结构设计
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回火钢的性能变化
从前一杂谈我们知道，淬火钢的整个回火过程，其实就是马氏体、残余奥氏体组织分界，渗碳体颗粒长大并与铁素体结合为新的组织的过程。而这一过程，同是会伴随着一个总的机械性能变化趋势。即，虽回火稳定升高，硬度、强度下降，而塑性和韧性提高。这其中也有一些特别情况。高碳工具钢在100℃左右回火时，根据我们前面说的回火过程，碳原子大量偏聚，100℃以后，ε——碳化物大量析出。而ε——碳化物硬度比马氏体更高，因此这一阶段，钢的硬度不仅不降，反而会出现一个增加。这个现象叫做弥散硬化。同样，高碳工具钢在200~250℃间，由于发生残余奥氏体的马氏体化，因此硬度又会有一次小幅的回升。9 w0 Q/ T$ f1 F6 G$ j/ O Y
现实使用中，当回火温度较低时，钢的强度和硬度主要决定于马氏体的含碳量。而当回火温度较高时，则主要决定于渗碳体的分散程度和，晶粒度。渗碳体质点越细小，分布越均匀，晶粒度越高，强度和硬度亦越高。
钢的回火种性能变化，可以基本描述为下面两图。其中，第一幅描述整个回火过程中的主要变化。第二幅描述不同碳钢硬度和回火温度的关系。我们选择使用材料，一方面要考虑其硬度和强度需求，另一方面，还要考虑韧性需求。回火工艺主要就是平衡和选择合适的匹配的工艺。以40号钢为例，硬度在200℃回火时，基本达到一个最大值。而强度会随着回火继续有一个小幅提升，在240℃左右达到最大（残余奥氏体转变）。随后便会一直下降。但韧性，包括延展率、冲击韧性、断面收缩率都会在整个过程中表现出一直上升的状态。40号钢在回火到600~650℃时，会出现高塑性表现，此时的综合机械性能最好。而此时得到的是回火索氏体组织。这个与退火、正火得到的直接索氏体组织不同。回火索氏体中的渗碳体为颗粒状，而直接索氏体为细片状。而往往来说，颗粒状的机械性能要优于片状。同样的还有回火托氏体和直接托氏体组织，是类似的道理。如下图。
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回火工艺。
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钢的回火性能只与回火的温度和时间有关，而与回火后的冷却速度无关。（对于某些合金钢不适用）。回火的温度决定形态，回火时间决定均匀化程度和晶粒度。
在实际生产中，主要通过以下方法确定碳钢的回火温度。
1。应用回火温度和硬度的关系曲线，或者生产中总结出来的有关图标，按照要求的硬度确定回火温度。这里插一句，作为设计人员，经常会在图纸的技术要求中注明基本热处理工艺和硬度要求，或者直接注明硬度要求。即是为生产中选择使用合适的热处理工艺，达到设计者要求的材料组织性能而作的直接指示。从这点上说，我跟人很反感生产按个人理解发挥，虽然最终的硬度偏差可能很小，但是由于没有选择合理的工艺，其最终产品的性能是和设计者与其迥然的。因此，作为设计人员，一定要对自己的设计意图和热处理要求有一个清醒的认识。从认知原材料到最终成品形态，都要清洗明了。该坚持的坚持。下图为这一方法的一个例表。
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2。应用经验公式进行计算。这里必须要说，经验公式是生产中总结的结果，只针对特定的环境和材料。因此使用中要有清醒的认识。' T' T! H' w. A' b f( U
如对于45号钢，当要求硬度大于HRC30时，回火温度（℃）=200+11x（60-要求的HRC硬度值）。; v. j9 O$ J" j6 a9 A& N- R
当要求硬度小于HRC30时，回火温度（℃）=200+12x（60-要求的HRC硬度值）: `% g% R- R- {
当含碳量不为0.45%时，C%每增加或者减少0.05%，回火温度应相应增加或减少10~15℃$ Q C5 B9 h: x& E- y8 E
生产中按工件性能要求的不同，通常将回火分为三类。$ |1 U: g- [( @6 e3 G6 s5 |
1。低温回火（150~250℃）) H5 [ ^8 U" I# M, L! ]. D
低温回火的目的是消除淬火应力，降低淬火钢中的残余奥氏体的含量。在保持高硬度和耐磨性的同时，适当提升塑性、韧性。避免材料的时效开裂。低温回火后组织是回火马氏体。低温回火主要用于高碳工具钢与合金工具钢的量具、刃具、冷冲压模具以及轴承滚动体、渗碳件等。
