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将淬火钢加热到A₁以下的某个温度，保温后冷却至室温的热处理工艺称为回火。其目的如下。

（1）改善淬火钢的性能，达到要求的力学性能。如工具要求有高硬度和耐磨性；轴类零件要求有良好的韧性；弹簧要求有较高的弹性极限和屈服强度，以及一定的塑性、韧性。

（2）将不稳定的马氏体和残余奥氏体转变为稳定的组织，以防止在使用过程中，组织转变导致丧失精度。

（3）减小或消除淬火内应力，降低马氏体的脆性，防止工件的变形和开裂。

钢淬火后必须立即回火，以防止工件在放置过程中变形与开裂。淬火钢不经回火一般是不能使用的，所以淬火－回火处理是钢热处理工艺中最重要的复合热处理方法。

淬火钢中的马氏体和残余奥氏体是非平衡组织，有向平衡组织即铁素体与渗碳体两相组织转变的倾向，但在室温时这种自发转变十分缓慢，给予一定的温度即所谓的回火处理，可使钢的淬火组织发生大致四个阶段的变化，如图5－28所示。

1）马氏体分解（100～200℃）

随着温度的升高，马氏体中过饱和的碳以ε碳化物（Fe_2．4C）的形式析出，显微组织是碳的质量分数较低的马氏体与极细ε碳化物的混合组织。马氏体转变要延续到350℃左右，此时α相中碳的质量分数接近平衡值。

2）残余奥氏体的转变（200～300℃）

马氏体的分解会使残余奥氏体的压力减小，残余奥氏体会转变为ε碳化物和过饱和α固溶体，即转变为下贝氏体，到300℃时基本完成转变。

3）渗碳体的形成（250～400℃）

ε碳化物转变为渗碳体是通过稳定的ε碳化物溶入α相中，同时从α相中析出渗碳体来实现的。在350℃左右时转变进行较快，此时α相仍保持针状，渗碳体呈细薄的短片状，这样，马氏体就分解成铁素体（饱和状态）和渗碳体的机械混合物了。

4）渗碳体聚集长大和α相再结晶（大于400℃）

随着温度升高，渗碳体首先转变为细小的粒状并逐渐聚集长大，600℃以上急剧粗化。同时，在450℃以上α相开始再结晶，此时失去针状形态，而成为多边形铁素体。

由上述可知，回火是四种转变阶段交叉进行的过程，同一回火温度可能有几种不同的转变，不同温度的回火组织是这些转变的综合结果，因而组织往往较复杂。根据回火温度范围和显微组织形态的基本特征，大致可将回火组织分为三类。

在150～250℃时回火得到回火马氏体（M′），它是由过饱和较低的α固溶体与和它共格的ε碳化物所组成的两相混合物，回火马氏体仍保持原淬火马氏体组织形态，只是易腐蚀，颜色较暗。

在350～500℃时回火得到回火屈氏体（T′），它是在针状或板条状铁素体基体上大量弥散分布着细粒状渗碳体的两相混合物，在光学显微镜下不能分辨出渗碳体颗粒。

在500～650℃时回火得到回火索氏体（S′），它是由粒状渗碳体和再结晶多边形铁素体所组成的两相混合物，在光学显微镜下能清晰分辨出渗碳体颗粒。

随着回火温度的变化，钢的组织会发生一系列的变化，其性能也将发生变化。淬火钢的力学性能总的变化趋势：随着回火温度的升高，硬度、强度下降，塑性、韧性升高。

随着回火温度的升高，淬火钢硬度会下降的变化规律如图5－29所示。在200℃以下，有大量弥散析出ε碳化物，造成了弥散强化，硬度下降缓慢，基本保持了淬火钢的高硬度。而高碳钢在100℃左右时回火硬度会略有回升。在200～250℃时，残余奥氏体分解为回火马氏体，使高碳钢的硬度基本保持不变（而中、低碳钢在200℃以后硬度开始显著下降）。在250℃以上时，α固溶体中的碳进一步析出，ε碳化物向渗碳体转变并聚集增大，此时钢的硬度呈直线下降。

