[科普中国]-回火马氏体

淬火时形成的片状马氏体（晶体结构为体心四方）于回火第一阶段发生分解—其中的碳以过渡碳化物的形式脱溶—所形成的、在固溶体基体（晶体结构已变为体心立方）内弥散分布着极其细小的过渡碳化物薄片（与基体的界面是共格界面）的复相组织；这种组织在金相（光学）显微镜下即使放大到最大倍率也分辨不出其内部构造，只看到其整体是黑针（黑针的外形与淬火时形成的片状马氏体（亦称“α马氏体”）的白针基本相同），这种黑针称为“回火马氏体”。

简介片状马氏体经低温回火（150-250摄氏度）后，得到回火马氏体。其具有针状特征,因此也叫针状马氏体。

低温回火（150-250℃） 所得到的组织是回火马氏体，其性能是：具有高的硬度（HRC58-64）和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高.这种回火方法主要用于刃具，量具，拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件.

钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，都有向稳定的组织（铁素体和渗碳体两相混合物）转变的倾向.但在室温下，原子活动能力很差，这种转变速度极慢.随着回火温度的升高，原子活动能力加强，组织转变便以较快的速度进行.由于组织的变化，钢的性能也发生相应的变化。

由极细的ε碳化 物和低过饱和度的铁素体组成。过渡 相ε碳化物的析出使母体过饱和度减 小，正方度降低，但并不改变淬火马氏 体的针状特征。ε碳化物是极细的并 与母体保持共格联系的薄片，弥散分 布，属正交点阵，分子式为Fe2.4C。显 微镜下，高碳回火马氏体为黑色针状， 低碳回火马氏体为暗板条状，中碳为 两者的混合。而极细的ε析出物在电 子显微镜下才能看到。与钢的其他组 织相比，回火马氏体具有很高的强度、 硬度、耐磨性和韧性。

制作过程按回火温度的不同，回火时淬火钢的组织转变可分为四个阶段。

80-200℃马氏体分解，当钢加热到约80℃时，其内部原子活动能力有所增加，马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出，马氏体中碳的过饱和程度不断降低，同时，晶格畸变程度也减弱，内应力有所降低。

这种出过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织，称为回火马氏体。

200-300℃残余奥氏体分解，当钢加热温度超过200℃时，马氏体继续分解，同时，残余奥氏体也开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体，到300℃时，残余奥氏体的分解基本结束。

300-400℃渗碳体的形成，钢在回火的这一阶段，从过饱和固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体（Fe3C)。当温度达到400℃时，α固溶体中过饱和的碳已基本完全析出，α-Fe晶格恢复正常，由过饱和固溶体转变为铁素体。钢的内应力基本清除。

400℃以上渗碳体的聚集长大，在第三阶段结束时，钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物，随着回火温度的升高，渗碳体颗粒不断聚集而长大。根据混合物中渗碳体颗粒大小，可将回火组织分为二种：400-500℃内形成的组织，渗碳体颗粒很细小，称为回火屈氏体。温度升高到500-600℃时，得到细小的粒状渗碳体和铁素体的机械混合物，称为回火索氏体。1

回火将经过淬火的工件，重新加热到低于临界温度的适当温度，保温一段时间，然后以一定方式冷却下来的金属热处理方法。以钢铁为例，适当的温度指适当低于Ac1(共析线) 的温度。冷却方式可以是空气冷却，也可以在水、油等介质中冷却。回火是淬火的后续工序。经过淬火的工件，一般都需要进行回火处理。回火的主要目的是： 降低脆性、消除内应力、减小工件的变形和开裂倾向；调整硬度提高塑性和韧性，以获得工件所要求的机械性能；稳定工件尺寸；提高工件内部组织的稳定性，以实现不稳定的不平衡组织转变为稳定的平衡组织。

