合金元素对回火转变的影响

2022-06-20 14:10:17 作者：每天学点热处理来源：每天学点热处理分享至：

01 前言

合金元素对回火转变的影响

在实际生产中，我们普遍能发现一些现象，如：

① 对于渗碳件和碳氮共渗件，淬火后要想达到相同的硬度（如480-610HV5），为什么碳氮共渗件需要更高的回火温度？

② 45钢和42CrMo相比，硬度要求28-32HRC，为什么42CrMo的回火温度高一些？

③ 高速钢（如SKH-9、W6Mo5Cr4V2）通过常规的高温回火后，为什么硬度不降反而上升呢？

上述现象就是本期文章将要介绍的“合金元素对金属件回火转变的影响”，具体内容请看下文，文章稍长，还请慢品。

02 合金元素对马氏体分解的影响

合金钢中的马氏体分解过程与碳钢基本相似，但其分解速度有明显差别。

实验证明，在马氏体分解阶段，尤其是在马氏体分解的后期阶段，合金元素的影响十分显著。合金元素影响马氏体分解的原因和规律大致可归纳如下。

1 在马氏体分解阶段要发生马氏体中过饱和碳的脱溶和碳化物粒子的析出与聚集长大，同时基体α相中的碳含量下降。合金元素的作用主要在于通过影响碳的扩散而影响马氏体的分解过程以及碳化物粒子的聚集长大速度，从而影响α相中碳浓度的下降速度。这种作用的大小因合金元素与碳的结合力的大小不同而异。

2 非碳化物形成元素（Ni）和弱碳化物形成元素（Mn）与C的结合力和Fe相比相差不大，所以对马氏体分解无明显影响。

强碳化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Ti等）与C的结合力较强，增大C在马氏体中的扩散激活能，阻碍 C在马氏体中的扩散，从而减慢马氏体的分解速度。而非碳化物形成元素Si和Co能够溶解到ε-FexC中，使ε-FexC稳定，减慢碳化物的聚集速度，从而推迟马氏体分解。

3 碳钢回火时马氏体中过饱和碳完全脱溶温度约为300℃，加入合金元素可使完全脱溶温度向高温推移100-150℃。也就是说，合金钢在较高温度回火时仍可以保持α相具有一定饱和碳浓度和细小碳化物，从而保持高的硬度和强度。合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质称为合金元素提高了钢的回火抗力或“抗回火性”。

03 合金元素对残余奥氏体转变的影响

合金钢中残余奥氏体的转变与碳钢基本相似，只是合金元素可以改变残余奥氏体分解的温度和速度，从而可能影响残余奥氏体转变的类型和性质。

在Ms点以下回火时，残余奥氏体将转变为马氏体。若Ms点较高（＞100℃），则随后还将发生马氏体的分解过程，形成回火马氏体。

在Ms点以上回火时，残余奥氏体可能发生三种转变：① 在贝氏体形成区内等温转变为贝氏体；② 在珠光体形成区内等温转变为珠光体；③ 在回火加热、保温过程中不发生分解，而在随后的冷却过程中转变为马氏体，即所谓的“二次淬火”现象。

注：思考①，二次淬火理论在高速钢的多次回火过程中有应用吗？

04 合金元素对碳化物转变的影响

非碳化物形成元素（Cu、Ni、Co、Al、Si等）与碳不形成特殊类型的碳化物，它们只是提高ε-FexC向θ-Fe3C的转变，而且还会发生渗碳体到其他类型特殊碳化物的转变。

合金钢回火时，随着回火温度升高或回火时间延长，将发生合金元素在渗碳体和α相之间的重新分配。碳化物形成元素不断向渗碳体中扩散，而非碳化物形成元素逐渐向α相中富集，从而发生由更稳定碳化物逐渐代替原先不稳定的碳化物，使碳化物的成分和结构都发生变化。合金钢回火时碳化物转变的可能顺序为：

ε-碳化物（＜150℃）→渗碳体（150-400℃）→渗碳体（合金化，400-550℃）→特殊碳化物（亚稳）→特殊碳化物（稳定＞500℃）

钢中能否形成特殊碳化物，取决于所含合金元素的性质和含量、碳或氮的含量以及回火温度和时间等条件。合金钢在回火过程中，通常都是渗碳体通过亚稳碳化物再转变为稳定特殊碳化物。例如，高Cr高碳钢淬火后，在回火过程中的碳化物转变过程为：

