织,为条状片状混合组织,15
9、0250回火,仍保持其形态回火,仍保持其形态,浸蚀后颜色变深。,浸蚀后颜色变深。8.1 淬火钢在回火时的组织变化 (a)500 (b)500045#钢水冷钢水冷200回火回火M(条状条状+片状片状)的金相和电镜图的金相和电镜图 8.1 淬火钢在回火时的组织变化(a)500 (b)500020CrNiMo钢钢1100水冷组织的金相和电镜图,条状水冷组织的金相和电镜图,条状M 低低C钢钢M,低温回火以后,低温回火以后,M中只发生中只发生C原子偏聚,尚未原子偏聚,尚未析出碳化物。金相观察条状析出碳化物。金相观察条状M的形态。的形态。8.1 淬火钢在回火时的组织变化 (a)500 (b)500020C
10、rNiMo钢钢1100水冷水冷2005h回火的金相和电镜图回火的金相和电镜图,条状回火条状回火M 8.1 淬火钢在回火时的组织变化马氏体碳浓度与回火温度的关系马氏体碳浓度与回火温度的关系 M内过饱和的内过饱和的C原子脱溶,沉淀析出与母相共格的原子脱溶,沉淀析出与母相共格的碳化碳化物,基体成为含物,基体成为含C=0.25左右的过饱和固溶体(左右的过饱和固溶体(相)。相)。M分解的分类(高碳钢,根据回火温度)分解的分类(高碳钢,根据回火温度)两相式分解两相式分解:80-150,碳原子扩散能力低,碳原子扩散能力低,M的分解只能依的分解只能依靠靠 碳化物在碳化物在M晶体内不断生核、析出,而不能依靠其长
11、大进晶体内不断生核、析出,而不能依靠其长大进行。紧靠行。紧靠 碳化物周围形成贫碳区,远离碳化物周围形成贫碳区,远离 碳化物的碳化物的M仍保仍保持较高的碳浓度,因此组织中除了持较高的碳浓度,因此组织中除了 碳化物外,还有碳浓度不碳化物外,还有碳浓度不同的两种同的两种相。相。连续式分解连续式分解:150-350,碳原子扩散能力增强,碳原子扩散能力增强,碳化物能碳化物能从较远处获得碳原子而长大,最终碳浓度达到基本一致或从较远处获得碳原子而长大,最终碳浓度达到基本一致或M的碳浓度连续地降低。的碳浓度连续地降低。8.1 淬火钢在回火时的组织变化8.1 淬火钢在回火时的组织变化3.残余奥氏体的分解残余奥氏
12、体的分解回火第二阶段(回火第二阶段(200300)含含C量量0.4的钢,淬火后存在残余奥氏体的钢,淬火后存在残余奥氏体A,淬火组织,淬火组织在在200 300回火时,发生残余奥氏体分解,表现为:回火时,发生残余奥氏体分解,表现为:1.残余奥氏体分解与直接过冷残余奥氏体分解与直接过冷A转变有相似之处,包括转变有相似之处,包括分解产物与动力学曲线。分解产物与动力学曲线。2.分解产物从高温到低温依次为:先共析相(分解产物从高温到低温依次为:先共析相(F或或Fe3C)、)、P、B、M+A1)残余奥氏体向马氏体的转变()残余奥氏体向马氏体的转变(200)如:如:GCr15钢经钢经1100淬火(淬火(Ms
13、159),),A为为17,经经T159回火就回火就 有有M分解得分解得 同时,同时,A转变为转变为M。一般高一般高C钢中的钢中的A在在T200回火没有明显变化,有些低回火没有明显变化,有些低合金钢在合金钢在Ms以下,从室温以下,从室温200的升温或恒温过程。的升温或恒温过程。A可部分可部分M并同时发生回火得到回火并同时发生回火得到回火M;也有的可部;也有的可部分分A B下下8.1 淬火钢在回火时的组织变化TTT曲线曲线残余奥氏体残余奥氏体 -过冷奥氏体过冷奥氏体 2)残余奥氏体分解自)残余奥氏体分解自200开始分解开始分解300分解基本完成分解基本完成在较低温度下在较低温度下AB;在较高温度下
14、在较高温度下A先析出碳先析出碳化物,再转变化物,再转变PA的孕育期较过冷的孕育期较过冷A短。短。3)残余奥氏体在快速加热到)残余奥氏体在快速加热到较高温度回火时向较高温度回火时向B上上或或P的转的转变变,如图所示:如图所示:8.1 淬火钢在回火时的组织变化有些高合金钢的有些高合金钢的A均稳定,即使在较高温度下回火也不发生分均稳定,即使在较高温度下回火也不发生分解或不能完全分解。但在回火冷却时转变为解或不能完全分解。但在回火冷却时转变为M。主要是回火时由于析出主要是回火时由于析出碳化物,使其碳化物,使其C ,合金元素含量,合金元素含量 ,提高了提高了M转变的转变的Ms,促使它在随后冷却时,促使它