淬火钢的塑性、韧性较差，由于存在着较大的内应力，强度一般也不高，在较低温度200～300℃回火时，因内应力较小，脆性降低，钢的σ_b、σ_s均会有所提高，在300～400℃之间回火时，钢的弹性极限达到最高值，但随着回火温度的继续提高，钢的强度会继续下降，而钢的塑性、韧性则达到最大值，且仍具有较高的强度，淬火钢力学性能随回火温度变化而变化，其规律如图5－30所示。

淬火钢回火后的组织与性能由回火温度决定，根据回火温度的不同，大致可分为三类。

150～250℃回火，获得回火马氏体，主要目的是减小淬火内应力和降低脆性，且基本保持了淬火后的高硬度（58～64HRC）和耐磨性。低温回火多用于各种工模具、渗碳或表面淬火件。

350～500℃回火，获得回火屈氏体，硬度为35～45HRC，目的是使钢件具有较高的强度、弹性极限和一定的塑性、韧性。中温回火多用于弹性零件。

500～650℃回火，淬火加高温回火调质得到回火索氏体，硬度为25～35HRC，目的是获得良好的综合力学性能，既有较高的强度、硬度，又有良好的塑性、韧性。高温回火主要应用于轴、齿轮等重要零件，也可以作为精密器件、量具等的预备热处理。

随着回火温度的升高，淬火钢的韧性并非连续不断地提高，而是在250～400℃和450～650℃两个温度区间内出现明显下降，如图5－31所示，这种随回火温度的升高而冲击韧性下降的现象称为回火脆性。

1．低温回火脆性

在250～400℃范围内发生的脆性称为低温回火脆性，也称为第一类回火脆性。几乎所有的钢在300℃左右回火时，都将或多或少地发生脆性，但如果工件在更高的温度下回火，这种脆性就不会发生，然后再在300℃左右时重新回火，工件也不会出现这种脆性，这称为不可逆回火脆性。经研究证实，250℃以上的回火，是产生这类脆性的原因，一般认为，这是碳化物以断续的薄片状沿马氏体片或马氏体条的界面析出所造成的，这种薄片状碳化物与马氏体的结合较弱，降低了马氏体晶界处的强度，因而使得其冲击韧性下降。为了防止低温回火脆性，一般应避开在该温度范围内回火，或者采用等温淬火工艺。

2．高温回火脆性

在500～600℃回火后缓慢冷却发生的脆性称为高温回火脆性，也称为第二类回火脆性。这类回火脆性常发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的合金钢中。将已产生这类脆性的钢，重新加热到600～650℃以上，然后快速冷却，就可以消除这类脆性。相反，将已经消除了此类脆性的工件，重新加热到此温度并停留，脆性又会重新出现。因此，这类脆性又称可逆回火脆性。至于产生原因，目前比较一致的看法是，Pb、Sn、P等杂质元素会在回火过程中向原奥氏体晶界偏聚，而Ni、Cr、Mn等合金元素促进了这些杂质元素的偏聚，其自身也易在晶界富集，从而增加了脆性倾向。

防止高温脆性的途径有以下三种：

（1）高温回火后快速冷却；

（2）加0．5%Mo或1%W基本可消除此类回火脆性；

（3）提高钢的纯度，减少杂质。

五、淬火－回火得到的组织与过冷奥氏体直接得到组织的比较

以中碳钢淬火后高温回火为例进行比较，中碳钢调质后得到回火索氏体，过冷奥氏体直接分解也能获得珠光体，这两类珠光体在硬度、抗拉强度上相差不大，但回火组织的δ₅、ψ、α_k等要大得多，其主要原因是回火索氏体中的渗碳体呈粒状且在整个截面分布均匀，而珠光体中的渗碳体呈片状，分布也不均匀，如图5－32所示，这会产生很大的应力集中，易使渗碳体断裂或形成微裂纹。而粒状渗碳体在铁素体基体上的分散度较大，产生应力集中的倾向小些，因此，其塑性、韧性要高些。热处理从本质上来说，就是要把不均匀分布的碳化物转变成细小粒状碳化物并均匀地分布在其基体上。