1、材料工程基礎講(4)74 回火脆性 在回火對鋼的力學性能的影響中，最復雜、也最有興趣的是對韌性的影響，與強度和塑性的變化不同，隨著回火溫度的提高，強度與硬度降低，但沖擊韌性和斷裂韌性并不是單調地升高，而是可能出現兩個馬鞍形，回火時這種韌性降低的現象稱為回火脆。在200350出現的回火M脆性（Tempered martensite embrittlement,TME，第一類回火脆性、不可逆回火脆性、低溫回火脆性）。在400650出現的回火脆性（Temper embrittlement,TE,第二類回火脆性、可逆回火脆性、高溫回火脆性）。材料工程基礎講(4) 由于回火脆性的存在，使可供選擇的回火溫

2、度受到了限制，因回火時為了防止脆性升高必須避開這兩個溫度區間。這就給調整力學性能帶來了困難。為克服這一困難，已對回火脆性進行了長時間的研究，但是到目前為止還沒有找到徹底消除這兩種回火脆性的有效辦法。材料工程基礎講(4)1M回火脆性1）M回火脆性的主要特征及影響因素 在200350回火出現了M回火脆性后，再加熱到更高溫度回火脆性消除，使沖擊韌性重新升高。此時若再在200350范圍內回火不出現脆性不可逆的。幾乎所有鋼均存在M回火脆性。回火M脆性降低室溫沖擊韌性，使韌脆轉折溫度50FATT升高，斷裂韌性K1c下降。如Fe-0.28C-0.64Mn-4.82Mo鋼經225回火后K1c為117MN/m3

3、/2,而經300回火后由于出現了M回火脆性，使K1c降至73MN/m3/2。出現M回火脆性時大多為沿晶斷裂，但也有少數為穿晶斷裂。 材料工程基礎講(4) 影響M回火脆性的因素主要為成分。鋼中元素按其作用分為三類： 有害雜質元素：S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等將導致出現回火M脆性。不含這些雜質元素的高純鋼則沒有或能減輕回火M脆性。 促進回火M脆性的元素：屬于這一類有Mn、Si、Cr、Ni等促進回火M脆性的發展。有的元素單獨存在時影響不大，如Ni。但當Ni與Si同時存在時則促進回火M脆性的發展。部分合金元素還能將M回火脆性推向較高的溫度，如Cr與Si。材料工程基礎講(4)減輕回火M脆

4、性的合金元素：Mo、W、Ti、Al等使回火M脆性減弱。在這幾種合金元素中以Mo的作用最顯著。 除化學成分的作用外，影響回火M脆性的因素還有A晶粒大小以及殘余A量的多少。A晶粒愈細，回火M脆性愈弱；殘余A量愈多則愈嚴重。材料工程基礎講(4) 2）回火M脆性形成機理 殘余殘余A A分解導致回火分解導致回火M M脆性脆性 Thomas等用透射電鏡和電子衍射研究了低、中碳鋼的殘余A分解后發現，產生TME時，總是伴隨著殘余A的分解，在A板條間產生滲碳體薄膜，正是這種Fe3C薄膜導致了TME。由于一般低、中碳鋼淬火后主要形成板條M，殘余A則存在于板條M之間，因此分解而成的Fe3C也處于板條之間，其所造成的

5、斷裂對于M而言是沿晶斷裂，而對于原A而言則是穿晶斷裂。如果M板條間殘余A是穩定的，將改善鋼的韌性。如果回火時分解出碳化物，則將降低韌性。有研究指出，某些合金結構鋼板條間的殘余A在回火溫度范圍內回火時，也不一定全部分解，余下部分在隨后的受力過程中還可能進一步增加脆性。材料工程基礎講(4) 雜質元素在原雜質元素在原A A晶界偏聚導致回火晶界偏聚導致回火M M脆性脆性 即在A化時雜質元素P、S等將偏聚在晶界。雜質元素的偏聚引起晶界弱化而導致沿晶斷裂。雜質元素在奧氏體晶界偏聚已用俄歇電子譜儀及離子探針證實。第二類元素能夠促進雜質元素在A晶界偏聚，故能促進回火M脆性的發展。第三類合金元素阻止雜質元素在A

