眾所周知，淬火鋼不能直接應(yīng)用于工程，必須經(jīng)過回火才可使用。

一、馬氏體不銹鋼的回火轉(zhuǎn)變

 馬氏體不銹鋼淬火后的回火過程，基本上也遵循回火四個(gè)階段的規(guī)律。

 1. 淬火馬氏體的分解階段（第Ⅰ階段）

  淬火鋼在從室溫至250℃溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)，淬火馬氏體中過飽和的碳將析出，馬氏體中的碳含量降低。研究證明，這時(shí)析出碳化物是亞穩(wěn)定的。結(jié)構(gòu)大致為Fe_χC型，屬ε相。也有的認(rèn)為是高度彌散分布的Fe₃C。

 還有更進(jìn)一步的研究認(rèn)為，在馬氏體分解并析出碳化物之前，馬氏體中過飽和的碳原子已經(jīng)有一個(gè)偏聚過程（還不是析出），碳原子形成十分細(xì)小的偏聚團(tuán)。對(duì)于較高含碳量的鋼，這個(gè)偏聚團(tuán)向馬氏體的孿晶界面偏聚。而在較低含碳量的鋼中，這個(gè)偏聚團(tuán)向馬氏體的位錯(cuò)線附近的條片界面上偏聚。有的資料將這個(gè)碳原子的偏聚過程稱為馬氏體回火的準(zhǔn)備階段。

 在馬氏體不銹鋼中，雖然有鉻的存在，但由于這個(gè)階段的溫度較低，所以，鉻不會(huì)對(duì)于這個(gè)階段產(chǎn)生明顯的影響。

 馬氏體分解階段完成后，鋼的組織構(gòu)成應(yīng)該是回火馬氏體和Fe_xC型碳化物。

 淬火鋼在完成這個(gè)階段轉(zhuǎn)變后，經(jīng)低溫回火的馬氏體性能略有改變，并有以下特點(diǎn)。

 ①. 和淬火狀態(tài)的馬氏體相同，低溫回火馬氏體的強(qiáng)度主要由鋼的含碳量來決定。合金元素對(duì)提高回火馬氏體強(qiáng)度的作用很小。

 ②. 含碳量大于0.3%的馬氏體低溫回火時(shí)，基體中的固溶成會(huì)由于碳的析出而下降，降至0.2%~0.3%范圍之內(nèi)，由碳過飽和固溶所引起的晶格畸變大部分會(huì)消除。雖然碳量的變化仍會(huì)影響馬氏體的強(qiáng)度，但碳對(duì)淬火馬氏體是以固溶強(qiáng)化方式產(chǎn)生影響的，而對(duì)低溫回火馬氏體則是以析出碳化物數(shù)量為主要影響方式。所以，鋼碳含量的增加對(duì)低溫回火馬氏體強(qiáng)度的影響不如對(duì)淬火馬氏體的影響大。

 ③. 合金元素雖對(duì)回火馬氏體的強(qiáng)度影響不大，卻能明顯影響它的韌性。低溫回火時(shí)，等強(qiáng)度的合金鋼沖擊值可比碳鋼高幾倍。

2. 殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變階段（第Ⅱ階段）

  在回火230~280℃溫度范圍內(nèi)，馬氏體分解還在進(jìn)行，馬氏體內(nèi)的含碳量繼續(xù)降低，與此同時(shí)，還發(fā)生殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變，即殘留奧氏體的分解，分解產(chǎn)物為低碳的馬氏體和ε型碳化物?；鼗饡r(shí)殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變與過冷奧氏體在這一溫度范圍的分解情況相似，即以類似于貝氏體的轉(zhuǎn)變方式轉(zhuǎn)變。

 殘留奧氏體中的含碳量對(duì)這個(gè)階段的轉(zhuǎn)變沒有大的影響，合金元素，特別是鉻會(huì)提高殘留奧氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍，并可抑制殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變。

 由于殘留奧氏體的分解產(chǎn)物是低碳馬氏體和ε型碳化物（或分解成下貝氏體），所以，對(duì)鋼會(huì)有強(qiáng)化作用，出現(xiàn)明顯的硬化現(xiàn)象。