回火的种类有多种，以温度的不同可分为低温回火 (150～250℃)、中温回火 (350～450℃) 和高温回火 (500～680℃)。通常根据对工件机械性能的要求来确定回火温度。在生产实践中，硬度的测定比较简便，常以硬度值作为选择回火温度以及工艺的主要参考指标。低温回火主要应用在各类工具、模具、滚动轴承以及渗碳或表面淬火工件，以达到降低内应力和脆性，保持淬火后的高硬度和耐磨性的目的。中温回火主要应用于各种弹簧、锻模、冲击型工具和其他要求高强度的工件，以获取适宜的韧性、弹性和好的屈服强度。高温回火广泛应用在各种较为重要的结构零件、连杆、螺栓、齿轮和轴类等，既可作为最终热处理，又可作为预备热处理 (为下道工序提供组织准备)。通常把淬火加高温回火称作“调质”处理。尽管目前有人试用形变热处理来代替调质处理，但在机械制造行业中，调质的应用仍然十分广泛。

除了在炉中进行加热回火的常规方法之外，生产实践中根据不同的需要，还产生了一些其他回火方法; 如自回火和感应加热回火。(1) 自回火。在工件进行淬火操作时，不让冷却进行到底，而提前中断冷却。利用心部的余热加热外部的淬硬层，并达到一定的回火温度进行回火，保持淬硬层的回火效果。在一些工具、曲轴等工件上，已成功地得到了应用。(2) 感应加热回火。利用工频感应加热回火，可大大缩短工艺时间，易实现自动化，提高生产效率。例如一些形状简单的轴承套圈和轴类等均可采用此类回火。(3) 其他回火方法。按加热方式不同，还有火焰加热回火、通电加热回火等。这些方法时效处理的作用与回火近似，时间化费较长。低温时效处理实际就是补充回火过程。2

马氏体早在19世纪末，人们就已经知道把钢从高温急冷(淬火)时，钢会从高温相转变为较硬的另一种相，为纪念德国冶金学家Adolph Martens，将淬火后形成的相称为马氏体.到20世纪50年代，马氏体定义为符合马氏体相变基本特征的相变产物。除了钢以外，许多铁合金、有色金属和合金都有马氏体。一般钢内马氏体的形态是多种多样的，但就其特征而言可分为两类：一类是低碳马氏体，呈条状，其亚结构为位错，称为条状或位错型马氏体。另一类是高碳马氏体，呈片状(针状、透镜状)，其亚结构为细的孪晶，称为片状或孪晶型马氏体。含碳量大约在0.4%～1.0%之间为条状马氏体及片状马氏体的混合组织。

Fe-C马氏体的强度主要决定于碳的固溶强化以及自回火的时效强化，孪晶亚结构也有附加强化的作用，原始奥氏体的晶粒大小及马氏体的大小对强度也具有影响。Fe-N马氏体的强度也具类似的情况，对替代式固溶体，如Fe-Ni马氏体的强度主要为固溶强化。Fe-C马氏体的韧性主要决定于亚结构的类型，孪晶降低韧性。条状马氏体的韧性则主要决定于马氏体领域的大小。低碳的位错型马氏体具有相当的强度和良好的韧性，高碳的孪晶型马氏体具有大的强度但韧性很差。因此，对结构钢来说，以各种途径来强化马氏体的同时，使其亚结构基本保持位错型，这样可以兼具强度和韧性。由于Fe-Ni-C合金的形态和Ms温度有关系，而形态又和性质有联系，因此合金的Ms温度也能和其性质联系起来，如增加钢中含碳量，使Ms降低，促使孪晶形成，马氏体的形态由条状(位错亚结构)变为条状和片状(孪晶亚结构)的混合组织，乃至完全形成片状马氏体.外加应力、热处理等均会影响Ms点，一般合金的Ms愈高，韧性和塑性也愈好. 但碳虽提高钢的Ms点，但仍促使孪晶的形成对钢的韧性不利。

某些有色合金也具马氏体，其形态为片状，内部亚结构具有孪晶和层错结构两大类，层错类型一般有：3R (=ABC…)，9R(=ABCBCACAB)，18R(=AB′CB′CA′CA′BA′BC′BC′AC′AB′)，2H( =AB)，11H(=ABCBCACABAB)或这些层错的混合类型，都呈层状。

有色合金马氏体的强化效应并不显著，一般也不加以应用，但其中弹性马氏体，由于其伪弹性和形状记忆效应能在工业上获得应用，在最近 一、二十年中，对形状记忆效应的研究在马氏体的研究领域中占了很大比重。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学