回火脆性精讲

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回火脆性是指淬火钢在回火过程中出现的韧性下降的现象。这种脆性现象根据回火温度的不同，可以分为两类：第一类回火脆性和第二类回火脆性。

回火脆性示意图

从图中可以看出整条曲线存在两个低谷，一个在回火250-400度，另一个在450-600度。这两个低谷就是第一类回火脆性和第二类回火脆性。

一、第一类回火脆性定义与特征
第一类回火脆性，又称低温回火脆性、不可逆回火脆性，主要发生在回火温度为200~400℃（也有说法为250~400℃）之间。
在这个温度范围内，淬火钢的韧性会显著下降，冲击韧性值达到最低点。
如果将已经产生第一类回火脆性的钢重新加热到更高温度进行回火，可以消除这种脆性，但再次在此温度范围内回火时，脆性会重新出现第一类回火脆性，也被称为低温回火脆性或不可逆回火脆性，主要发生在钢在200～350℃（也有说法为250～400℃）温度范围内进行回火处理时。

二、第一类回火脆性影响因素

1. 有害杂质元素
包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等。这些元素在钢中的存在会促进第一类回火脆性的产生。例如，杂质元素在奥氏体晶界的偏聚会降低晶界强度，从而增加脆性。
2. 促进第一类回火脆性的元素
属于这一类的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、V等。这些元素单独或共同存在时，能够加速第一类回火脆性的发展。特别是当某些元素（如Ni）与其他元素（如Si）共存时，其促进作用更为显著。
3. 减弱第一类回火脆性的元素
包括Mo、W、Ti、Al等。钢中含有这些元素时，能够减轻或抑制第一类回火脆性的产生。其中，Mo的效果最为显著。
4、奥氏体晶粒大小
奥氏体晶粒的大小对第一类回火脆性有显著影响。奥氏体晶粒愈细，第一类回火脆性愈弱；反之，则愈强。
5、残余奥氏体量
残余奥氏体量的多少也是影响第一类回火脆性的重要因素。残余奥氏体量愈多，第一类回火脆性愈严重。

三、第一类回火脆性的形成机理

第一类回火脆性，也被称为低温回火脆性或不可逆回火脆性，其形成机制是一个复杂的过程，目前尚无定论，但大致有以下几种主流观点：

1、残余奥氏体转变理论
这一理论认为第一类回火脆性与残余奥氏体的转变有关。在回火过程中，残余奥氏体可能会转变为其他相，这一转变过程可能与第一类回火脆性的出现有对应关系。然而，并非所有钢的第一类回火脆性都能用残余奥氏体转变理论来解释，因此该理论具有一定的局限性。
2、碳化物析出理论
另一种观点认为，在回火过程中，沿晶界析出的碳化物薄壳是导致脆性的主要原因。这些碳化物呈薄片状，且沿板条马氏体的板条间、板条束的边界或片状马氏体的孪晶带或晶界上析出，从而降低了晶界的断裂强度，增加了材料的脆性。随着回火温度的进一步提高，薄片状碳化物将聚集长大和球化，这将导致脆性降低，冲击韧性升高。
3、杂质偏聚理论
还有人认为，S、P、Sb（锑）、As（砷）等杂质元素在回火时向晶界、亚晶界上偏聚，降低了晶界的断裂强度，从而引起了第一类回火脆性。这一观点得到了俄歇电子谱仪及离子探针等探测表面薄层化学成分的仪器的证实。

四、第一类回火脆性防止方法
针对第一类回火脆性，可以采取以下措施进行防止：
降低钢中杂质元素的含量。
使用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素以细化奥氏体晶粒。
加入Mo、W等能够减轻第一类回火脆性的合金元素。
调整合金元素的含量，以避开第一类回火脆性易发生的温度范围。
采用等温淬火代替传统的淬火加高温回火工艺。

五、第二类回火脆性

定义与特征：
第二类回火脆性，又称高温回火脆性、可逆回火脆性，主要发生在回火温度为450~650℃之间。
与第一类回火脆性不同，第二类回火脆性是可逆的，即已经脆化的钢重新加热到650℃以上并快速冷却后，可以恢复韧性。
第二类回火脆性不仅影响室温冲击韧性，还会使冷脆转变温度升高。