 3. χ、θ碳化物的形成階段（第Ⅲ階段）

   不同含碳量的馬氏體在260~360℃溫度區(qū)間回火時(shí)，首先會(huì)析出x型碳化物，分子式為Fe₅C₂(有的認(rèn)為是Fe₂C),并隨回火溫度的升高而長大。較高含碳量的鋼中，這種碳化物可保持到大約450℃.而較低含碳量鋼中，這種碳化物穩(wěn)定性較差。在這一階段，隨著溫度的升高，x碳化物將轉(zhuǎn)化成θ碳化物，其分子式為Fe₃C。同時(shí)，在低溫度區(qū)間，從馬氏體中已經(jīng)析出的ε碳化物（Fe_xC)也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣忍蓟铩?/span>

  在這個(gè)溫度區(qū)間回火，由于馬氏體中碳的繼續(xù)析出，晶格畸變基本消除，，析出的碳化物質(zhì)點(diǎn)有聚合傾向，組織中的位錯(cuò)密度減少，李晶界消除，這一系列變化，使鋼的硬度和強(qiáng)度有所下降，但在這個(gè)階段，有些鋼會(huì)產(chǎn)生脆性，即第一類回火脆性。在馬氏體不銹鋼中，由于鉻元素的存在，對(duì)碳化物的形成會(huì)起到阻礙作用。

 4. 碳化物的集聚長大階段（第Ⅳ階段）

  在淬火馬氏體間火第皿階段結(jié)束后，馬氏體分解全部完成，形成高度分散的鐵素體和碳化物的混合物。碳化物主要是θ型碳化物Fe₃C,也會(huì)有少量尚未完全轉(zhuǎn)變的x碳化物和ε碳化物。

  實(shí)際上，在第皿階段后期，大約從300℃開始，碳化物開始集聚、長大。400℃以上，這個(gè)過程更明顯了。

  電子顯微鏡分析表明：在較低溫度下回火時(shí)形成的碳化物呈圓片狀，隨回火溫度的提高逐漸粗化，最后變成球狀。在550℃以上，獲得顆粒狀碳化物，再提高回火溫度，碳化物顆粒粗化、變大。在碳化物集聚、長大的過程中，發(fā)生了碳及合金元素的擴(kuò)散。

  鋼中的合金元素在這一階段發(fā)揮了明顯的作用，因?yàn)闇囟容^高，合金元素已經(jīng)有能力進(jìn)行擴(kuò)散和移動(dòng)。所以，合金元素在鐵素體和碳化物之間進(jìn)行重新分配。

  由于碳從鐵素體中充分析出及碳化物的集聚長大，鋼的硬度和強(qiáng)度下降，而塑性和韌性上升，使鋼具有優(yōu)良的綜合性能。但有些合金鋼在這個(gè)溫度區(qū)間回火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第二類回火脆性。

  馬氏體不銹鋼中含有較高的鉻，并在淬火鋼回火過程中的各個(gè)階段產(chǎn)生不同程度的作用。

  鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，會(huì)增加碳化物原子間的結(jié)合力，使碳化物的細(xì)小顆粒的溶解難以進(jìn)行，所以，會(huì)阻礙較大碳化物顆粒的長大、集聚，也就會(huì)使回火鋼因碳化物集聚長大而引起的硬度下降作用減弱。

  另外，在較高溫度回火時(shí)，由于含鉻的特殊碳化物的彌散析出，使回火鋼的硬度產(chǎn)生回升現(xiàn)象。

  有的資料顯示，含鉻12%的馬氏體不銹鋼在450℃左右回火時(shí)，會(huì)出現(xiàn)硬度最高點(diǎn)，并認(rèn)為，這除了鉻阻礙碳化物長大和特殊碳化物彌散析出的原因外，還可能與殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體有關(guān)。

 綜上所述，鉻在馬氏體不銹鋼回火轉(zhuǎn)變過程中、發(fā)揮阻礙回火續(xù)變的作用。這就是為什么要獲得與碳含量相同的碳鋼同樣硬度和強(qiáng)度時(shí)，必須提高回火溫度和延長保溫時(shí)間的原因。