6、晶界偏聚，故能抑制回火M脆性。由于采用了俄歇電子譜儀及離子探針等證實了雜質元素在奧氏體晶界的偏聚而使晶界弱化，引起回火馬氏體脆性。但晶界偏聚理論的困難在于偏聚是在奧氏體化過程時，而不是在200350之間回火形成的，為什么這一偏聚僅僅在200350回火后使脆性增加。這就產生了以上述兩種觀點綜合而來的第三種觀點。 材料工程基礎講(4) 雜質偏聚與殘余雜質偏聚與殘余A A分解共同導致回火分解共同導致回火M M脆性脆性 雜質元素在A晶界偏聚降低了晶界強度，而碳化物薄膜在板條M條界及A晶界的形成又進一步降低了A晶界強度，故使經200350回火后的斷裂易于沿原A晶界發生。如果斷裂不是沿晶而是穿晶解理，則可

7、以認為此時沿原A晶界的偏聚不嚴重且沿晶內某晶面有碳化物析出，如在112面上析出及碳化物，故斷裂沿晶內碳化物薄膜發生。 3）消除回火M脆性的措施 降低鋼中雜質含量；用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等元素細化A晶粒；加入Mo、W等能減輕M回火脆性的合金元素；加入Cr、Si等以調整發生M回火脆性的溫度范圍，使之避開所需的回火溫度；采用等溫淬火代替淬火加低、中溫回火。材料工程基礎講(4)2回火脆性 某些成分的中碳合金結構鋼在450650回火較長時間或回火后慢冷通過這個溫度區間時會變脆，這種現象稱為回火脆性。1）特點斷口通常是沿原A晶界的沿晶斷裂。在回火脆性區回火時脆化程度對時間有顯著的依賴性。具有可逆性

8、，即如果鋼先在較高溫度回火并快冷，沒有產生脆性，如果再將其在脆化溫度范圍加熱或慢冷通過此溫度區間，則會產生脆性；如果將上述脆化了的鋼再進行高溫回火并快冷，脆性又會消失，稱為脫脆。產生回火脆性后使鋼的韌性ak、K1c降低，FATT溫度升高。2）影響回火脆性TE的因素 鋼的化學成分鋼的化學成分 成分是影響回火脆性的最根本因素。例如，不含合金元素的碳鋼，沒有回火脆性。根據鋼中成分對回火脆性的影響，大體上可以把不同元素分為三類：材料工程基礎講(4) 促進回火脆性的如錳、鉻、鎳、硅等合金元素，當單獨加入時，其致脆作用大小按錳、鉻、鎳、硅的順序遞減。但這類元素的致脆作用必須有磷、錫、銻、砷等雜質存在才能表

9、現出來。不含上述雜質的高純鎳鉻鋼就不顯示回火脆性。當兩種或兩種以上這類元素同時加入時，其致脆往往大于單獨加入時兩者之和。 促進脆性的元素，如磷、錫、銻、砷、硫、硼等。這類元素引起回火脆性，但必須以存在致脆元素為前提。例如碳鋼中雖含有這類元素，卻不存在回火脆性。從試驗數據看，銻、錫、磷是影響最大的雜質元素，其余的影響較小。一般來說，如果雜質含量在105數量級，影響較小，但含量在104數量級以上，往往會產生明顯的回火脆性。 去脆元素如鎢、鉬、釩、鈦等。這類元素對回火脆性有抑制作用，其中又以鉬的作用最為顯著，鎢次之。大量研究表明，鉬含量有一個最佳值，高于或低于這個值都不能很好地抑制回火脆性。據統計，

10、最佳鉬含量約為0.5%，隨鋼中的化學成分不同，可能在0.20.7之間變化。當加入的鎢含量為鉬的2倍時，能起到鉬的相同作用。材料工程基礎講(4) 工藝參數因素工藝參數因素 在回火脆性區回火，引起的回火脆性的脆化程度及脆化速度均于回火溫度與回火時間密切相關。溫度一定時，隨等溫時間延長，FATT升高。在550以下，脆化溫度愈低，脆化速度愈慢，但能達到的脆化程度愈大。550以上，隨等溫溫度升高，脆化速度變慢，能達到的脆化程度進一步下降。鋼的脆化也可以用鋼的等溫脆化動力學圖表示。其形狀與過冷A等溫轉變圖相似，也呈C型，有一個鼻溫。由等溫脆化動力學圖可以推出脆化是一個擴散過程。但等溫脆化過程較A等溫轉變過