六、第一类回火脆性影响因素

第二类回火脆性，又称为可逆回火脆性或高温回火脆性，其影响因素主要包括钢的化学成分、热处理工艺参数以及组织因素等。
1、钢的化学成分
杂质元素：S、P、Sn、Sb等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚是产生第二类回火脆性的主要原因。这些杂质元素在晶界上的偏聚会降低晶界的断裂强度，从而增加脆性。
合金元素：Ni、Cr、Mn等合金元素的加入虽然本身不会引起第二类回火脆性，但它们会促进杂质元素在晶界上的偏聚，从而加剧回火脆性的产生。同时，这些合金元素本身也易在晶界上偏聚，有增加回火脆性的倾向。
扼制元素：Mo、W、V、Ti等元素的加入可以扼制和减轻第二类回火脆性。这些元素可以与杂质元素结合，阻碍它们在晶界上的偏聚，从而降低脆性。其中，Mo的效果最为显著，其最佳加入量通常在0.5～0.75%之间。
2、热处理工艺参数
回火温度：第二类回火脆性主要发生在400～650℃的回火温度范围内。在这一温度范围内，随着回火温度的升高和时间的延长，脆化速度和脆化程度均会增加。
冷却速度：回火后的冷却速度对第二类回火脆性也有显著影响。缓冷时容易出现脆化现象，而快冷则可以避免或减轻脆化。这是因为快冷能够抑制杂质元素在晶界上的偏聚和扩散过程。
3、组织因素
原始组织：第二类回火脆性不仅与马氏体的分解及残余奥氏体的转变有关，还与钢的原始组织状态有关。但不论钢具有何种原始组织，均有可能发生第二类回火脆性。其中，以马氏体的回火脆性最为严重，贝氏体次之，珠光体最轻。
奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒的大小也会影响第二类回火脆性的产生。一般来说，奥氏体晶粒愈细，第二类回火脆性愈轻。这是因为细晶粒能够增加晶界面积，降低杂质元素偏聚的浓度和效果。

七、第二类回火脆性的形成机理

第二类回火脆性，又称为可逆回火脆性或高温回火脆性，其形成机制主要涉及到杂质元素和合金元素在晶界上的偏聚与析出过程。

上图为淬火镍铬钢在400℃~650℃温度区间回火时，回火后冷却速度对冲击吸收功的影响。可以看出，回火后的钢在500℃~550℃附近发生了明显的脆化。

1、杂质元素偏聚
在450～650℃的回火温度范围内，钢中的微量杂质元素如P、Sb、Sn、As等会向原奥氏体晶界偏聚。这些杂质元素在晶界上的偏聚会显著降低晶界的断裂强度，从而增加材料的脆性。这一现象已通过俄歇电子谱仪及离子探针等探测表面薄层化学成分的仪器得到证实。
2、合金元素作用
除了杂质元素外，钢中的合金元素如Ni、Cr、Mn等也会对第二类回火脆性产生影响。这些合金元素本身虽然不会引起回火脆性，但它们会促进杂质元素在晶界上的偏聚，从而加剧回火脆性的产生。同时，合金元素自身也易在晶界上偏聚，有增加回火脆性的倾向。然而，值得注意的是，某些合金元素如Mo、W等则具有扼制和减轻第二类回火脆性的作用。这些元素可以与杂质元素结合，阻碍它们在晶界上的偏聚和析出过程。

杂质元素对Ni-Cr钢脆化度影响

3、析出相影响
在回火过程中，钢中还会析出各种碳化物等相。这些析出相的形态、分布和数量也会对第二类回火脆性产生影响。然而，与第一类回火脆性不同，第二类回火脆性的产生与析出相的具体种类和形态关系不大，而更多地与杂质元素和合金元素在晶界上的偏聚过程有关。
4、可逆性与冷却速度
第二类回火脆性具有可逆性，这与其产生的机理密切相关。当钢在脆化温度范围内回火并缓冷后，会出现脆化现象。但如果重新加热并快速冷却，则可以消除这种脆化现象。这表明第二类回火脆性的产生与回火后的冷却速度有关。快冷能够抑制杂质元素在晶界上的偏聚和扩散过程，从而避免或减轻脆化现象的产生。

八、第二类回火脆性防止方法
1、提高钢材的纯度，尽量减少杂质。
2、加入适量的Mo、W等有益的合金元素。
3、对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法。
4、采用亚温淬火（A1~A3）细化晶粒，减少偏聚。
5、采用高温形变热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大，降低杂质元素偏聚的浓度。下图为高温形变热处理对40CrNi4钢冲击韧度的影响。可以看出来，采用高温形变热处理，回火脆性基本可以消除。

40CrNi4钢的冲击韧度随回火温度的变化

总结
回火脆性是淬火钢在回火过程中常见的问题，其产生原因复杂多样，与钢的化学成分、组织状态及回火工艺等因素密切相关。通过合理的成分设计、工艺优化及热处理控制，可以有效地防止和减轻回火脆性的发生。