二、馬氏體不銹鋼的回火脆性

 1. 回火脆性分類

  鋼的回火脆性是指某些淬火鋼在某一溫度區(qū)間回火時(shí)，沖擊韌性下降、脆性增加的特性。在250~400℃溫度區(qū)間產(chǎn)生的脆性稱第一類回火脆性，由于產(chǎn)生的溫度較低，又稱低溫回火脆性，這種回火脆性產(chǎn)生后，可以用更高溫度的加熱消除，之后，再在脆性產(chǎn)生溫區(qū)回火時(shí)將不再產(chǎn)生脆性，所以，也稱不可逆回火脆性。大多數(shù)鋼都有第一類回火脆性：

  在450~700℃溫度區(qū)間產(chǎn)生的脆性稱第二類回火脆性，由于產(chǎn)生的溫度較高，又稱高溫回火脆性，這種脆性產(chǎn)生后，可以通過高于脆化溫度加熱后快冷予以消除，但消除后如果再次在脆化溫度加熱緩冷，則又重復(fù)產(chǎn)生脆性，所以，也稱可逆回火脆性。

 第二類回火脆性多產(chǎn)生于鉻一錳、鉻－鎳等合金鋼中，因?yàn)樵S多工程零件需要在高溫回火后使用，回火溫度可能重合于脆化溫度，所以，人們對(duì)第二類回火脆性更重視，研究也比較深入。

 2. 回火脆性產(chǎn)生的原因

 關(guān)于回火脆性的產(chǎn)生原因和本質(zhì)，雖有大量的研究，但仍未有統(tǒng)一的意見，存在不同的假說和理論。

①. 析出理論

 淬火鋼回火時(shí)，淬火馬氏體中過飽和的碳優(yōu)先，以晶間斷裂為主要特征的事實(shí)來證明。還有的研究者認(rèn)為是鋼回火時(shí)，在某一溫度條件下，各種組約在固溶體中的溶解的回冷卻時(shí)被溶物從固溶體中析出，并以不利于韌性的狀態(tài)分布。反之，快診求它們被保留在固并以不利的韌性無測(cè)顯影響。但用析出物來解釋回火脆性的常不中，不修充分，因?yàn)樵诋a(chǎn)生脆性的溫度與室溫時(shí)相比，碳等理由仍并解度沒有很大區(qū)別，另外，脆性及脆化程度并不與回火溫度成比例。

②. 碳化物轉(zhuǎn)變理論

 認(rèn)為含有合金元素的淬火鋼，在回火加熱的初期析出的是無合金碳化物，隨回火溫度的升高和合金元素?cái)U(kuò)散能力的增強(qiáng)，碳化物的成分和分布形態(tài)改變而引起脆性。以含路12%的馬氏體不銹鋼為例，隨著回火溫度的提高和回火時(shí)間的延長，碳化物是按（FeCr)₃C→(FeCr)₇C₃→（FeCr)₂₃C₆的順序變化的。（FeCr)₂₃C₆引起脆性的能力更強(qiáng)些，特別是當(dāng)其沿晶界析出和分布時(shí)，對(duì)韌性更加不利。

 這個(gè)理論似乎告訴我們回火脆性與回火加熱、保溫溫度有關(guān)，但事實(shí)是回火脆性恰恰與冷卻方式有關(guān)。

③. 殘留奧氏體轉(zhuǎn)變理論

  鋼在加熱奧氏體化時(shí)，由于擴(kuò)散的作用，碳和合金元素聚集在奧氏體晶界處，引起奧氏體晶內(nèi)與晶界處成分不均勻。淬火冷卻后，晶內(nèi)組織發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，晶界處因含有較高的碳和合金元素，呈薄膜狀的奧氏體較穩(wěn)定，沒發(fā)生轉(zhuǎn)變而保留下來。在回火加熱時(shí)，由于碳和合金元素的析出降低了其穩(wěn)定性，在回火冷卻時(shí)，發(fā)生了馬氏體相變，從而引起脆性。

