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随着回火温度的升高，材料的强度降低，塑韧性得到提高。而很多钢种在某些特定温度范围回火时，随着材料强度的下降，韧性也出现显著下降，这种现象称为回火脆性。

1、回火脆性的特征

回火脆性通常可以分为低温回火脆性和高温回火脆性 2 类。

(1) 钢在 250~350 ℃ 回火时出现的韧性下降现象，称为第一类回火脆性，即低温回火脆性。

(2) 钢在450~650 ℃回火时出现的脆性称第二类回火脆性，即高温回火脆性。此外，钢在400~600℃ 长期时效处理后出现的脆化现象称为时效脆化，也属于第二类回火脆性的范畴。在大型锻件的生产过程中，Ni-Cr 型或 Ni-Cr-Mo 型高强度钢，在回火处理或焊后热处理冷却过程中易产生脆化，这种现象长期在回火脆化温度范围内使用可发生脆化。

笔者针对钢的回火脆性特征、产生机理、影响因素和预防措施等几个方面进行了详细分析。

图1为30Ni-Cr 钢的冲击韧性与回火温度的关系曲线。由图1可知，在 30Ni-Cr 钢回火过程中，随着回火温度的升高，冲击韧性在 300℃和 550℃出现了极小值。在300℃ 附近出现了第一类回火脆性，产生这类回火脆性后，将其在温度≥300℃ 回火，避开脆化温度区间，恢复其韧性；若再次在 250～400℃ 范围内回火，材料韧性不会下降，可见第一类回火脆性是不可逆的。由图1可知，在500℃ 附近出现了第二类回火脆性；在温度≥650℃回火后，缓慢冷却，在500~650℃ 停留较长时间也会引起脆化，快速冷却则不会出现脆化，如图1所示。产生第二类回火脆性的材料消除脆性后，若再次加热至脆性温度区间，或在脆性区间缓慢冷却停留时间较长，脆性会再次出现，由此可见，第二类回火脆性具有可逆性。

由图2可知，具有回火脆性的07Cr12NiMoVNb钢，冲击断口为晶粒状，属于晶间断裂，断口的颜色较亮。正常状态的07Cr12NiMoVNb钢断口有大量韧窝，属于韧性断裂，而发生回火脆性后材料断口出现大量“冰糖状”花样，断裂方式为沿晶断裂，如图2(b) 所示。

通过力学性能试验可知，07Cr12NiMoVNb钢的其它指标并无明显变化，特别是塑性和冲击韧性之间不存在内在联系。出现回火脆性时，冲击功明显降低，而塑性并不降低，使钢的综合力学性能变差。陈继志、王嘉敏研究了回火脆性对材料力学性能的综合影响。由图3可知，回火温度在400~700℃范围内，材料的屈服强度、抗拉强度和硬度值随着回火温度的上升而缓慢下降，断面收缩率和延伸率随着回火温度的升高而逐渐上升；而冲击韧性在 550~600℃的回火温度区间内出现反常变化，随着回火温度的提高，冲击韧性迅速下降。

2、回火脆性产生的机理

普遍认为回火后的冷却速度是产生回火脆性的因素，而对其本质的讨论目前仍存在以下不同的观点。

(1) 杂质元素偏聚理论认为，钢在回火后冷却或时效处理过程中，P、Sn、Sb 及As等有害元素在奥氏体晶界处偏聚，降低了Fe原子在晶界处的结合力，当材料受冲击或拉伸时，界面能已下降的晶界处较容易首先开裂，如果材料的晶内韧性好，裂纹就容易沿晶扩展，造成沿晶断裂。

