α相的物理状态变化

1.亚结构的变化

马氏体中的高密度位错、精细孪晶等亚结构在回火时将发生变化。在马氏体相变一章中已经叙及，钢的淬火马氏体中存在大量位错，位错密度可高达（0.3～0.9）×10¹²/cm²，存在较高的位错能，故在回火时将导致回复和再结晶过程。在回复初期，部分位错，其中包括小角度晶界，如板条状马氏体界面上的位错将通过滑移与攀移而相消，从而使缠结位错密度下降，如图7-8所示^[7]，可见位错重新排列的形貌。位错移动将重新排列，逐渐转化为胞块，如图7-9所示。

图7-8 10Cr9Mo1VNbN钢回火托氏体中的位错形态（TEM）

图7-9 10Cr9Mo1VNbN钢回火托氏体中的胞块结构（TEM）

回复使部分板条界面消失，相邻板条合并而成宽的板条。在400℃以上回火时，回复已经清晰可见。由于板条合并变宽，再也看不清完整的板条，但能看到边界不清的亚晶块。图7-10所示为P91钢和718钢的回火组织，可以看到亚晶块，亚晶块的尺寸约为1μm。

图7-10 回火托氏体中的亚晶（TEM）

a）P91钢 b）718钢

纯铁的再结晶温度约为450℃，碳素钢中的铁素体由于杂质和化学元素的作用，其再结晶温度被提高。碳素钢中的α相在高于400℃开始回复过程，500℃开始再结晶。在再结晶温度下，一些位错密度低的胞块将长大成等轴的铁素体晶粒，原来板条状马氏体的特征消失，碳化物也聚集长大成颗粒状，并且均匀地分布在铁素体基体上，这种组织称为回火索氏体^[8]。

合金钢中的许多合金元素都能提高再结晶温度，如钴、钼、钨、铬、钒等元素都能显著提高α相的再结晶温度。质量分数为1％～2％的钼、钨、铬可以把再结晶温度提高到650℃左右。碳的质量分数为0.1％、钒的质量分数为0.5％的钢，其α相的再结晶在600℃需要保温50h才能开始^[9]。

高碳钢淬火马氏体中的亚结构是孪晶＋高密度位错，当回火温度高于250℃时，孪晶开始消失。GCr15钢的淬火组织经过350℃回火后，大部分孪晶已经消失，出现胞块，但片状马氏体的形貌特征仍然保持着。

由于碳化物析出并且分布在晶界上，起到钉扎晶界的作用，阻碍再结晶的进行，故高碳钢马氏体的α相的再结晶温度高于中碳钢马氏体。

2.钢中（α相中）内应力的去除

淬火冷却的不均匀使钢件各部位冷却不均，温度不均，造成热应力；同时，由于奥氏体转变为马氏体，比体积增大，当组织转变不均匀时就产生相变应力。二者合并成为淬火钢件的内应力。

内应力按平衡范围的大小可分为以下三类：①第一类内应力，即存在于钢件整体范围内各个部位之间的内应力；②第二类内应力，在晶粒或亚晶范围内处于平衡的内应力；③第三类内应力，存在于一个原子集团范围内的处于平衡的内应力。

在回火过程中，随着回火温度的升高，原子活动能力增强，由于位错的运动而使位错密度不断降低，孪晶不断减少直至消失，并进行回复、再结晶等过程，这些均使得内应力不断降低直至去除。(www.xing528.com)

（1）第一类内应力的消失 第一类内应力的存在会引起零件的变形和开裂。在零件服役过程中第一类内应力与所受同方向外力叠加，而使零件提早破损失效；如果与外力方向相反，则可能提高性能；如果与外力同属于拉应力，则促进断裂。为了去除内应力、提高零件韧性，必须进行回火。

图7-11所示为淬火内应力与回火温度的关系^[10]。可见，淬火态的内应力较大，经过200℃、500℃回火1h后，随着马氏体分解和α相的回复，内应力显著降低。图7-12所示为回火温度和时间对w_C＝0.3％钢淬火第一类内应力的影响^[11]。

图7-11 w_C＝0.7％钢（圆柱体，ϕ18mm）从900℃淬火时热处理应力及与回火温度的关系

可见，回火温度越高，内应力去除率越高，在550℃回火一定时间，第一类内应力可以基本上去除。

钢件淬火后，内部会残留内应力，在室温下停留也能使内应力逐渐降低，但是降低速度缓慢。而且由于在室温下放置，残留奥氏体将继续转变为马氏体，产生新的组织应力，内应力会重新分布，甚至引起放置开裂。因此，淬火后应即时回火，以便去除内应力。

图7-12 w_C＝0.3％钢淬火-回火内应力的变化

（2）第二类内应力的消失 在晶粒或亚晶范围内处于平衡的内应力能够引起点阵常数的改变，因此可以用点阵常数的变化Δa/a表示，也称为第二类畸变。随着回火温度的升高和时间的延长，第二类畸变将不断地下降，如图7-13所示，其中，曲线2是淬火畸变。在回火过程中又产生了新的畸变，即ε碳化物转化为θ渗碳体时，产生了碳化物弥散畸变。淬火畸变到400℃消失。图7-13还表明，回火温度达到500℃时，各种畸变因素均趋于先后消失状态，第二类内应力基本去除。曲线1是综合曲线2、3、4的结果。

回火时间延长也会影响第二类内应力，如图7-14所示^[11]。可见，回火2h内，畸变降低幅度较大，此后变化平缓；在400～500℃回火时，Δa/a的变化基本上是水平的；在400℃以上回火时，只需要2h即可去除第二类内应力。

图7-13 第二类畸变随回火温度的变化^[11]

1—综合影响 2—淬火畸变 3—ε碳化物与α相的共格畸变 4、5—ε碳化物转变为θ渗碳体的转化畸变

图7-14 回火时间对Δa/a的影响

（3）第三类内应力的消失 第三类内应力是存在于一个原子集团范围内的处于平衡的内应力，它主要是由于碳原子溶入马氏体晶格间隙而引起的畸变应力。因此，随着马氏体的分解，碳原子不断从α相中析出，则第三类内应力不断下降。对于碳素钢而言，马氏体在300℃左右分解完毕，则第三类内应力应当在此温度消失。对于各类合金钢的淬火马氏体，由于它们耐回火性强，去除内应力的温度较高，去除过程较慢。