15、在随后冷却时M。高速钢的淬火高速钢的淬火M,经三次高温回火的二次硬化现象就是如此。,经三次高温回火的二次硬化现象就是如此。总之:总之:A分解产物特征,是分解产物特征,是Fe3C的特征:的特征:其其相的相的C含量相当于同温度下含量相当于同温度下M回火的回火的C含量;含量;初期析出碳化物仍具有共格联系的初期析出碳化物仍具有共格联系的碳化物,碳化物,300时析时析出出Fe3C。4)残余奥氏体在回火后冷却到)残余奥氏体在回火后冷却到Ms点以下时向点以下时向M转变转变8.1 淬火钢在回火时的组织变化8.1 淬火钢在回火时的组织变化4.过渡碳化物(过渡碳化物(/或或 )转变为)转变为Fe3C第三阶段第三阶
16、段(200350)在在200350回火,回火,M内过饱和内过饱和C原子几乎全部脱溶,沉淀原子几乎全部脱溶,沉淀析出比析出比碳化物碳化物 更为稳定的更为稳定的K。低低C钢在钢在200350回火时,偏聚在位错线附近的回火时,偏聚在位错线附近的C原子,原子,可在偏聚区内直接析出可在偏聚区内直接析出 碳化物,即渗碳化物,即渗C体体Fe3C。高高C孪晶孪晶M在在200350回火,当回火,当T200,碳化物重碳化物重新溶解,同时析出新溶解,同时析出 碳化物。碳化物。T350,析出的碳化物,析出的碳化物(Fe3C)逐渐聚集、球化和长大。逐渐聚集、球化和长大。在在250450中温回火,便得到回火屈氏体。中温回
17、火,便得到回火屈氏体。金相组织特征:仍然基本保持原来的条状或片状金相组织特征:仍然基本保持原来的条状或片状M形态,形态,Fe3C颗粒很细小,但能分辨。颗粒很细小,但能分辨。回火屈氏体(回火屈氏体(T)(a)500 (b)5000图图7-13 45#钢水冷钢水冷200回火回火M(条状条状+片状片状)的金相和电镜图的金相和电镜图 (a)500 (b)5000图图7-16 45#钢水冷钢水冷4001h回火的金相和电镜图,回火的金相和电镜图,回火屈氏体回火屈氏体 即:即:相回复和再结晶及渗碳体粗化和球化相回复和再结晶及渗碳体粗化和球化Fe3C的集聚长大接近球状、的集聚长大接近球状、a-Fe再结晶(再结
18、晶(F从条状从条状等轴块等轴块 状)状)在在350700期间,随着回火温度升高期间,随着回火温度升高回火索氏体(回火索氏体(S)8.1 淬火钢在回火时的组织变化5.Fe3C的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成的粗化和球化,以及等轴铁素体晶粒的形成回火第四阶段(回火第四阶段(350以上)以上)(a)500 (b)500045#钢水冷钢水冷6501h回火的金相和电镜图,回火索氏体回火的金相和电镜图,回火索氏体 淬火钢在淬火钢在450650高温回火得到回火索氏体组织。金相组织高温回火得到回火索氏体组织。金相组织特征:特征:F粒状粒状Fe3C。碳钢调质处理后就是这种组织。一般没有。碳钢调质处理后就是
19、这种组织。一般没有针状形态的针状形态的F,但某些热稳定性很好的合金钢调质后,仍会有些,但某些热稳定性很好的合金钢调质后,仍会有些F保持针状保持针状。回火索氏体回火索氏体(S)(1)对低碳条状马氏体)对低碳条状马氏体回火温度回火温度T350,相中的位错、亚结构将发生回复和再结晶相中的位错、亚结构将发生回复和再结晶回复阶段温度约回复阶段温度约350550;再结晶阶段温度:;再结晶阶段温度:6007008.1 淬火钢在回火时的组织变化相内部的位错胞和位错线逐渐消失,位错密相内部的位错胞和位错线逐渐消失,位错密度下降,重新组合后的亚晶粒位错网络变的平度下降,重新组合后的亚晶粒位错网络变的平直,但直,但