(2) 析出理论认为，在500~650℃ 回火时，α 固溶析出碳化物、氧化物及氮化物等在晶界上析出，从而减弱了原奥氏体晶界上的原子结合力，使钢变脆。

(3) 钢在回火缓冷经过引起脆性的温度区域时，因杂质元素在晶界上的富集与偏聚是可逆的，且某些杂质元素形成的化合物，其生成与溶解的过程还可能同时进行，导致回火脆性的重复发生；而快冷则抑制富集与偏聚过程的进行，从而避免第二类回火脆性或消除已发生过的回火脆化。近年来雷廷权等人提出了用α相时效脆化理论解释第二类回火脆性对冷却速度的敏感性问题，该理论认为第二类回火脆性是回火处理时 α 相时效引起的，时效产生细小的 Fe3C 或Fe3N 沉淀，造成位错的强钉扎作用，从而导致韧性下降。时效机制理论可以解释回火、铸造或焊接后缓冷时出现高温回火脆性的原因。

(4) 钢的第二类回火脆性还与奥氏体晶粒度有关，奥氏体晶粒越细，第二类回火脆性越轻。

综上所述，4种理论均有可能是钢在生产过程中出现回火脆性的原因。

3、影响回火脆性的因素

3.1 化学成分对回火脆性的影响

大量试验研究表明，产生回火脆性的根本原因是合金钢在回火后冷却或时效过程中，P、Sn、Sb 和As 等有害元素在奥氏体晶界处偏聚，降低了 Fe 原子在晶界处的结合力，造成沿晶断裂，使钢变脆。其中，P 是最能增强回火脆化敏感性的元素，Sn 次之，Sb 和 As 的影响较小。另外，C、O、H、N 等间隙杂质元素也会明显地降低钢的冲击韧性。所以要尽量控制有害元素 P、Sn、Sb 和 As 等的含量，并对间隙杂质元素 C、O、H、N 等严格要求，这样可以有效地降低钢的回火脆性。

当钢中不含 Ni、Cr、Mn、Si 等合金元素时，其它杂质元素并不会引起回火脆性，如一般的碳钢就不存在回火脆性。由此可以证明，Ni、Cr、Mn 等合金元素是引起回火脆性的元素。其中，脆化能力最高的是 Mn 和 Si，Cr 次之，Ni 再次之。Si本身不会引起脆化，而是在对于P的脆化起了促进作用。在P晶界偏析程度相同的情况下，Si 越高脆化敏感性越强。而Mn的作用和 Si 一样。Cr 元素对钢回火脆化的影响只有Mn和Si的1/2 左右。Ni元素对钢的回火脆性不起太大的作用。但是当 Ni、Cr、Mn、Si 等合金元素复合加入时，将极大地促进了回火脆性的产生，如3.5Ni-Cr-Mo-V 钢脆化倾向比较严重。

在合金钢中还存在另一类元素 (如 Mo、W、V及 Ti 等)，它们可以抑制或者减少回火脆性的产生。

这类元素的加入量有一最佳值，超过最佳值时，抑制效果会变差。如Mo 元素的含量为0.5% 时，对回火脆性起到了很好的抑制作用，由于P有较强的相互作用，因此 P 不容易在晶界偏析。而当Mo元素的含量>0.7% 时，由于 Mo与C形成Mo2C析出，Cr的碳化物随即减少，固溶Cr量增加，由Cr引起的促进脆化效应就起了作用。

很多元素都会影响回火脆性，人们试图把这些元素的效应综合成一个系数，由钢的化学成分来评价回火脆化的敏感性。1970年，Bruscato建立了一种脆性因子X，用以预算金属的脆性敏感性:

X = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As)×102，

其中，每种元素的浓度用百分数表示。实际应用时应控制在 X ≤15×10-4。

Watanabe 等人从板材及锻件试验中研究了一种相似的脆性敏感因子 J

J = (Si + Mn) (P + Sn)×104，

其中，每种元素的浓度用百分数表示。实际应用时应控制J≤100。随着J和 X值的升高，钢的脆化倾向发生变化。

3.2　热处理条件对回火脆性的影响

不论锻件或板材，在锻后均要通过热处理来获得所需要的力学性能，而热处理规范对材料的回火脆性有明显影响。热处理时奥氏体化温度越高，奥氏体晶粒越粗大，钢材的回火脆化敏感性越大。回火热处理与材料回火脆性的关系引用了回火参数概念。回火参数为一定回火热处理温度与保温时间的函数值，用[P] 表示：

