100～250℃的温度范围属于碳钢回火的第一阶段。在这个阶段，中、高碳马氏体将分解为由碳含量过饱和的ω（C）=0.2%～0.3%的α相和与之共格的ε亚稳碳化物组成的回火马氏体；而ω（C）≤0.2%的低碳马氏体不发生马氏体的分解，碳原子将继续偏聚而不析出。随着中、高碳马氏体中碳浓度的降低，其晶格常数c减小，a增大，正方度c/a减小。
图18-3表示c/a与回火温度及回火时间的关系，从中可以看出，ω（C）=0.96%的钢在不同温度回火后马氏体中含碳量与晶格常数的变化。从图中可以看出，随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低，正方度不断减少；回火温度越高，回火初期碳浓度下降越多，最终马氏体碳浓度越低。可见，回火温度对马氏体的分解起重要作用。
图18-3 含碳为0.96%的钢回火时马氏体中的碳含量曲线
1.高碳马氏体的分解
实验测得的高碳（1.4%C）马氏体的正方度与回火温度之间的关系，如表18-1所示。由表可见，当回火温度低于125℃时，α相呈现两种正方度，即由于碳化物析出，同时出现碳含量不同的两种α相：一种与未经回火的淬火高碳马氏体接近（c/a=1.062～1.054），对应的碳含量为1.4%～1.2%；另一种为低碳马氏体（c/a=1.012～l.013），对应的碳含量为0.27%～0.29%。当回火温度高于125℃时，α相的正方度只有一种，即只存在一种α相，而且随回火温度升高，c/a逐渐减小，α相中碳含量逐渐降低。这表明，由于回火温度不同，碳化物析出可以有两种不同方式，即双相分解和单相分解。
表18-1 高碳（1.4%C）马氏体正方度和碳含量及回火温度的关系
1）高碳马氏体的双相分解
回火温度在125～150℃以下，马氏体以双相分解方式进行分解。此时，随着碳化物的析出，出现两种正方度不同的α相，即具有高正方度的保持原始碳含量的未分解的马氏体及具有低正方度的碳已部分析出的α相。随着回火时间延长，即随着碳化物析出，两种α相的碳含量均不发生改变，只是高碳区越来越少，而低碳区越来越多。
图18-4为马氏体的双相分解示意图。图中，在碳原子富集区，经过有序化后析出碳化物晶核并依靠周围α相提供的碳原子而长大成碳化物颗粒。由于碳化物的析出，在其周围出现低碳（C1）的α相，而远处的α相仍保持原有碳含量C0，如图18-5所示。由于温度较低，碳原子不能作远距离扩散，高碳区与低碳区之间的浓度差不易消失，已经析出的碳化物不能继续长大，马氏体的继续分解只能依靠在其他高碳区析出新的碳化物颗粒，并在其周围形成新的低碳区。所以，随着分解过程的进行，高碳区越来越少，低碳区越来越多。当高碳区完全消失时双相分解即告结束，此时，α相的平均碳含量亦降至C1。经过测定，低碳区的碳含量C1与马氏体原始碳含量及分解温度均无关，为一恒定值，为0.25%～0.30%。
双相分解的速度与温度有关，温度越高，分解速度就越快。经计算得出在不同温度下马氏体分解一半所需时间，如表7.2所示。可见，提高温度将使高碳马氏体的双相分解速度大大加快。
图18-4 马氏体双向分解示意图(www.xing528.com)
图18-5 马氏体双向分解时碳的分布示意图
表18-2 不同温度回火时马氏体的半分解期
2）高碳马氏体的单相分解
回火温度高于125～150℃时，马氏体将以单相分解亦即连续分解方式进行分解。此时，碳原子的活动能力增强，能够进行较长距离的扩散。因此，已经析出的碳化物有可能从较远区域获得碳原子而长大，α相内的碳浓度梯度也可以通过碳原子的扩散而消除。所以，在分解过程中不再存在两种不同碳含量的α相，α相的碳含量及正方度随分解过程的进行不断下降。当温度达到300℃时，正方度c/a接近1，此时α相中的碳含量已经接近平衡状态，马氏体的脱溶分解过程基本结束。
2.低碳马氏体的分解
低碳钢的Ms点较高，在淬火形成马氏体的过程中，除了可能发生碳原子向位错的偏聚外，在最先形成的马氏体中还可能发生自回火，析出碳化物。钢的Ms点越高，淬火冷却速度越慢，则自回火析出的碳化物就越多。淬火后在100～200℃之间回火时，低碳板条状马氏体不析出碳化物，C原子仍然偏聚在位错线附近，这是由于C原子偏聚的能量状态低于析出碳化物的能量状态。当回火温度高于200℃时，才有可能通过单相分解析出碳化物，使α基体中的碳含量降低。
3.中碳钢马氏体的分解
中碳钢在正常淬火时得到板条位错马氏体与片状孪晶马氏体的混合组织，故回火时也兼具低碳马氏体与高碳马氏体的分解特征。
综上，在此阶段，随着回火温度的升高，固溶于正方马氏体中的过饱和碳不断以微小碳化物（ε-碳化物，后述）的形式析出，使马氏体的碳含量不断下降，最终变成立方马氏体，并且立方马氏体的碳含量与淬火钢的碳含量无关。如图18-6所示，原始碳含量不同的马氏体，随着碳化物的不断析出，在高于200℃以后其碳含量趋于一致。马氏体经过分解后获得的立方马氏体加ε-碳化物的混合组织称为回火马氏体。
图18-6 不同碳含量马氏体回火时碳浓度的变化
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