眾所周知，淬火鋼不能直接應用于工程，必須經過回火才可使用。

一、馬氏體不銹鋼的回火轉變

 馬氏體不銹鋼淬火后的回火過程，基本上也遵循回火四個階段的規律。

 1. 淬火馬氏體的分解階段（第Ⅰ階段）

  淬火鋼在從室溫至250℃溫度范圍內加熱時，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，這時析出碳化物是亞穩定的。結構大致為Fe_χC型，屬ε相。也有的認為是高度彌散分布的Fe₃C。

 還有更進一步的研究認為，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有一個偏聚過程（還不是析出），碳原子形成十分細小的偏聚團。對于較高含碳量的鋼，這個偏聚團向馬氏體的孿晶界面偏聚。而在較低含碳量的鋼中，這個偏聚團向馬氏體的位錯線附近的條片界面上偏聚。有的資料將這個碳原子的偏聚過程稱為馬氏體回火的準備階段。

 在馬氏體不銹鋼中，雖然有鉻的存在，但由于這個階段的溫度較低，所以，鉻不會對于這個階段產生明顯的影響。

 馬氏體分解階段完成后，鋼的組織構成應該是回火馬氏體和Fe_xC型碳化物。

 淬火鋼在完成這個階段轉變后，經低溫回火的馬氏體性能略有改變，并有以下特點。

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

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

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

2. 殘留奧氏體的轉變階段（第Ⅱ階段）

  在回火230~280℃溫度范圍內，馬氏體分解還在進行，馬氏體內的含碳量繼續降低，與此同時，還發生殘留奧氏體的轉變，即殘留奧氏體的分解，分解產物為低碳的馬氏體和ε型碳化物?；鼗饡r殘留奧氏體的轉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變方式轉變。

 殘留奧氏體中的含碳量對這個階段的轉變沒有大的影響，合金元素，特別是鉻會提高殘留奧氏體轉變溫度范圍，并可抑制殘留奧氏體的轉變。

 由于殘留奧氏體的分解產物是低碳馬氏體和ε型碳化物（或分解成下貝氏體），所以，對鋼會有強化作用，出現明顯的硬化現象。

 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℃溫度區間回火時，首先會析出x型碳化物，分子式為Fe₅C₂(有的認為是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，這種碳化物穩定性較差。在這一階段，隨著溫度的升高，x碳化物將轉化成θ碳化物，其分子式為Fe₃C。同時，在低溫度區間，從馬氏體中已經析出的ε碳化物（Fe_xC)也逐漸轉變為θ碳化物。

  在這個溫度區間回火，由于馬氏體中碳的繼續析出，晶格畸變基本消除，，析出的碳化物質點有聚合傾向，組織中的位錯密度減少，李晶界消除，這一系列變化，使鋼的硬度和強度有所下降，但在這個階段，有些鋼會產生脆性，即第一類回火脆性。在馬氏體不銹鋼中，由于鉻元素的存在，對碳化物的形成會起到阻礙作用。

 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,也會有少量尚未完全轉變的x碳化物和ε碳化物。

  實際上，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，這個過程更明顯了。

  電子顯微鏡分析表明：在較低溫度下回火時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，發生了碳及合金元素的擴散。

  鋼中的合金元素在這一階段發揮了明顯的作用，因為溫度較高，合金元素已經有能力進行擴散和移動。所以，合金元素在鐵素體和碳化物之間進行重新分配。

  由于碳從鐵素體中充分析出及碳化物的集聚長大，鋼的硬度和強度下降，而塑性和韌性上升，使鋼具有優良的綜合性能。但有些合金鋼在這個溫度區間回火時，會產生第二類回火脆性。

  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階段產生不同程度的作用。

  鉻是強碳化物形成元素，會增加碳化物原子間的結合力，使碳化物的細小顆粒的溶解難以進行，所以，會阻礙較大碳化物顆粒的長大、集聚，也就會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，由于含鉻的特殊碳化物的彌散析出，使回火鋼的硬度產生回升現象。

  有的資料顯示，含鉻12%的馬氏體不銹鋼在450℃左右回火時，會出現硬度最高點，并認為，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變成回火馬氏體有關。

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

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間回火時，沖擊韌性下降、脆性增加的特性。在250~400℃溫度區間產生的脆性稱第一類回火脆性，由于產生的溫度較低，又稱低溫回火脆性，這種回火脆性產生后，可以用更高溫度的加熱消除，之后，再在脆性產生溫區回火時將不再產生脆性，所以，也稱不可逆回火脆性。大多數鋼都有第一類回火脆性：

  在450~700℃溫度區間產生的脆性稱第二類回火脆性，由于產生的溫度較高，又稱高溫回火脆性，這種脆性產生后，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，則又重復產生脆性，所以，也稱可逆回火脆性。

 第二類回火脆性多產生于鉻一錳、鉻－鎳等合金鋼中，因為許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，人們對第二類回火脆性更重視，研究也比較深入。

 2. 回火脆性產生的原因

 關于回火脆性的產生原因和本質，雖有大量的研究，但仍未有統一的意見，存在不同的假說和理論。

①. 析出理論

 淬火鋼回火時，淬火馬氏體中過飽和的碳優先，以晶間斷裂為主要特征的事實來證明。還有的研究者認為是鋼回火時，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被溶物從固溶體中析出，并以不利于韌性的狀態分布。反之，快診求它們被保留在固并以不利的韌性無測顯影響。但用析出物來解釋回火脆性的常不中，不修充分，因為在產生脆性的溫度與室溫時相比，碳等理由仍并解度沒有很大區別，另外，脆性及脆化程度并不與回火溫度成比例。

