钢的回火脆性及对策相关知识

钢的回火脆性是什么意思？有什么对策？

回火脆性指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。

第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，主要发生在回火温度为250～400℃时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性。

第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400～650 ℃，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。回火脆性的发生与钢中所含合金元素有关，如锰，铬，硅，镍会产生回火脆性倾向，而钼，钨有减弱回火脆性倾向。

弹簧第一类回火脆性合金钢淬火后于250～400℃范围回火后产生的回火脆性，呈晶间型断裂特征，且不能用重新加热的方法消除，故又称为不可逆回火脆性。主要产生在合金结构钢中。在200～350℃之间回火时出现的第一类回火脆性又称低温回火脆性。如在出现第一类回火脆性后再加热到更高温度回火，可以将脆性消除，使冲击韧性重新升高。此时若再在200～350℃温度范围内回火将不再会产生这种脆性。由此可见，第一类回火脆性是不可逆的，故又可称之为不可逆回火脆性。

几乎所有的钢均存在第一类回火脆性。如含碳不同的Cr-Mn钢回火后的冲击韧性均在350℃出现低谷。第一类回火脆性不仅降低室温冲击韧性，而且还使钢料的冲击韧性随测试温度的下降而出现显著下降。出现第一类回火脆性时大多为沿晶断裂，但也有少数为穿晶解理断裂。

高温回火温度为500~600°C，保温适当时间后冷却。主要用于在淬火或正火后调整铸钢的组织，使之兼有高强度和良好韧性的碳钢和低、中合金钢铸件。回火脆性是制定合金钢铸件回火工艺时必须注意的问题。在下列两个温度范围内均可发生。在250~400°C发生的脆性：经淬火成为马氏体组织的铸钢，在此温度范围内都会产生回火脆性。如稍高于此脆性温度区回火，则可消除此回火脆性。而且以后再在上述温度范围内回火时，也不会再出现回火脆性，故常称之为第一类回火脆性。在400~500°C（甚至650°C）发生的脆性：这对多数低合金铸钢都会发生，即发生铸钢的高温回火脆性。如将已在此温度范围内产生脆性的铸钢件再加热到600~650°C以上，之后在水或油中快冷，即可消除此种脆性。然而已消除脆性的铸件，如又加热到产生回火脆性的温度，脆性又会出现。这常称之为第二类回火脆性。