对于高精密偶件（内燃机车燃油泵柱塞副）与量具的尺寸稳定性和耐磨性，可以在100~150℃进行长时间低温回火（数十小时）。这种回火叫也被称为时效处理或者尺寸稳定处理。必须要说，这种时效同自然时效不同。属于人为干涉的快速时效处理。
由于人们对于板条马氏体的认识加深、以及板条马氏体的应用扩展，对于低碳合金钢如20CrMn，20MnVB等，淬火+ 低温回火得到的板条马氏体，不仅强度高（1000~1600Mpa抗拉），而且依旧能保持良好的塑性和韧性。（ak可达6~7Kg*m/cm^2）另外，随着对于细晶粒钢和极细晶粒钢的研究，一些低碳合金钢再进行多次淬火回火工艺后，能得到更高的强度和韧性。这些板条马氏体钢目前已在很多领域有广泛的应用。
2。中温回火（350~500℃）
中温回火的目的是得到回火托氏体组织（HRC38~50）。回火托氏体具有高弹性、高屈服极限、高强度极限和足够的韧性，因此最适合用于弹簧等弹性体的热处理。回火托氏体中的渗碳体呈颗粒状，因此表现出很好的韧性。, X0 L! ]3 M b. A
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3。高温回火（500~650℃）( |, J; C1 ?$ v" F
高温挥霍适用于含碳量0.3~0.5%的中碳钢，回火后得到综合机械性能良好的回火索氏体。HRC25~35。具有良好的综合机械性能。生产中广泛应用于机械结构零件如轴、连杆、齿轮等制造中。一般生产上将淬火+高温回火合称为调质处理。
正如之间说淬透性时提到的，调质零件如果有截面一致性要求，则必须保证整个零件能淬透。因此随着调质零件的尺寸与受力情况不同，要求的淬透性亦不同。另外，随着新热处理技术的应用，一些以前无法做到的局部热处理工艺也在成熟。
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中温及高温回火可以适用井式炉或者盐浴炉，低温回火宜采用油浴，炉温力求均匀。
继续说昨天提到的回火脆性问题。回火脆性分两种，第一类回火脆性和第二类回火脆性。8 h4 ~1 r0 I# D% s- R6 p
第一类回火脆性是250~400℃之间，具备不可逆性，与回火后的冷却速度无关，断口为沿晶脆性断裂。第一类回火脆性也称不可逆回火脆性或者低温回火脆性。, G4 g1 A% d" w0 Y# \: u
目前对于这类脆性的成因大致有三种，残余奥氏体转变论，碳化物析出论，杂质偏聚论。: x+ q* p6 P, o7 _0 i
正如其名称中的不可逆一样，第一类回火脆性无法防止和消除。因此生产中应避免这一回火温度范围。 D) A4 u& S; L; y
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第二类回火脆性发生在高温区，400~650℃，又称可逆回火脆性。
第二类回火脆性主要表现为，可逆性；与回火后冷却速度有关（回火保温后，缓冷出现，快冷不出现。出现脆化后，重新加热快冷亦可消除）；断口为沿晶脆性断口。2 I& o$ i1 e, h, u* \
第二类回火脆性主要由材料中的Ni、Cr、Sb、Sn、P等元素的偏聚引起。因此第二类回火脆性伴随杂质元素的增多而增大。其中，Ni，Cr不仅自身偏聚，而且促进杂质元素的偏聚。4 a0 u* X" ?# b! ?
因此对于第二类回火脆性的防止，一般有以下几种方法。+ z" x& U% ]0 y/ \: K
1。提高材料纯度，减少杂质。1 m) N. ]! C- _
2。加入Mo、W等有益元素。Mo元素能有效抑制杂质元素的晶界偏聚，而且自身也不偏聚。# x2 U; K& T% c2 d3 A- ^: \
3。对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的处理方法。/ M$ ^9 f( U: G& U9 j5 z5 o$ Z- d# {
4。采用亚温淬火（A1~A3）：细化晶粒，减少偏聚度。. a% A6 w+ t! R1 G; i
5。采用高温变形热处理，使晶粒超细化。晶界面积增大，降低杂质偏聚度。
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回火中常见的问题有两种。
1。硬度偏差。主要是油浴回火温度控制不挡导致。硬度偏高可重新进行回火，提高控制回火温度到合适范围。偏低则必须重新淬火再回火。& ]: ?& J4 S s( `
2。回火后韧性不足。有时发现为磨削时发生裂纹。一般多为发生回火脆性导致。应检查避开回火脆性区或者选择合适的方法避免回火脆性。如不在回火脆性范围内，可适当提高回火温度或延长回火时间。
