在實際生産中，我們普遍能發現一些現象，如：

　　① 對于滲碳件和碳氮共滲件，淬火後要想達到相同的硬度(如480-610 HV)，為什麼碳氮共滲件需要更高的回火溫度?

　　② 45鋼和42CrMo相比，硬度要求28-32HRC，為什麼42CrMo的回火溫度高一些?

　　③ 高速鋼(如SKH-9、W6Mo5Cr4V2)通過常規的高溫回火後，為什麼硬度不降反而上升呢?

　　上述現象就是本期文章将要介紹的“合金元素對金屬件回火轉變的影響”，具體内容請看下文，文章稍長，還請慢品。

　　01、合金元素對馬氏體分解的影響

　　合金鋼中的馬氏體分解過程與碳鋼基本相似，但其分解速度有明顯差别。

　　實驗證明，在馬氏體分解階段，尤其是在馬氏體分解的後期階段，合金元素的影響十分顯著。合金元素影響馬氏體分解的原因和規律大緻可歸納如下。

　　1、在馬氏體分解階段要發生馬氏體中過飽和碳的脫溶和碳化物粒子的析出與聚集長大，同時基體α相中的碳含量下降。合金元素的作用主要在于通過影響碳的擴散而影響馬氏體的分解過程以及碳化物粒子的聚集長大速度，從而影響α相中碳濃度的下降速度。這種作用的大小因合金元素與碳的結合力的大小不同而異。

　　2、非碳化物形成元素(Ni)和弱碳化物形成元素(Mn)與C的結合力和Fe相比相差不大，所以對馬氏體分解無明顯影響。

　　強碳化物形成元素(Cr、Mo、W、V、Ti等)與C的結合力較強，增大C在馬氏體中的擴散激活能，阻礙C在馬氏體中的擴散，從而減慢馬氏體的分解速度。而非碳化物形成元素Si和Co能夠溶解到ε-FexC中，使ε-FexC穩定，減慢碳化物的聚集速度，從而推遲馬氏體分解。

　　3、碳鋼回火時馬氏體中過飽和碳完全脫溶溫度約為300℃，加入合金元素可使完全脫溶溫度向高溫推移100-150℃。也就是說，合金鋼在較高溫度回火時仍可以保持α相具有一定飽和碳濃度和細小碳化物，從而保持高的硬度和強度。合金元素這種阻礙α相中碳含量降低和碳化物顆粒長大而使鋼件保持高硬度、高強度的性質稱為合金元素提高了鋼的回火抗力或“抗回火性”。

　　02、合金元素對殘餘奧氏體轉變的影響

　　合金鋼中殘餘奧氏體的轉變與碳鋼基本相似，隻是合金元素可以改變殘餘奧氏體分解的溫度和速度，從而可能影響殘餘奧氏體轉變的類型和性質。

　　在Ms點以下回火時，殘餘奧氏體将轉變為馬氏體。若Ms點較高(>100℃)，則随後還将發生馬氏體的分解過程，形成回火馬氏體。

　　在Ms點以上回火時，殘餘奧氏體可能發生三種轉變：

　　① 在貝氏體形成區内等溫轉變為貝氏體;

　　② 在珠光體形成區内等溫轉變為珠光體;

　　③ 在回火加熱、保溫過程中不發生分解，而在随後的冷卻過程中轉變為馬氏體，即所謂的“二次淬火”現象。

　　03、合金元素對碳化物轉變的影響

　　非碳化物形成元素(Cu、Ni、Co、Al、Si等)與碳不形成特殊類型的碳化物，它們隻是提高ε-FexC向θ-Fe3C的轉變，而且還會發生滲碳體到其他類型特殊碳化物的轉變。

　　合金鋼回火時，随着回火溫度升高或回火時間延長，将發生合金元素在滲碳體和α相之間的重新分配。碳化物形成元素不斷向滲碳體中擴散，而非碳化物形成元素逐漸向α相中富集，從而發生由更穩定碳化物逐漸代替原先不穩定的碳化物，使碳化物的成分和結構都發生變化。合金鋼回火時碳化物轉變的可能順序為：ε-碳化物(<150℃)→滲碳體(150-400℃)→滲碳體(合金化，400-550℃)→特殊碳化物(亞穩)→特殊碳化物(穩定>500℃)

　　鋼中能否形成特殊碳化物，取決于所含合金元素的性質和含量、碳或氮的含量以及回火溫度和時間等條件。合金鋼在回火過程中，通常都是滲碳體通過亞穩碳化物再轉變為穩定特殊碳化物。例如，高Cr高碳鋼淬火後，在回火過程中的碳化物轉變過程為： (Fe，Cr)3C→((Fe，Cr)3C) (Cr,Fe)7C3→(Cr,Fe)7C3 (Cr，Fe)23C6→(Cr，Fe)23C6