一、第一类回火脆性（又叫低温回火脆性或不可逆回火脆性）

温度范围：200~350℃

产生原因：

1．有害杂质元素S、P、As、Sn、Sb、Cu、H、O导致第一类回火脆性

2．Mn、Si、Cr、Ni、V促进第一类回火脆性，镍-硅共存也起促进作用，铬硅进步回火脆性温度

3．奥氏体晶粒越大，残余奥氏体越多，第一类回火脆性越严重

4．奥氏体晶界偏聚杂质元素和碳化物薄壳的形成，使晶界强度降低

对策：

1．不在该温度范围内回火

2．用等温淬火代替

3．降低钢中杂质元素

4．细化奥氏体晶粒

二、第二类回火脆性（高温回火脆性、可逆回火脆性）

温度范围：450~650℃

产生原因：

1．杂质元素P、Sn、Sb、As、B、S引起脆性

在镍-铬钢中以锑影响最大，锡次之

在铬-锰钢中，磷作用最大，锑、锡次之

对于低碳钢磷作用比锡大

对于中碳钢锡作用比磷大

2．促进第二类回火脆性元素是Ni、Cr、Mn、Si、C，这些元素与杂质元素同时存在引起脆性

钢中含有一种元素时，锰引起脆性最高，铬次之，镍再次之

两种元素同时存在，脆化作用更大

3．Mo、W、V、Ti、稀土元素能抵制回火脆性

4．回火后冷却速度太慢引起脆性

5．奥氏体晶粒粗大

6．形成脆性的机理是晶界析出和晶界偏聚理论

对策：

1．降低钢中杂质元素

2．加进细化奥氏体晶粒的铌、钒、钛

3．加进扼制第二类回火脆性的元素钼、钨

4．避免在450~650℃回火，在此温度回火后应快冷

5．用亚温淬火及铸造余热淬火来减轻和扼制第二类回火脆性

回火脆性是指钢在淬火后进行回火的过程中，随着回火温度的提高，钢的基体硬度和强度降低，而塑性和韧度得到提高和改善。但在某一温度范围内回火时，出现韧度随回火温度的升高而存在低谷或降低的现象，这种现象称为回火脆性。一般脆性是由于回火温度偏低或回火时间不足造成的，可采取选择合理的回火温度与充分回火加以预防和补救。图1所示为结构钢的脆性示意图。在普通镍钢和铬钢中，回火脆性十分明显。钢在回火过程中，可能发生两种类型的脆性：一种脆性通常在200～400℃回火温度范围区间内，时间越长则愈明显，而与回火后的冷却速度无关，通常在碳钢和合金钢中出现，该类回火脆性即使回火后快冷或重新加热回火均无法避免，称为第一类回火脆性，也称不可逆回火脆性、低温回火脆性或马氏体回火脆性等。另一种脆性发生在某些合金结构钢中，为直接在450～550℃温度区间加热回火或高于600℃回火而在450～550℃区间内缓慢冷却，与保温时间无关，而与冷却速度有关，对于这类脆性的消除方法是重新加热到600以上，迅速冷却可予以消除，能防止回火脆性的发生，这种脆性为第二类回火脆性，又称为可逆回火脆性、高温回火脆性或回火脆性等。

图1 结构钢的回火脆性示意

(1)第一类回火脆性钢铁零件淬火后的夏比冲击功随着回火温度的变化曲线在第一类回火脆性区出现了低谷，钢的力学性能指标对第一类回火脆性有不同的敏感程度，同时与加载方式有关。应当注意如零件存在应力集中、承受的冲击或扭转载荷较大，而要求较大的塑性和韧度与强度的配合时，则第一类回火脆性的出现将增大零件脆性开裂的危险性，因此是一种热处理缺陷。该类补救措施为按热处理工艺规范重新淬火，一般认为是由于马氏体分解出碳化物，从而降低了晶界的断裂强度，避开回火脆性区。适当提高材料中硅的含量可降低低温回火脆性，这一点在材料的选择上要认真考虑。

(2)第二类回火脆性第二类回火脆性主要产生于含铬、镍、锰、硅等合金元素的合金结构钢中，由于晶界上富集了锑、磷、锡、砷等杂质元素，故加强了晶界的脆性造成回火脆性。该类钢具有的特点如下：

①淬火钢在脆性温度范围内(500～650℃)回火或缓慢通过时，即会出现回火脆性，停留或保温时间越长则脆化现象明显。导致零件在室温下冲击值明显下降。

②回火脆性与回火后的冷却速度有关，迅速冷却则可抑制或减弱脆性。该类回火脆性是可逆的，对于产生脆性的钢重新高温回火后快冷可消除脆性，而对已经消除回火脆性的钢在脆性温度范围内回火，又将出现回火脆性。该类回火脆性将造成钢沿晶界脆断。

第二类回火脆性的抑制和防止措施如下：

⑴在钢的冶炼过程中，减少钢水中P、Sb、Sn、As等有害杂质的含量，防止其在晶界的偏聚。

⑵向钢中添加0.2%～0.5%Mo或0.4%～1.0%W元素，钼用来减缓P等杂质的元素向晶界的偏聚和扩散，或选用含钼或钨的钢种，两种元素通过阻止杂质元素的扩散而削弱它们在晶界的富集。

⑶高温回火结束后快速冷却，或尽量缩短零件在脆性温度下的停留时间以及回火后快冷。

⑷采用不完全淬火或两相区淬火，可获得细小的晶粒，减轻和消除回火脆性，另一方面是杂质能够集中于铁素体内，避免了向晶界的偏聚。

⑸进行奥氏体晶粒的细化。

⑹采用高温形变热处理，可消除钢的回火脆性，从图2中可以看出作用比较明显。

图2 40CrNi4钢的冲击韧度随回火温度的变化关系

1- 一般的淬火工艺；2-高温形变热处理

零件进行长时间渗氮处理时，应选用回火脆性敏感程度较低的钼钢。零件的气体渗氮是在500～550范围内进行的，时间长(40～70h)，渗层较厚，通常在0.3～0.6mm。氮化用做要求耐磨性好、疲劳强度高的精密零件的热处理工艺，但需要注意的是为了降低零件的表面脆性，在达到要求的渗层后，应进行退氮处理（540～560×2～3h，氨的分解率在80%以上），这一过程是十分重要的环节，否则将造成零件的早期失效，直接影响到零件的正常使用。