碳素工具钢与合金工具钢的回火相变

碳素工具钢的回火分成几个阶段，每个阶段的温度范围和产生的组织变化，很多学者提出了许多不同的观点，G.克劳斯把碳素工具钢的回火大体上分为三个阶段：

第一阶段：100～250℃。在这个阶段马氏体分解成低碳马氏体（碳的质量分数约为0.25%）和过渡性碳化物（ε碳化物）。对于碳素工具钢回火第一阶段开始部分反应的结果是稍稍提高硬度，这个回火阶段的后面部分随着回火温度的升高，硬度逐渐降低。

第二阶段：200～300℃。在这个阶段残留奥氏体向铁素体和渗碳体转变，硬度继续下降。

第三阶段：250～600℃。在这个阶段ε碳化物开始转变成渗碳体，低碳马氏体转变成铁素体，因而形成铁素体+渗碳体的组织。这个阶段伴随着软化现象的发生，即使ε碳化物完全消失之后，由于渗碳体继续析出，耗尽铁素体中的碳，而导致进一步软化，渗碳体的聚集也加速软化。

回火的几个阶段的温度范围是重叠的，并视所采用的回火时间不同而变化。

Ю.А.盖列尔认为：不同碳含量的碳素钢随着回火温度的升高，马氏体的含碳量下降，如图2-33所示，尽管钢的原始碳含量不同，但是当回火温度超过200℃以后，马氏体中碳的质量分数都由最高点降低到0.2%左右。

图2-33 碳钢中马氏体的碳含量与回火温度的关系

低合金工具钢的回火组织转变与碳素工具钢的情况大体相似，合金元素对回火转变的第一阶段不起作用，只是由于加入W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素可以阻滞马氏体的继续分解和碳化物聚集，使回火的组织转变的第二阶段和第三阶段移向更高的温度，因此某些低合金工具钢的抗软化能力高于碳素工具钢。普通的碳钢在回火时随着回火温度的升高迅速软化，这是因为渗碳体型碳化物随着回火温度升高而长大，如果钢中的W、Mo、Cr、V等强碳化物形成元素的含量足够高，则会阻止这种软化。而且由于合金元素的存在，钢中形成的不再是渗碳体型碳化物，而是更加细小的合金碳化物。合金碳化物的聚集长大必须在更高的温度区域才能发生。

由于回火时析出的渗碳体颗粒尺寸非常小，普通光学显微镜是无法观察到碳化物的析出和长大过程的。图2-34所示为利用w（C）=0.3%、w（V）=0.7%的特殊试验用钢，在放大24000倍的电子显微镜下，清晰地显示了淬火后的马氏体组织在300～500℃回火后渗碳体的析出和长大的过程。对试验用钢，升高淬火加热温度，延长回火时间，即在1260℃加热后淬火，并进行5h回火，在高倍透射电镜下观察，才可以看到渗碳体长大过程。

如图2-34a所示，在淬火状态下，马氏体基体上，没有任何碳化物。如图2-34b所示，在当600℉（315℃）回火5h后，很明显地有碳化物析出。如图2-34c、d所示，当回火温度升高到800℉（427℃）和1000℉（537℃）时，碳化物显著长大并聚集。

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图2-34 回火时渗碳体颗粒的长大（24000×）

a）淬火 b）600℉（315℃）×5h回火 c）800℉（427℃）×5h回火 d）1000℉（537℃）×5h回火

碳素工具钢和合金工具钢通常采用水冷或油冷淬火，淬火后会产生大量的组织应力和热应力，通过回火可以有效地消除这些应力。如图2-35所示，w（C）=1.0%、w（Cr）=1.5%的合金工具钢油淬后产生的大量应力通过回火可以有效降低应力，并且回火温度越高，保温时间越长，应力消除越快。

在碳素工具钢和低合金工具钢的回火过程中，除了碳化物析出和聚集长大外，发生的另一种组织转变就是残留奥氏体向马氏体的转变。碳素工具钢大约在150～160℃回火时，奥氏体开始转变，但是在此温度区域需要很长的保温时间，才有很少量的残留奥氏体转变。残留奥氏体的大量转变是在200～240℃发生的。

合金元素的加入会提高了残留奥氏体转变的温度。图2-36所示为回火温度和保温时间对w（C）=1.0%、w（Cr）=1.2%、w（Mn）=1.0%的工具钢残留奥氏体数量的影响。该图是采用热膨胀的方法测定残留奥氏体数量的。由于残留奥氏体转变成马氏体要发生体积膨胀，因此图中的试样尺寸长大，代表残留奥氏体转变成马氏体，试样长度增长越多即代表了残留奥氏体转变成马氏体的数量越多。由图可见，这种钢回火时残留奥氏体转变情况与碳素工具钢大体相似，在150℃和175℃需长时间回火才有少量残留奥氏体转变，在200℃和225℃回火残留奥氏体转变速度很快。

在工具的生产实践中，为保持淬火得到的高的硬度，碳素工具钢与低合金工具钢通常回火温度大都选择在150℃以下，因此回火后残留奥氏体的数量基本不变。

图2-35 回火对油淬Cr钢试样表层应力的影响

图2-36 合金工具钢的回火温度和保温时间对残留奥氏体数量的影响