[P] = T (20 + logt)×10-3，式中：T 为回火温度，K；t 为回火保温时间，h。

不同钢种的回火参数范围不同，它在一定的回火参数范围内具有最低的回火脆性。回火后冷却速度对第二类回火脆性影响很大，第二类回火脆性通常在 550℃左右回火保温缓冷时出现。因此，若快速冷却，脆化现象将会消失或受到抑制。当钢材化学成分相同时，除了原始奥氏体晶粒的影响，淬火组织也对回火脆性敏感性有重要影响，其脆性敏感性按马氏体- 贝氏体 - 珠光体的顺序递减。

4、减小回火脆性的方法

多年来，国际上一直在探讨研究减小回火脆性的方法。20世纪70年代，法国阿尔斯通公司减少了3.5Ni-Cr-Mo-V 钢中的Ni含量，既可减少脆化倾向，又能避免因淬透性的降低而影响钢的综合力学性能。近年来，在生产实践中，为了防止第二类回火脆性，主要采用如下方法：

(1) 提高冶金质量　 在冶炼过程中，尽量减少钢中P、Sn、Sb 和 As 等杂质元素的含量，生产出高纯度的钢材。从根本上消除或减少杂质元素在晶界的偏聚。自20世纪80年代以来，为了提高火电机组的热效率，提高了汽轮机低压转子工作温度，为此开发了超高纯净的 3.5Ni-Cr-Mo-V钢，3.5Ni-Cr-Mo-V 钢中Si、Mn及杂质元素的含量均很低。

(2) 合金元素的控制　加入Mo、W、Nb 等合金元素，以延缓杂质元素的偏聚过程。一般高温回火的大型锻件，均采用含有Mo、W的合金钢；如日本的川崎钢铁公司 3Cr-1Mo-W 钢和日本钢铁公司的2.25Cr-1Mo-Nb钢等；钢中加入强碳化物元素如Ti，形成稳定的TiC，避免碳原子在回火时重新分配，防止晶界上出现大量碳化物偏聚，从而减轻或消除回火脆性，要尽量降低 Ni、Cr、Mn、Si 等促进回火脆性的合金元素在钢中的含量。

(3) 热处理的方法　通过热处理可使杂质元素均匀地分布在晶粒内。如实行二次淬火工艺，一次加热到Ac1~Ac3之间进行不完全淬火，可以得到少量细条

状的过剩铁素体，这些铁素体在加热时往往是利用晶内的杂质作为基点而析出，这就使杂质元素集中于铁素体内，避免它们在晶界上偏聚，以减轻或消除回火脆性；提高回火后冷却速度，减少杂质元素在晶界上偏聚的程度；采用高温形变热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大，降低杂质元素偏聚的浓度。

5、结束语

(1) 回火脆性主要由于P、Sn、Sb 和 As等有害元素特别是P在奥氏体晶界处偏聚，降低Fe 子在晶界处的结合力，使晶界强度降低所导致。回火脆性发生后材料断裂方式为沿晶断裂。

(2) 抑制回火脆性的根本方法就是降低杂质元素在晶界的偏聚，降低钢中杂质含量，提高冶炼质量则是减少回火脆性的根本方法。合理控制合金元素含量，适当增加Mo、Ti等抑制回火脆性的元素含量，降低Mn、Si、Ni等促进回火脆性的元素含量，增加回火冷却速度，都可以降低杂质元素在晶界的偏聚，有效降低材料的回火脆性。由此可见，钢的纯净度和合金元素的合理搭配是减少回火脆性的有效方法。

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