  但是，這一理論與回火后緩慢冷卻有脆性，快速冷卻則無脆性的事實(shí)相矛盾，并且不能解釋回火脆性可逆性的特征。

④. 雜質(zhì)元素晶界偏析理論。

 當(dāng)鋼中含有低熔點(diǎn)的銻、磷、錫等雜質(zhì)元素時(shí)，在鋼加熱過程中，它們?nèi)苡诠倘荏w內(nèi)，使鐵的晶格產(chǎn)生彈性畸變和系統(tǒng)能量增高，晶界處由于缺陷較多，在一定條件下，雜質(zhì)會(huì)自發(fā)地向晶界區(qū)偏聚。另外，在回火過程中，蕨化物沉淀析出時(shí)，雜質(zhì)元素會(huì)被排斥在碳化物之外，促使基體利碳化物界面附近的雜質(zhì)元素濃度增加。雜質(zhì)元素的這種不規(guī)則的濃集層降低了晶面間的結(jié)合力，為裂紋提供了成核和擴(kuò)展的機(jī)會(huì)，持這種觀點(diǎn)的研究者還指出，當(dāng)鋼中含有鉻、鎳等元素時(shí)，由于在奧氏體化過程中也會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏聚，而合金元素和雜質(zhì)之間存在化學(xué)親合力，又加強(qiáng)了雜質(zhì)元素的偏聚程度，所以，含鉻、鎳等元素的合金鋼的回火脆性更明顯一些。

 但是，這個(gè)理論也沒能解釋清楚回火脆性和回火冷卻速度有密切關(guān)系的原因。

 總之，關(guān)于鋼的回火脆性的實(shí)質(zhì)還是一個(gè)需要繼續(xù)深入探討的課題。雖然，目前還缺少一個(gè)最完善的理論來解釋鋼的回火脆性。但在某些方面還是有相似觀點(diǎn)的。

 ①. 沖擊斷裂基本上是沿晶界發(fā)生的?？梢哉J(rèn)為回火脆性是晶界轉(zhuǎn)變的結(jié)果。

 ②. 第二類回火脆性是可逆的?？梢哉J(rèn)為回火脆性應(yīng)該與某些析出物的溶解、析出過程有關(guān)。

 ③. 第二類回火脆性的產(chǎn)生與回火冷卻速度相關(guān)，可以認(rèn)為回火脆性與回火冷卻過程中是否有析出物有關(guān)。

 3. 鋼的回火脆性的判斷和評(píng)價(jià)

 第二類回火脆性的產(chǎn)生與回火冷卻速度有關(guān)，所以，一般用鋼在回火快冷和緩冷后所測(cè)到的沖擊值的比值來評(píng)價(jià)其是否有回火脆性及其嚴(yán)重程度。如某材料的兩組沖擊試樣，保證在其他條件相同的條件下，一組回火采用快冷，另一組采用緩慢冷卻，若快冷樣沖擊功為90J,緩慢冷卻樣沖擊功為60J,則Δ=90/60=1.5,稱Δ為回火脆性敏感系數(shù)。一般當(dāng)Δ>1,即認(rèn)為有回火脆性傾向，Δ值越大，說明該材料在回火溫度下的回火脆性越嚴(yán)重。

 這種評(píng)價(jià)回火脆性的方法，一般能滿足常規(guī)條件下工作零件對(duì)韌性的需要，在一些特殊環(huán)境和條件下工作零件，對(duì)材料韌性及韌性變化有特別要求時(shí)，還應(yīng)該采用更嚴(yán)格的評(píng)價(jià)方法。如測(cè)定材料的冷脆性轉(zhuǎn)變溫度，或測(cè)定材料不同回火冷卻方式對(duì)冷脆轉(zhuǎn)變溫度提高程度的影響等。當(dāng)然，這些測(cè)試和評(píng)價(jià)更復(fù)雜，成本更高。

 4. 合金元素對(duì)回火脆性的影響

  一般認(rèn)為碳鋼是對(duì)回火脆性不敏感的鋼，合金元素對(duì)回火脆性有不同程度的影響，而且還與其含量、與碳及其他合金元素的配比有關(guān)。合金元素對(duì)回火脆性的影響可大致分為以下情況。增大回火脆性的元素有錳硅、鉻、釩、磷、氫、硼等；減小回火脆性的元素有鉬、鎢等；對(duì)回火脆性影響不明顯的元素有鈦、鈮、鋯等；銅、鎳等元素單獨(dú)影響作用不大。