　　特殊碳化物也是按這兩種機制形成的。

　　一種為原位轉變，即碳化物形成元素首先在滲碳體中富集，當其濃度超過合金滲碳體的溶解度極限時，滲碳體的點陣就改組特殊碳化物點陣。低鉻鋼中的(Fe,Cr)3C轉變為(Cr，Fe)7C3就屬于這種類型。提高回火溫度會加速碳化物轉變過程。

　　另一種為單獨形核長大，即直接從α相中析出特殊碳化物，并同時伴有合金滲碳體的溶解。含有碳化物形成元素V、Ti、Nb、Ta等的鋼以及高Cr鋼均屬于這種類型。

　　例如，1250℃淬火的0.3%C、2.1%V鋼，低于500℃回火時析出合金滲碳體，其中V含量很低。由于固溶V強烈阻止α相繼續分解，此時隻有40%左右的碳以滲碳體形式析出，其餘60%仍保留在α相中。當回火溫度高于500℃時，從α相中直接析出VC。随回火溫度進一步升高，VC大量析出，滲碳體大量溶解。回火溫度達700℃時，滲碳體全部溶解，碳化物全部轉化為VC。

　　04、回火時的二次硬化現象

　　碳鋼在回火第三階段，随着滲碳體顆粒的長大，将不斷軟化，如圖1所示。

　　圖1 低、中碳鋼在100-700℃回火1h的硬度變化

　　但是，當鋼中含有Mo、V、W、Ta、Nb和Ti等強碳化物形成元素時，将減弱軟化傾向，即增大了軟化抗力。當馬氏體中含有足夠量的碳化物形成元素時，在500℃以上回火時将會析出細小的特殊碳化物，導緻因回火溫度升高，θ-碳化物粗化而粗化的鋼再度硬化，這種現象稱為二次硬化。有時二次硬化峰的硬度可能比淬火硬度還高。

　　圖2 回火溫度對低碳钼鋼馬氏體硬度的影響

　　圖2示出了钼含量對低碳(0.1%C)钼鋼二次硬化作用的影響，可見，随着Mo含量增加，二次硬化作用加劇。其他強碳化物形成元素(如Ti、V、W、Nb等)也有類似作用。Cr含量很高時(如大于12%)才有不太明顯的二次硬化峰。碳鋼中不發生二次硬化現象。

　　電鏡觀察證實，二次硬化是由于彌散、細小的特殊碳化物(如Mo2C、W2C、VC、TiC、NbC等)的析出造成的。具有二次硬化作用的特殊碳化物在位錯區沉澱析出，常呈極細針狀或薄片狀，尺寸很小，而且與α相保持共格關系。随回火溫度升高，碳化物數量增多，碳化物尺寸逐步增大，與α相的共格畸變也逐漸加劇，直至硬度達到峰值。再繼續升高溫度，由于碳化物長大，彌散度減小，共格關系被破壞，共格畸變消失以及位錯密度降低，從而使硬度迅速下降。綜上所述，可以認為對二次硬化有貢獻的因素是特殊碳化物的彌散度、α相中的位錯密度和碳化物與α相之間的共格畸變等。

　　可以通過下述途徑來提高鋼的二次硬化效應：

　　第一，增大鋼中的位錯密度，以增加特殊碳化物的形核部位，從而進一步增大碳化物的彌散度。如圖采用低溫形變淬火方法等。

　　第二，鋼中加入某些合金元素，以減慢特殊碳化物形成元素的擴散，抑制細小碳化物的長大和延緩這類碳化物過時效現象的發生。例如，鋼中加入Co、Al、Si、Nb、Ta等元素，都可以使特殊碳化物細小彌散并與α相保持共格畸變狀态，從而增大鋼的回火穩定性。

　　利用二次硬化效應，可以選用具有二次硬化的合金鋼制作在熱狀态下工作的工件，隻要使用溫度低于回火溫度(産生二次硬化峰的溫度)，鋼件就可保持高的硬度和強度。

　　05、合金元素對α相回複和再結晶的影響

　　合金鋼在高溫回火時，若能夠形成顆粒細小的特殊碳化物，且又與α相保持共格關系，則能使α相保持較高的碳過飽和度，顯著地延遲α相的回複和再結晶，因而使α相處于較大的畸變狀态，仍然保持較高的硬度和強度，即具有很高的回火穩定性。

　　在合金鋼中，常用合金元素(如Mo、W、Ti、V、Cr、Si等)均具有阻礙回火時各類畸變消除的作用，而且一般都延緩α相的回複和再結晶(提高再結晶溫度)以及碳化物的聚集長大過程，從而提高鋼的回火穩定性。合金元素含量增高，這種延緩作用增強。鋼中同時加入幾種合金元素，其相互作用加劇。合金鋼具有高的回火穩定性，在較高溫度下仍保持較高的硬度和強度，使鋼具有紅硬性、熱強性，這對于切屑刀具、熱作模等工具鋼是非常重要的。

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