②. 碳化物轉變理論

 認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擴散能力的增強，碳化物的成分和分布形態改變而引起脆性。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些，特別是當其沿晶界析出和分布時，對韌性更加不利。

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

③. 殘留奧氏體轉變理論

  鋼在加熱奧氏體化時，由于擴散的作用，碳和合金元素聚集在奧氏體晶界處，引起奧氏體晶內與晶界處成分不均勻。淬火冷卻后，晶內組織發生了馬氏體轉變，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定，沒發生轉變而保留下來。在回火加熱時，由于碳和合金元素的析出降低了其穩定性，在回火冷卻時，發生了馬氏體相變，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相矛盾，并且不能解釋回火脆性可逆性的特征。

④. 雜質元素晶界偏析理論。

 當鋼中含有低熔點的銻、磷、錫等雜質元素時，在鋼加熱過程中，它們溶于固溶體內，使鐵的晶格產生彈性畸變和系統能量增高，晶界處由于缺陷較多，在一定條件下，雜質會自發地向晶界區偏聚。另外，在回火過程中，蕨化物沉淀析出時，雜質元素會被排斥在碳化物之外，促使基體利碳化物界面附近的雜質元素濃度增加。雜質元素的這種不規則的濃集層降低了晶面間的結合力，為裂紋提供了成核和擴展的機會，持這種觀點的研究者還指出，當鋼中含有鉻、鎳等元素時，由于在奧氏體化過程中也會產生一定程度的偏聚，而合金元素和雜質之間存在化學親合力，又加強了雜質元素的偏聚程度，所以，含鉻、鎳等元素的合金鋼的回火脆性更明顯一些。

 但是，這個理論也沒能解釋清楚回火脆性和回火冷卻速度有密切關系的原因。

 總之，關于鋼的回火脆性的實質還是一個需要繼續深入探討的課題。雖然，目前還缺少一個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的。

 ①. 沖擊斷裂基本上是沿晶界發生的。可以認為回火脆性是晶界轉變的結果。

 ②. 第二類回火脆性是可逆的。可以認為回火脆性應該與某些析出物的溶解、析出過程有關。

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

 3. 鋼的回火脆性的判斷和評價

 第二類回火脆性的產生與回火冷卻速度有關，所以，一般用鋼在回火快冷和緩冷后所測到的沖擊值的比值來評價其是否有回火脆性及其嚴重程度。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。一般當Δ>1,即認為有回火脆性傾向，Δ值越大，說明該材料在回火溫度下的回火脆性越嚴重。

 這種評價回火脆性的方法，一般能滿足常規條件下工作零件對韌性的需要，在一些特殊環境和條件下工作零件，對材料韌性及韌性變化有特別要求時，還應該采用更嚴格的評價方法。如測定材料的冷脆性轉變溫度，或測定材料不同回火冷卻方式對冷脆轉變溫度提高程度的影響等。當然，這些測試和評價更復雜，成本更高。

 4. 合金元素對回火脆性的影響

  一般認為碳鋼是對回火脆性不敏感的鋼，合金元素對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。合金元素對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；對回火脆性影響不明顯的元素有鈦、鈮、鋯等；銅、鎳等元素單獨影響作用不大。

 在馬氏體不銹鋼中的主要合金元素對回火脆性傾向影響情況如下:

 ①. 鉻：對回火脆性有影響，且隨鉻含量的增加而增加。當鋼中還有鎳、錳、磷元素時，影響更大。

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

 ③. 釩：增大回火脆性。但加釩的鋼提高了抗回火穩定性，－般采用更高的溫度回火，可能遠離鋼的回火脆性溫度區間，所以，實用上對回火脆性反映不很明顯。

 ④. 鉬：有人認為鉬本身對回火脆性有影響，但適當地加入有回火脆性的鉻鋼、鉻－鎳鋼、鎳－錳鋼、鉻－錳鋼中，反而會減小和消除鋼的回火脆性。但也有資料報道，在某些鋼中，當鉬含量超過一定量時，反而增大了回火脆性。

 在馬氏體類不銹鋼中，一般認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，并積累了一些經驗。在工程實用上可采取的手段：一方面從控制化學成分入手，另一方面是從改善回火冷卻方法上做工作。

 屬于化學成分方面的措施，包括合理設計鋼的成分，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，減少雜質和低熔點元素。

 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生的應力，對于大型工件或要求嚴格控制殘留應力的工件，可在回火快冷后，再采用一次低于產生回火脆性溫度下的去應力回火。也有的采用兩段回火冷卻方法，即回火保溫后，先快速冷卻至產生回火脆性溫度以下的溫度，再入爐繼續以緩慢方式冷卻。當然，這在實際操作上不易準確控制分段的時機。

 對某些成分的鋼，可以降低淬火加熱溫度減輕回火脆性?，F在，我們可以概括地總結一下：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、冷卻發生組織轉變及淬火后回火過程中具有了與碳鋼不同的特征。

（1) 狀態圖有了改變，縮小了γ相區。

（2) 改變了共析溫度和共析碳含量，降低了馬氏體轉變溫度。

（3) 鋼在加熱奧氏體化時，應提高加熱保溫溫度和延長保溫時間。

（4) 奧氏體穩定程度提高了，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度的情況下，需提高回火溫度，延長回火保溫時間。

（7) 增加了鋼的回火脆性傾向，必要時采用快冷，以減少鋼的回火脆性。