退火软化机理：探究与分析

1.决定退火钢硬度的要素

退火钢的组织为平衡态或接近平衡态，室温下的组成相一般有铁素体、渗碳体、合金碳化物、金属间化合物等。因此，钢退火后的组织是由铁素体（基体）、碳化物（强化相）等各要素构成的整合系统。作为子系统的铁素体、碳化物等又有其各自的组成要素，如铁素体由晶粒、晶界、亚晶界、位错等构成；碳化物由Fe₃C、VC、TiC、Cr₇C₃、Mo₂C、Fe₃W₃C等碳化物相组成。各相有不同的晶体结构，晶格又由不同的元素原子组成。它不是混合系统，而是一个层次鲜明的整合系统，其硬度取决于各层次要素的有机结合及有序配合，是其综合作用的结果。

硬度是材料表面不大的体积内抵抗变形和破裂的能力，是此系统抵抗外力压入的综合反映。在压力作用下，位错运动引起变形。而位错的运动存在各类障碍，包括零维障碍物（溶质原子）、一维障碍物（位错）、二维障碍物（界面）、三维障碍物（异相质点）。减少或拆除任一障碍物系统，都能使钢软化。

不同化学成分的钢，决定其退火硬度的要素是不同的。例如，退火碳素工具钢主要由铁素体和渗碳体两相组成，其硬度主要取决于渗碳体的形态和铁素体的晶粒度。合金钢的退火硬度则与合金碳化物的状态有关，如H13钢的退火硬度主要取决于Cr、Mo、V的合金碳化物颗粒的数量、弥散度以及铁素体基体的状态等。

2.减少零维障碍物的固溶强化作用

退火状态的铁素体基本中不含碳，但Cr、Si、Mn、W、Mo等合金元素溶入铁素体中形成固溶体，可能改变基体的键合力，引起点阵畸变和P-N力的变化，造成强化效果。相反，若减少零维障碍物对位错运动的阻碍作用，则可实现软化。例如，美国耐冲击的硅工具钢S5，硅的质量分数为1.75％～2.25％，锻轧后退火硬度要求不超过229HBW，但冶金厂大批生产难以达到。在电炉冶炼时，控制Si-Fe合金料的加入量，如减少加入质量分数为0.3％的硅，可使基体铁素体的硬度降低12HBW，为钢材的软化退火降低硬度创造了有利条件。

3.减少一维障碍物的强化作用

位错在钢的强化和软化中扮演着头等重要的角色。金属流变应力（σ_f）随位错密度（ρ）的增加而提高，，式中，σ₀、k为相关常数。

淬火马氏体或冷变形钢中的位错密度可达10¹²/cm²，但退火后铁素体中的位错密度大大降低，约为10⁶/cm²。因此，退火α-Fe的硬度很低，约为80HBW。所以，充分退火降低基体的硬度，可为整体软化提供条件。当然，不同状态的钢退火后的位错密度也不一样。

4.减少二维障碍物

晶粒越细，相界、晶界等界面的面积越大，阻碍位错运动的二维障碍物越多，强度越高。根据Hall-Petch公式，可见，粗化铁素体基体晶粒，将细晶粒变成粗晶粒，或粗化碳化物，使片状碳化物球化，减少铁素体与渗碳体及其他碳化物的相界面积，从而软化钢材。例如，碳素钢的细片状珠光体的硬度可达300HBW，而粗片状珠光体的硬度可降到200HBW以下。

德国X45CrNiMo4钢的软化退火是十分困难的，将该钢奥氏体化后炉冷得到的是马氏体＋贝氏体组织，硬度高。这种组织在Ac₁以下高温回火是难以软化的，因为马氏体＋贝氏体组织极为细小，难以再结晶，晶界面积大，保持高强度。锻后在680℃退火，等温70h，硬度仍保持在270HBW以上。为此制订了新的软化退火工艺，首先将该钢进行高温奥氏体化，获得7～8级奥氏体晶粒，然后缓慢冷却到640℃等温，使其分解为粗片状珠光体组织，从而将硬度降低到220HBW左右，满足了用户对钢材软化的要求。图12-10所示为X45CrNiMo4钢的退火粗片状珠光体组织。

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图12-10 X45CrNiMo4钢的片状珠光体组织

a）TEM b）OM

5.削弱三维障碍物的强化作用

作为位错运动的三维障碍物，第二相颗粒的弥散度越高，数量越多，强化作用越大。但当钢中的碳化物数量一定时，使其变成粒状或球状，并且进行粗化，则可削弱其对位错运动的阻碍作用，从而实现软化。

图12-11 H13钢碳化物颗粒平直径（D-）与硬度的关系

碳化物本身的硬度高，与铁素体的相界面为非共格，位错无法使其变形，难以切过，只能绕过。因此，碳化物颗粒越弥散细小，硬化作用越大。

将H13钢试样加热至860℃，保温2h，分别以15℃/h、30℃/h、40℃/h、50℃/h的冷速缓冷到540℃，出炉空冷。利用扫描电镜观测退火试样，对二次电子像进行多次测量，用定量金相法计算碳化物颗粒的平均直径和弥散度，测量结果见表12-3。从表中可见，缓冷时的冷速越大，碳化物的弥散度越高，直径越小，硬度越高。图12-11所示为H13钢退火后碳化物颗粒直径与硬度的关系。可见，随着碳化物颗粒的直径增大，退火钢的硬度逐渐降低，且计算值与实测值大体上相符。

表12-3 不同冷速下的硬度及碳化物特征参数

（续）