20、相仍为板条状。相仍为板条状。回复回复现象现象相亚晶粒通过铁原子扩散而长大形成位错密度相亚晶粒通过铁原子扩散而长大形成位错密度较低的等轴状较低的等轴状新晶粒,逐步替代回复后的条状新晶粒,逐步替代回复后的条状组织。原马氏体晶粒形态消失。随着回火温度组织。原马氏体晶粒形态消失。随着回火温度升高,升高,相晶粒和碳化物颗粒进一步长大。相晶粒和碳化物颗粒进一步长大。再结晶再结晶 现现 象象当回火温度当回火温度T300,M片内的孪晶逐渐消失,而出现片内的孪晶逐渐消失,而出现位错胞和位错线,位错胞和位错线,T=400时,孪晶全部消失,时,孪晶全部消失,T400时,时,相也发生回复与再结晶,其过程与位错型马氏体
21、的变化相同。相也发生回复与再结晶,其过程与位错型马氏体的变化相同。(2)对于高碳的孪晶马氏体对于高碳的孪晶马氏体(3)在)在相回复与再结晶过程中,工件淬火组织中的三类内相回复与再结晶过程中,工件淬火组织中的三类内应力逐步消失。应力逐步消失。回复与再回复与再结晶过程结晶过程示意图示意图淬火钢的再结晶组织(淬火钢的再结晶组织(1000)(a)0.2%钢再结晶组织,上部已回复但未再结晶,下部已完全在结晶钢再结晶组织,上部已回复但未再结晶,下部已完全在结晶,(b)-Fe-0.18%C60096h回火,等轴回火,等轴F+Fe3C ba淬火碳钢回火时组织变化过程一览表淬火碳钢回火时组织变化过程一览表 回火
22、温度()组织转变阶段 回火组织、结构变化 条状(位错)M 片状(孪晶)M 20100 C偏聚或聚集C原子偏聚在位错线附近间隙位置 C原子聚集在M110M面形成高碳聚集区域 (10A)100300马氏体分解250时C原子几乎全部偏聚在位错线附近间隙位置 1)在M110M面上共格析出片状-碳化物;2)M正方度下降,当含C0.25时基体为过饱和碳的相(体心立方)。200300残余奥氏体分解A分解为B下组织:相碳化物。200350碳化物类型变化1.M中C原子全部脱溶在M条内、条界或晶界直接析出;2.相保持条状形态。1.250,-碳化物重新溶解,同时在孪晶面 112M析出-碳化物;2.温度升高,112M
23、面上的-碳化物转变为 K,同时在110M面上也析出-K;3.250孪晶亚结构逐步消失,至400全部消 失,同时产生位错胞及位错线。回火温度()组织转变阶段 回火组织、结构变化 350600相回复,相回复,渗碳体球渗碳体球化化 1.片状渗片状渗C体球化;体球化;2.相回复,位错亚结构逐步消失,位移密度下降,剩余的位错相回复,位错亚结构逐步消失,位移密度下降,剩余的位错 形成位错网络,把形成位错网络,把相分剖成许多亚晶粒;相分剖成许多亚晶粒;3.相基本上仍保持有条状或针状(片状)形态。相基本上仍保持有条状或针状(片状)形态。600720 相再结相再结晶,渗碳晶,渗碳体粗化体粗化 1.球状渗球状渗C
24、体粗化;体粗化;2.相再结晶,成为等轴状铁素体;相再结晶,成为等轴状铁素体;3.铁素体晶粒长大。铁素体晶粒长大。接上表:淬火淬火M硬度、强度高,但塑性、韧性差,其高强度来硬度、强度高,但塑性、韧性差,其高强度来自于相硬化强化、固溶强化及时效强化。自于相硬化强化、固溶强化及时效强化。8.2 淬火钢回火后机械性能的变化淬火钢回火后,发生组织转变和结构变化,上述强化逐渐减弱、淬火钢回火后,发生组织转变和结构变化,上述强化逐渐减弱、消失。决定淬火钢回火后性能的主要结构因素有以下方面:消失。决定淬火钢回火后性能的主要结构因素有以下方面:低温回火低温回火(100250)时为:时为:相中的碳含量;相中的碳含
25、量;中温回火中温回火(250450)时为:时为:相中的碳含量、相中的碳含量、Fe3C弥散度;弥散度;高温回火高温回火(450650)时为:时为:Fe3C粗化及球化、粗化及球化、相的物理状态相的物理状态及成分。及成分。高碳钢低温回火时,硬度略有增高,与高碳钢低温回火时,硬度略有增高,与碳化物的共格析出碳化物的共格析出有关。有关。低、中碳钢在低、中碳钢在100700回火回火1h的力学性能变化的力学性能变化从以上两图给出的力学性能变化曲线,可以看出:从以上两图给出的力学性能变化曲线,可以看出:1.在在250以下回火时,具有很高的强度(以下回火时,具有很高的强度(b、S、sK)和硬度)和硬度 (HRC
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