 在馬氏體不銹鋼中的主要合金元素對(duì)回火脆性傾向影響情況如下:

 ①. 鉻：對(duì)回火脆性有影響，且隨鉻含量的增加而增加。當(dāng)鋼中還有鎳、錳、磷元素時(shí)，影響更大。

 ②. 鎳：鎳元素本身對(duì)回火脆性影響不明顯，但與鉻、錳、磷等元素在一起時(shí)，則產(chǎn)生回火脆性。

 ③. 釩：增大回火脆性。但加釩的鋼提高了抗回火穩(wěn)定性，－般采用更高的溫度回火，可能遠(yuǎn)離鋼的回火脆性溫度區(qū)間，所以，實(shí)用上對(duì)回火脆性反映不很明顯。

 ④. 鉬：有人認(rèn)為鉬本身對(duì)回火脆性有影響，但適當(dāng)?shù)丶尤胗谢鼗鸫嘈缘你t鋼、鉻－鎳鋼、鎳－錳鋼、鉻－錳鋼中，反而會(huì)減小和消除鋼的回火脆性。但也有資料報(bào)道，在某些鋼中，當(dāng)鉬含量超過一定量時(shí)，反而增大了回火脆性。

 在馬氏體類不銹鋼中，一般認(rèn)為都有回火脆性傾向，其中，2Cr13、1Cr17Ni2、0Cr13Ni4Mo等有明顯的回火脆性傾向。

5. 減小和消除回火脆性的方法

  鋼的回火脆性，特別是第二類回火脆性給許多材料在使用中帶來危害，應(yīng)引起注意。在減小或消除鋼的回火脆性方面，人們做了大量工作，并積累了一些經(jīng)驗(yàn)。在工程實(shí)用上可采取的手段：一方面從控制化學(xué)成分入手，另一方面是從改善回火冷卻方法上做工作。

 屬于化學(xué)成分方面的措施，包括合理設(shè)計(jì)鋼的成分，控制引起回火脆性的合金元素的含量和配比，或者合理加入減小回火脆性的合金元素，如鉬、鎢等。再就是提高鋼的純度，減少雜質(zhì)和低熔點(diǎn)元素。

 在熱處理方法上，最簡單可行的是用回火快冷方法。為減少因回火快冷產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)于大型工件或要求嚴(yán)格控制殘留應(yīng)力的工件，可在回火快冷后，再采用一次低于產(chǎn)生回火脆性溫度下的去應(yīng)力回火。也有的采用兩段回火冷卻方法，即回火保溫后，先快速冷卻至產(chǎn)生回火脆性溫度以下的溫度，再入爐繼續(xù)以緩慢方式冷卻。當(dāng)然，這在實(shí)際操作上不易準(zhǔn)確控制分段的時(shí)機(jī)。

 對(duì)某些成分的鋼，可以降低淬火加熱溫度減輕回火脆性?，F(xiàn)在，我們可以概括地總結(jié)一下：馬氏體不銹鋼中，由于含有13%左右的鉻及其他合金元素，使其在加熱奧氏體化、冷卻發(fā)生組織轉(zhuǎn)變及淬火后回火過程中具有了與碳鋼不同的特征。

（1) 狀態(tài)圖有了改變，縮小了γ相區(qū)。

（2) 改變了共析溫度和共析碳含量，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。

（3) 鋼在加熱奧氏體化時(shí)，應(yīng)提高加熱保溫溫度和延長保溫時(shí)間。

（4) 奧氏體穩(wěn)定程度提高了，可以采用較緩慢的淬火冷卻方式，充分獲得馬氏體組織，提高了鋼的淬透性。

（5) 增加了淬火組織中的殘留奧氏體量。

（6) 與碳鋼相比，在獲得相同硬度和強(qiáng)度的情況下，需提高回火溫度，延長回火保溫時(shí)間。

（7) 增加了鋼的回火脆性傾向，必要時(shí)采用快冷，以減少鋼的回火脆性。