1.回火脆化现象

大多数中高碳钢淬火后须经过回火处理以提高其韧性和塑性。冲击试验表明，许多钢的冲击性能并不是随着回火温度升高而线性升高的。如图4-14所示，在两个回火温度区间会出现冲击韧度明显降低的现象，断裂时常出现脆性，发生在较低温度（约350℃）的脆性称为第一类回火脆性或回火马氏体脆性（TEM），又叫低温回火脆性或不可逆回火脆性，即重复回火时不再出现。这类回火脆性一般发生在高纯度的钢中，与杂质的偏聚无关，断裂为穿晶型准解理。产生的原因是有碳化物转变（ε相→渗碳体），或者由于板条间残留奥氏体向碳化物转变，这些板条内或板条间渗碳体型碳化物易成为裂纹形成的通道。发生在较高温度（约500℃）的脆性称为第二类回火脆性，或简称为回火脆性（TE），又叫高温回火脆性或可逆回火脆性。这类脆性与材料的合金元素（Cr、Mn、Mo、Ni、Si）和杂质元素含量（S、P、Sb、Sn、As）及处理的温度有关，断裂为沿晶断裂。这类脆性发生在纯度较低的钢中，与杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关，与在原始奥氏体晶界形成Fe₃C的薄壳，或者由于沿原奥氏体晶界杂质元素偏聚及Fe₃C析出的共同作用有关，此类回火脆性具有可逆性，即在重新回火时仍会表现出来。

图4-14 回火温度对钢的冲击韧度的影响

图4-15 40CrNiMoA钢缺口试样的冲击韧度与回火温度的关系

C—解理断裂 D—韧窝断裂 G—沿晶断裂注：（t为摄氏温度，θ为华氏温度）。

图4-15所示为40CrNiMoA钢缺口试样的冲击韧度与回火温度的关系。在310℃附近有回火脆性，在回火脆性区的断裂机制主要为沿晶断裂和解理断裂，有少量的穿晶断裂。

淬火回火的某些合金钢，低温回火时回火温度较正常温度偏高时，易出现第一类回火脆性。弹簧钢、高合金工模具钢回火温度偏低时也易出现这类回火脆性。调质钢，特别是含Cr、Mn等合金元素的钢材，在高温回火时，常因在脆化温度区间停留时间过长而出现第二类回火脆性。某些合金钢渗氮处理时，也易出现这类回火脆性。

2.回火致脆断裂的特征

（1）宏观形貌特征 断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为宏观脆性断裂。但在脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。

（2）典型微观形貌 沿奥氏体晶界分离形成冰糖块状（见图4-16）。晶界上一般无异常沉淀物，因而有别于其他类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。除此之外，在断口上一般可见二次断裂裂纹。

3.回火致脆断裂的分析

在失效分析时，对于具有产生回火脆性条件，怀疑可能是回火脆性断裂的零件，可取样进行材料回火脆性检验。通过试验可以确定钢材回火脆性的严重程度，正确试验方法的选择是很关键的。

图4-16 20Cr13对接焊叶片断口形貌

注：TEM二级复型。(www.daowen.com)

表征材料回火脆性的力学性能指标有a_K、K_IC、S_u（断后最小横截面积）及临界裂纹尺寸的特征参量a_c等，能够正确显示材料回火脆性的检验方法有室温冲击试验法、系列冲击试验法、低温拉伸试验法、断裂韧度法等。

（1）室温冲击试验法 将待测钢材加工成缺口冲击试样，淬火并经不同温度回火后，在室温下测试其a_K值，可以得到图4-14所示的曲线，由此确定材料的回火脆性温度范围和脆化程度。试验温度一般应低于25℃，过高的试验温度将影响试验结果，甚至显示不出回火脆性。

（2）系列冲击试验法 将待测钢材加工成缺口冲击试样，在不同温度下测试其a_K值，由此确定材料韧脆转变的温度（见4.2.2）。回火脆性的力学本质是钢的韧脆转变温度的上移，以致在室温下发生由微孔型宏观塑性断裂向沿晶型脆性断裂的过渡现象。将脆化材料的试验结果与同一材料未脆化的韧脆转变温度比较，即可确定是否存在回火脆性及其严重程度。

（3）低温拉伸试验法 低温拉伸试验时能够显示出脆性状态材料所特有的韧性和塑性显著降低的现象。利用低温拉伸法，测量试样的S_u（断后最小横截面积）及Z（断面收缩率）并与未脆化状态材料的同类指标相对比，则可确定材料的回火脆性状态。一般强度指标R_eL（R_m）不能显示钢的回火脆性。

（4）断裂韧度法 利用断裂韧度的测试法，测出材料的K_IC及a_c值也能显示材料的回火脆性。一般来说，回火脆性对室温下的K_IC值影响并不明显，而裂纹失稳扩展时的特征参量a_c值则对回火脆性极为敏感。

由

可知

当σ_c=R_eL时，则有

因此，a_c为裂纹失稳扩展时表征裂纹特征的参量。

必须注意，通常的室温拉伸试验不能显示回火脆性。

图4-17所示为16NiCo钢的力学性能与回火温度的关系。由图4-17可知，钢的强度及硬度随回火温度的升高而增加，到440℃时出现二次硬化峰，峰值过后开始下降。冲击韧度开始随回火温度的升高而降低，至440℃时达最低点，出现第一类回火脆性；而后随回火温度升高开始回升，至520℃出现最大值，在550℃回火冲击韧度再次降低出现谷值，600℃以上回火冲击韧度急剧升高。在冲击韧度显著降低（回火脆性区）的温度附近，钢的强度出现峰值，断后伸长率和断面收缩率没有明显的变化。因此，从拉伸性能的变化上难以判断钢的脆性，而冲击韧度的变化显示得非常清楚。

图4-17 16NiCo钢的力学性能与回火温度的关系

断口特征的对比分析也是确定回火脆性导致断裂的分析方法。一般分析时，需要对同一种材料相同的零件进行对比分析。有人对试机过程中断裂的20CrMnMo钢紧固螺钉进行了分析。取同一批紧固螺钉中的未断裂件做成拉伸断口，与断裂件的断口进行对比分析。拉伸断口呈暗灰色纤维状，中心平整，四周有45°剪切唇，呈韧性断裂形态，断口微观特征主要由韧窝组成，有少许准解理小平台，螺钉断裂时该区域产生过较大的塑性变形。实际断裂件断口呈浅灰色，整个断面平直，放射线极细，很难分辨，并有少量台阶，四周无45°剪切唇，呈明显的脆性断裂形态。其微观特征可见裂纹沿晶界扩展，晶面上有细小解理条纹，主要为准解理河流花样，但解理面较小，河流花样非常短，另外还有极少量的韧窝。这表明该试样断裂是断裂前无明显塑性变形的晶间断裂。断裂的螺钉硬度较高，显微组织不均匀，有明显的板条马氏体束的痕迹。这说明其回火温度偏低，处于低温回火脆性区。由此确定紧固螺钉的断裂失效原因是热处理操作不规范，出现低温回火脆性，使螺钉塑性、韧性降低，脆性增大。通过对尚未装机的紧固螺钉重新进行回火处理，从而解决了紧固螺钉的断裂问题。