11、程復雜。在有些鋼中，隨等溫時間進一步延長，脆化程度有可能減弱，出現所謂過時效現象。材料工程基礎講(4) 緩冷脆化不僅與回火溫度及時間有關，還與回火后的冷速有關。高于回火脆化的溫度回火后緩冷通過回火脆性區，使鋼產生回火脆化。冷速愈慢，脆性愈嚴重；磷含量愈高，脆化愈嚴重。冷速的影響同樣也反映出脆化是一個擴散過程。即可以把緩冷脆化看成是各個溫度下的短時等溫脆化的綜合結果。材料工程基礎講(4) 組織因素的影響組織因素的影響 與M回火脆性不同，不論鋼具有何種原始組織均具有回火脆性，但以M的回火脆性最嚴重，B次之，P最輕。這表明回火脆性主要不是由于M的分解及殘余A的在轉變引起的。回火脆性還與A的晶粒度有關

12、，A晶粒愈細，回火脆性愈輕。3）回火脆性的形成機理 回火脆性現象，從1917年發表的第一篇有關回火脆性的文章到現在探尋回火脆性的機理，兩大學術流派是平衡偏聚理論和非平衡偏聚理論。材料工程基礎講(4)平衡偏聚理論平衡偏聚理論 回火脆性是由于碳原子在晶界的偏聚使晶界成為過飽和固溶體變脆。 后來的工作證明脆性主要是銻、磷、錫、砷等元素的偏聚弱化晶界，晶界的斷裂強度降低。雜質原子在晶界的偏聚是能夠降低畸變能（與雜質元素在晶內比較），即雜質元素在晶界的偏聚是一個向平衡狀態過渡的自發過程。材料工程基礎講(4)平衡偏聚理論可以解釋回火脆性的下列特征： 脆化發生在一定溫度范圍； 脆化程度隨脆化時間的延長而增加

13、； 回火后的冷卻速度有巨大影響； 脆化過程具有可逆性； 脆化主要是一種晶界現象，脆化斷口是沿晶斷裂。 但是這個理論不能解釋為什么鋼中要同時存在某些合金元素和雜質才會發生這種脆性。為此提出了以下兩點修正：材料工程基礎講(4) 根據不含雜質的鋼中合金元素偏聚的現象提出，合金元素是在A化溫度下由晶內偏聚到A晶界上，隨后在脆化溫度下，雜質元素因合金元素的吸引而偏聚到合金元素含量更高的晶界區。 合金元素與雜質的化學親和力按鉬、鉻、錳、鎳的順序遞減，這與鉻、錳、鎳等促進回火脆性的作用一致，但卻不能解釋鉬減緩脆化的作用。 根據鉬可增加雜質元素擴散激活能的事實來說明鉬的作用是提高M的回火抗力在脆化溫度下保存較

14、多的位錯，提高了雜質元素在晶內的溶解度。這一理論又稱為二次偏聚理論。 材料工程基礎講(4)三元固溶體的平衡偏聚理論三元固溶體的平衡偏聚理論 在一個含有雜質元素和合金元素的三元固溶體內，雜質元素與合金元素存在化學交互作用。合金元素是在回火時向晶界偏聚的，根據合金元素與雜質元素之間化學親和力的不同，可以出現三種情況： 當親和力很強時，就會在晶粒內沉淀出穩定的化合物，從而抑制回火脆性的發生，鉬就屬于這種情況； 當親和力適中，就會同時在晶界偏聚并引起脆化； 當親和力很弱時，雜質元素不會向晶界偏聚，因此也不會引起脆化。 凡是對回火脆性敏感的鋼中，雜質和合金元素的作用都屬于第二種情況，根據這一理論計算出的

15、晶界偏聚的平衡濃度和實驗結果符合的較好。材料工程基礎講(4) 非平衡偏聚理論非平衡偏聚理論 這個理論起源于最早的關于Fe3C在晶界沉淀引起回火脆性的設想。由于這一設想不能解釋雜質元素的作用，因而又提出，在Fe3C析出后，雜質元素會在其周圍富集，從而引起脆化。偏聚在滲碳體鐵素體界面上的雜質元素是由滲碳體片中“排擠”出來的，因為它們在滲碳體中溶解度非常小，基于這個模型，對鎳和銻偏聚進行了計算，所得結果對鎳而言，與實際符合得很好；但對銻而言，則較實測值小。對這個結果研究者的解釋是偏聚的銻還有一部分是在鎳的吸附下由基體擴散而來。由于這樣引起的偏聚是一種過渡狀態，在高溫加熱后，雜質向鐵素體內部擴散，以及碳化物部分溶解而使滲碳體鐵素體界面凈化，從而使脆性消失，這種理論又稱為非平衡偏聚理論。材料工程基礎講(4) 值得注意的是，非平衡偏聚理論認為回火脆性和馬氏體回火脆性是一個系列中的兩個現象，是一個事物在兩個溫度區的不同反應，因此可以用同一機理解釋這兩種