（Fe，Cr）3C→（（Fe，Cr）3C）+（Cr,Fe）7C3→（Cr,Fe）7C3+（Cr，Fe）23C6→（Cr，Fe）23C6

特殊碳化物也是按这两种机制形成的。

一种为原位转变，即碳化物形成元素首先在渗碳体中富集，当其浓度超过合金渗碳体的溶解度极限时，渗碳体的点阵就改组特殊碳化物点阵。低铬钢中的（Fe,Cr）3C转变为（Cr，Fe）7C3就属于这种类型。提高回火温度会加速碳化物转变过程。

另一种为单独形核长大，即直接从α相中析出特殊碳化物，并同时伴有合金渗碳体的溶解。含有碳化物形成元素V、Ti、Nb、Ta等的钢以及高Cr钢均属于这种类型。

例如，1250℃淬火的0.3%C、2.1%V钢，低于500℃回火时析出合金渗碳体，其中V含量很低。由于固溶V强烈阻止α相继续分解，此时只有40%左右的碳以渗碳体形式析出，其余60%仍保留在α相中。当回火温度高于500℃时，从α相中直接析出VC。随回火温度进一步升高，VC大量析出，渗碳体大量溶解。回火温度达700℃时，渗碳体全部溶解，碳化物全部转化为VC。

05 回火时的二次硬化现象

碳钢在回火第三阶段，随着渗碳体颗粒的长大，将不断软化，如图1所示。

图1 低、中碳钢在100-700℃回火1h的硬度变化

但是，当钢中含有Mo、V、W、Ta、Nb和Ti等强碳化物形成元素时，将减弱软化倾向，即增大了软化抗力。当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，θ-碳化物粗化而粗化的钢再度硬化，这种现象称为二次硬化。有时二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度还高。

图2 回火温度对低碳钼钢马氏体硬度的影响

图2示出了钼含量对低碳（0.1%C）钼钢二次硬化作用的影响，可见，随着Mo含量增加，二次硬化作用加剧。其他强碳化物形成元素（如Ti、V、W、Nb等）也有类似作用。Cr含量很高时（如大于12%）才有不太明显的二次硬化峰。碳钢中不发生二次硬化现象。

电镜观察证实，二次硬化是由于弥散、细小的特殊碳化物（如Mo2C、W2C、VC、TiC、NbC等）的析出造成的。具有二次硬化作用的特殊碳化物在位错区沉淀析出，常呈极细针状或薄片状，尺寸很小，而且与α相保持共格关系。随回火温度升高，碳化物数量增多，碳化物尺寸逐步增大，与α相的共格畸变也逐渐加剧，直至硬度达到峰值。再继续升高温度，由于碳化物长大，弥散度减小，共格关系被破坏，共格畸变消失以及位错密度降低，从而使硬度迅速下降。综上所述，可以认为对二次硬化有贡献的因素是特殊碳化物的弥散度、α相中的位错密度和碳化物与α相之间的共格畸变等。

可以通过下述途径来提高钢的二次硬化效应：

第一，增大钢中的位错密度，以增加特殊碳化物的形核部位，从而进一步增大碳化物的弥散度。如图采用低温形变淬火方法等。

第二，钢中加入某些合金元素，以减慢特殊碳化物形成元素的扩散，抑制细小碳化物的长大和延缓这类碳化物过时效现象的发生。例如，钢中加入Co、Al、Si、Nb、Ta等元素，都可以使特殊碳化物细小弥散并与α相保持共格畸变状态，从而增大钢的回火稳定性。

利用二次硬化效应，可以选用具有二次硬化的合金钢制作在热状态下工作的工件，只要使用温度低于回火温度（产生二次硬化峰的温度），钢件就可保持高的硬度和强度。

06 合金元素对α相回复和再结晶的影响

合金钢在高温回火时，若能够形成颗粒细小的特殊碳化物，且又与α相保持共格关系，则能使α相保持较高的碳过饱和度，显著地延迟α相的回复和再结晶，因而使α相处于较大的畸变状态，仍然保持较高的硬度和强度，即具有很高的回火稳定性。

在合金钢中，常用合金元素（如Mo、W、Ti、V、Cr、Si等）均具有阻碍回火时各类畸变消除的作用，而且一般都延缓α相的回复和再结晶（提高再结晶温度）以及碳化物的聚集长大过程，从而提高钢的回火稳定性。合金元素含量增高，这种延缓作用增强。钢中同时加入几种合金元素，其相互作用加剧。合金钢具有高的回火稳定性，在较高温度下仍保持较高的硬度和强度，使钢具有红硬性、热强性，这对于切屑刀具、热作模等工具钢是非常重要的。

07 结束语